Текст книги "Распространненость жизни и уникальность разума?"

2.6. Признаки, отличающие живое от неживого; ранние клетки

Пылинку, которая несла ансамбль, составленный автореплицирующимися молекулами, пептидами и другими молекулами, необходимыми для поддержания и активизации синтетической активности, можно рассматривать как двумерную (плоскую) квазиклетку. При накапливании избыточного количества синтезированных полимерных и других молекул часть их съезжала с пылинки и вновь сорбировалась на свободной поверхности, где синтезы возобновлялись. Так происходило размножение квазиклеток. Однако когда-то должен был произойти переход к образованиям, более близким настоящим клеткам, в которых метаболирующий комплекс органических молекул окружен полупроницаемой оболочкой, пропускающей внутрь необходимые для поддержания метаболизма вещества, но изолирующей от среды и от других клеток продукты клеточных синтезов. Получены данные, свидетельствующие, что формирование такой мембраны могло быть стимулировано самой минеральной частицей, несущей мультимолекулярный комплекс (Hanczyc et al., 2003). Только с появлением изолированных ансамблей могла быть запущена эволюция по Дарвину, в основе которой лежит естественный отбор. Ранее такой отбор был невозможен, т. к. новые удачные продукты или полезные модификации уже присутствовавших ранее продуктов при появлении в открытой системе, каковою является поверхность пылинки, могли эту поверхность покинуть и присоединиться к другой “квазиклетке”, т. е. стать достоянием всех, что препятствовало конкуренции и отбору. В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию. При комплементарной репликации информационной (автореплицирующейся) молекулы произошло подключение некомплементарного звена (мутация). Вследствие изменения состава информационной молекулы изменилась также ее конформация, благодаря чему оказались изменены матричные свойства этой молекулы при образовании контролируемого ею пептида. Измененный вследствие этого пептид приобрел новые качества, которые позволили ему лучше справляться с выполняемой функцией – активизацией комплементарной репликации информационных молекул. Вследствие открытости системы пептиды, синтезированные на модифицированной матрице, могли рассеиваться и присоединяться к другим поверхностным ансамблям. В этих ансамблях репликация немодифицированных информационных молекул оказывалась активированной так же, как в ансамбле, породившем измененный пептид. Эта “филантропия” не позволяла осуществиться в полной мере конкуренции и проявлению преимуществ мутировавшего ансамбля, т. е. отбору. Образование оболочки, препятствовавшей выходу в среду синтезированных в ансамбле продуктов, коренным образом меняло ситуацию. С этих пор все изменения в структуре информационных молекул, как благоприятные, так и неблагоприятные, работали на пользу или во вред только своей клетке.

В рассуждениях об эволюции мы достигли этапа, когда необходимо ввести определение, чем же отличается живое от неживого, т. е. попытаться ответить на вопрос, что есть жизнь.

Одно из первых, если не первое, научное определение жизни в 60-е годы 19-го века дал Фридрих Энгельс, заявивший: жизнь есть форма существования белковых тел. Представления, сформулированные через 80 лет известным физиком Эрвином Шредингером в книге “Что такое жизнь?”, мало отличаются от представлений Энгельса. Шредингер, как и Энгельс, приписывал белку все основные функции в клетке, в том числе наследственные. Однако специалистам уже была известна работа Эвери и его сотрудников, опубликованная в 1944 г. (Avery et al., 1944). В экспериментах по переносу наследуемых признаков у пневмококков авторы показали, что трансформирующим началом, а следовательно, веществом, обеспечивающим наследственные (генетические) свойства клетки, является ДНК, а не белки, как считалось ранее. Именно с этого момента началась многократно описанная гонка, завершившаяся в 1953 г. установлением Уотсоном и Криком биспиральной структуры ДНК (Watson and Crick, 1953a) и описанием ими же механизма полуконсервативной репликации ДНК (Watson and Crick, 1953b). Как следствие, в качестве живых были признаны системы, в которых “обязательными компонентами являются два важнейших класса биополимеров – белки и нуклеиновые кислоты” (Энгельгардт, 1984). Дальнейшие исследования в области эволюции клетки показали, что в ранних клетках нуклеиновым кислотам могли предшествовать менее сложно организованные носители наследственных свойств, также способные к полуконсервативной репликации (например, уже упоминавшиеся ПНК).

Поэтому в настоящее время предложено более общее определение живого, состоящее из трех положений: 1) Способность к самовоспроизведению, 2) Способность к размножению, 3) Способность к конкурентной эволюции. При этом подразумевается клеточная структура живого организма, пользующегося внешними источниками энергии и поступающими из среды исходными материалами для биохимических реакций.

Согласно приведенному определению, описанные выше делящиеся мультимолекулярные комплексы, которые отгородились от среды и других комплексов малопроницаемой мембраной, следует рассматривать как самые примитивные, но уже живые клетки.

2.7. Попытки моделирования примитивных клеток

В ранних работах о происхождении жизни была выдвинута идея предклеточных структур, существующих в водной среде в форме “микросфер” (Fox, 1965; 1991) и “коацерватных капель” (Опарин, 1966). Микросферы формировались из т. н. протеиноидов – белковоподобных веществ, образованных путем термической полимеризации наборов аминокислот. Несмотря на отсутствие липидов, микросферы ограничены похожей на мембрану структурой, формирование которой зависит от присутствия в протеиноидах звеньев с гидрофобными боковыми группами. При механических воздействиях микросферы дробились (делились), можно было также добиться их слияния.

Коацерватные капли конструировались из готовых белков, в том числе ферментов, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов, хлорофилла и других веществ, которые можно встретить в живой клетке. Показательно, что ферментативные реакции в коацерватных каплях протекали эффективнее, чем в окружающей среде. Накапливая материал, коацерватные капли увеличивались в размерах и делились. Однако реально коацерватные капли, конструировавшиеся из веществ, характерных для современных клеток, весьма далеки от ранних автореплицирующихся комплексов, которые по составу были намного примитивнее, но полностью воспроизводились в дочерних структурах.

В последние годы вновь проявился интерес к проблеме экспериментального изучения возможных свойств примитивных клеток. Этот интерес отразили конференции по искусственным формам жизни (для обзора см. Rasmussen et al., 2004). Здесь следует заметить, что самые ранние отпечатки клеток, обнаруженные к настоящему времени на Земле, возраст которых 3.5 млрд лет, принадлежат уже клеткам современного типа. Однако тонкие детали структуры этих клеток и, тем более, молекулярный состав практически неопределимы. Отпечатки предшествовавших им примитивных клеток вообще не найдены. Поэтому любые современные версии примитивных клеток, даже успешные, могут рассматриваться лишь как правдоподобные, но отнюдь не обязательно существовавшие структуры.

Предложены несколько вариантов моделирования примитивных клеток, которые соответствовали бы приведенному выше определению живого. Так, исследуются системы, содержащие пептид-нуклеиновую кислоту (ПНК) как относительно простой автореплицирую-щийся компонент. Предполагается, что автореплицирующиеся молекулы (протогены), принимая определенные конформации, смогут выполнять матричные и каталитические функции (например при синтезе пептидов). В системах присутствуют также пигментные комплексы, призванные обеспечивать их энергией позаимствованной у Солнца. Обязательным участником такой системы является мембрана, организующая все компоненты и изолирующая систему (клетку) от среды. Эта мембрана может быть образована липидами (см. Segre et al., 2001) или другими, способными образовать мембрану в водной среде, соединениями, например гетероциклическими, которые благодаря поступлению из космоса и локальным синтезам присутствовали в значительном количестве на Земле в период становления на ней жизни (Ehrenfreund et al., 2006). Основная задача исследователей – запустить в искусственно организованных клетках самоподдерживающиеся синтетические и другие процессы, которые обеспечили бы их рост и деление. В настоящее время разным группам исследователей удалось в липидном пузырьке осуществить отдельные синтезы, в частности экспрессировать определенные белки (Luisi et al., 2006), провести авторепликацию ПНК (Rasmussen et al., 2003). Возможность деления липидных пузырьков доказана экспериментально (Hanczyc and Szostak, 2004; Luisi et al., 2004). Однако еще предстоит сделать главное: наладить взаимозависимые синтетические и другие процессы, которые обеспечат воспроизводство содержимого пузырька и его деление с образованием двух полноценных структур, способных повторить цикл. По достижении этой цели метаболирующие пузырьки можно будет переименовать в искусственно полученные примитивные клетки. Очевидно, что в делящихся примитивных клетках отсутствовал механизм эквивалентного распределения автореплицирующихся молекул между дочерними клетками. Поэтому в клетке за период роста должны были пройти несколько циклов воспроизводства молекул, чтобы при делении вероятность их попадания в обе дочерние клетки была велика. Напомним, что именно таков механизм сохранения митохондрий в поколениях эукариотических клеток.

Собственные возможности ранних клеток были весьма ограничены. Их развитие должно было быть направлено, в первую очередь, на совершенствование автореплицирующихся молекул и ускорение их синтеза. Представляется маловероятным, чтобы в числе продуктов ранних клеточных синтезов были элементы клеточной оболочки. Тем более что эти элементы, каковыми могли быть жирные кислоты, липиды, “гидрофобные” пептиды, накапливались в среде как продукты химических реакций. Об этом свидетельствуют эксперименты, воссоздающие условия, которые могли существовать на ранней Земле. Среди продуктов были, в частности, обнаружены липиды фосфатидилхолин и фосфатидилэтано-ламин (Epps et al. 1978; Deamer, 1986). Эти липиды принадлежат к числу основных составляющих липидного бислоя, образующего стенки (мембраны) современных клеток. Для таких молекул характерно наличие гидрофильной головки и гидрофобного конца, образованного протяженными углеводородными цепочками. Липиды стремятся самоорганизоваться в бислой, обе поверхности которого гидрофильные, а внутренняя область, цементирующая бислой, сформирована из гидрофобных углеводородных цепочек. Там, где присутствовала влага, липидные бислои образовывали поверхностный слой, состоявший преимущественно из замкнутых микроструктур – везикул (пузырьков), внутренняя полость которых была заполнена водной средой. Везикулы могли захватывать приобретшие способность к метаболизму молекулярные ансамбли, формируя таким образом ранние клеточные структуры (Monnard and Deamer, 2002).

Липидная оболочка содержала разнообразные вкрапления, в частности пептиды, нарушавшие регулярность структуры бислоя, Эти вкрапления облегчали транспорт через мембрану веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки.

Примитивные клетки формировались не только на основе молекулярных ансамблей, “сползших” с создавшей их поверхности, но и сами каталитические пылинки могли оказаться включенными в клетки. В этом случае поверхностный катализ сохранялся в клетке, что существенно повышало ее возможности.

Предложена гипотеза, основанная на предположении, что липидные мембраны с самого начала были основой, объединившей “репликаторы” (нуклеиновые кислоты или их предшественники), катализаторы, пептиды. Конкуренция этих все усложнявшихся нуклео/ белково/липидных ансамблей приводила к отбору воспроизводившихся наиболее точно и быстро. Симбиотические взаимодействия (слияния) ускоряли эволюцию этих прото-организмов (Cavalier-Smith, 2001).

Естественно, ранние клетки не могли обеспечить регулярность клеточного деления, весьма сложного многоступенчатого процесса. Клеточное деление могло осуществляться при разрыве оболочки вследствие переполнения клетки синтезированными продуктами и при случайных механических повреждениях, например при попадании клетки в турбулентность.

Представляется очевидным, что жизнь клетки могла протекать только в водной среде, где черпались продукты, служившие клеткам питанием, и могла формироваться липидная оболочка. Электрический разряд и высокая температура, служившие важными источниками энергии при доклеточных синтезах в атмосфере, не могли быть столь же эффективно использованы обитавшими в водной среде клетками. Однако по-прежнему эффективным оставалось ультрафиолетовое излучение Солнца, свободно достигавшее поверхности Земли благодаря отсутствию в атмосфере свободного кислорода, а следовательно, и поглощающего ультрафиолетовое излучение озонового слоя (в значительном количестве кислород появился в атмосфере Земли через 1 млрд лет как побочный продукт фотосинтеза). Отсутствие свободного кислорода давало преимущество синтетическим процессам перед окислительной деструкцией, что было весьма существенным в тот ранний период эволюции, когда скорость синтетических процессов, в том числе полимеризации, была еще очень низка.

Синтезированные под действием ультрафиолетового излучения гетероциклические соединения (пирролы, имидазолы, индолы, азотистые основания, порфирины) могли перехватывать энергию видимого света и использовать ее на образование макроэргических соединений. На роль таких макроэргов, которые обеспечивали энергией синтетические процессы в ранних клетках, а возможно, и в предклеточных системах, прочат неорганические полифосфаты, в частности пирофосфат (Baltscheffsky and Baltscheffsky, 1994).

Глава III. Мир РНК-ДНК

3.1. Миры до РНК и мир РНК

Многие исследователи полагают, что первым клеточным миром был мир РНК (Ferris, 1999; Hoenigsberg, 2003). Однако по причинам, рассмотренным выше, более правдоподобна версия, согласно которой в ранних клетках функционировали информационные автореплицирующиеся молекулы, в которых азотистые основания были подключены к просто организованным линкерам. Эти линкеры могли быть синтезированы путем пребиотических синтезов. Один из возможных предшественников РНК – уже упоминавшаяся выше пептид-нуклеиновая кислота (ПНК) – имеет структуру белка (звенья соединены пептидной связью), в котором боковыми группами являются азотистые основания (см. Раздел 2.5). Комплементарные нити ПНК способны образовать биспираль и, что особенно важно, комплементарные нити ПНК и РНК образуют гибридную биспираль. Экспериментально установлено, что ПНК может быть использована в качестве матрицы при комплементарном синтезе РНК (Bohler et al., 1995). Если ПНК как информационная автореплицирующаяся структура была непосредственным предшественником РНК, то благодаря столь высокой их совместимости переход к миру РНК мог произойти достаточно плавно. Этот переход был подготовлен приобретением клетками способности производить сахар d-рибозу, нуклеозиды, являющиеся продуктами присоединения одного из четырех азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила) к d-рибозе по углероду С1, и нуклеотиды – фосфорилированные макроэргические производные нуклеозидов (нуклеозидтрифосфаты). Именно нуклеотиды являются звеньями в цепи РНК. Сами нуклеотиды и ряд их низкомолекулярных производных могли быть использованы для запасания и переноса энергии, а также в качестве коферментов участвовать в ферментативном катализе, в том числе в комплементарной авторепликации РНК. На этом поприще РНК вытеснила предшествовавшие ей автореплицирующиеся макромолекулы. Первоначально мир РНК, в принципе, мало отличался от того, на смену которому он пришел. Предположительно, достаточно протяженные молекулы РНК были организованы подобно их предшественникам в форме последовательности петель, которые селективно связывали определенные аминокислоты и фиксировали их в положениях, благоприятствовавших образованию полимерной цепи (Рис. 1А). Таким образом, молекулы РНК одновременно служили матрицами, связывающими аминокислоты, и кодировали аминокислотную последовательность пептида (белка). Правдоподобность этой гипотезы подтверждается данными о реальном существовании структур РНК, специфически связывающих определенные аминокислоты. Такая структура была первоначально выявлена в интроне предшественника рибосомной РНК тетрахимены (Yarus, 1988). Соответствующий участок РНК стабильно изогнут в форме петли, сформированной как полость, которая специфически связывает аргинин. При этом оказалось, что РНК-петля предпочтительно связывает L-форму аргинина, т. е. осуществляет хиральную селекцию. Измерения константы диссоциации такого комплекса показали его высокую стабильность (Geiger et al., 1996). Впоследствии были обнаружены РНК петли, специфически связывающие фенилаланин и триптофан (Zinnen and Yarus, 1995). Эти наблюдения имеют принципиальное значение. В частности, они подтверждают возможность осуществления хиральной селекции аминокислот в петлях примитивных РНК-матриц. В период, когда синтез аминокислот был абиотическим и, следовательно, в клетку поступали оба оптических изомера, способность петель осуществлять первичную селекцию энантиомеров (оптических изомеров) обеспечивала оптическую однородность сформированного белка.

Не исключено, что для образования пептидной связи в клетке, т. е. в достаточно мягких условиях, аминокислоты были предварительно активированы. В модельных экспериментах образование пептидов было осуществлено при поликонденсации эфиров альфа-аминокислот (Fukuda et al., 1981). Современный механизм активирования аминокислот – подключение их к 3-OH концу тРНК с образованием эфирной связи – в несколько иной форме мог быть реализован уже на этапе примитивного кодирования пептидов на оганизованной в форме петель РНК-матрице (Felden and Giege, 1998).

В образовании химических связей между аминокислотами, удерживаемыми в петлях РНК-матрицы, могли участвовать как РНК-ферменты (рибозимы), так и ферменты белковой природы. Этот вопрос остается открытым. Однако в современном аппарате трансляции на рибосомах этап образования пептидной связи осуществляется с участием элемента рибосомной РНК в качестве рибозима (Joyce, 1989; Lhose and Szostak, 1996; Zhang and Cech, 1997).

Химические модификации азотистых оснований, а также ошибки при копировании (подключение к растущей цепи не комплементарного матрице азотистого основания) являлись причиной мутаций в РНК-матрицах, которые приводили к конформационным изменениям петель и обеспечивали их изменчивость как адапторов аминокислот. Соответственно эволюционировали контролируемые РНК-матрицами белки. Другой кардинальный путь модификации РНК-матриц, имеющий следствием появление новых белков, – рекомбинация матриц как путем прямого обмена материалом, так и по механизму перемены матрицы при репликации (Kogoma, 1996).

Необходимым элементом рассматриваемого механизма примитивного кодирования белков является плотная укладка РНК-матрицы, обеспечивающая ее компактность и тесное прилегание соседних петель друг к другу (как монеты в стопке). При должном ориентировании аминокислот, связанных с соседними петлями, их концевые амино и карбоксильная группы оказывались достаточно сближенными для образования химической связи. Можно предположить, что определенная конформация матричной молекулы РНК, обеспечивавшая координированную позицию петель и их тесную упаковку, была стабилизирована взаимодействием боковых участков соседних петель. Интересно отметить, что, хотя в современной системе трансляции основную стабилизирующую функцию выполняет рибосома, взаимодействие петлевых элементов двух молекул тРНК, которые доставили в рибосому очередные аминокислоты, сохраняет значение как дополнительный стабилизирующий фактор (Smith and Yarus, 1989).

3.2. Переход к современному способу кодирования аминокислотных последовательностей в белках

Мир РНК явился переломным в эволюции клетки, т. к. в рамках этого мира произошел переход от образования пептидов на организованных в форме петель матрицах к современному способу кодирования наследственной информации и отделенному от этого процесса синтезу белков в сложно организованных РНК-белковых структурах – рибосомах. В этом синтезе, помимо рибосомных РНК, участвуют информационные (messendger) РНК (мРНК), в нуклеотидных последовательностях которых закодированы аминокислотные последовательности белков, и адапторные или транспортные РНК (тРНК), которые связываются с определенными аминокислотами и доставляют их в рибосомы к экспонированным кодонам мРНК. Одной из интригующих загадок эволюции является вопрос, появились мРНК и тРНК согласованно как “запланированные” элементы системы кодирования белков или возникли независимо, не будучи исходно предназначены для целей кодирования. До настоящего времени общепринятого решения этой проблемы нет. Автору представляется предпочтительной гипотеза “нецелевого” (по Дарвину) образования этих типов РНК, которые впоследствии оказались тесно взаимодействующими элементами новой системы кодирования и синтеза белков.

Имея в виду эту гипотезу, еще раз обратим внимание на то обстоятельство, что петли РНК-матрицы были тесно сближены. Это могло привести в действие процедуру репликации (копирования) со сменой матрицы (copy choice) (Kogoma, 1996): сближенные участки петель, которые мы достаточно условно именуем торцевыми, служили элементами прерывистой матрицы, по которой шел синтез непрерывной комплементарной копии (Рис. 1Б). Нуклеотидную последовательность этой “огибающей” нити можно условно разбить на ряд коротких участков, которые соответствовали определенным петлям (были комплементарны их торцевым участкам) и следовали в том же порядке. Очевидно, что благодаря такой структуре, возникшая первоначально как побочный продукт “огибающая” нить несла информацию о последовательности аминокислот в пептиде. Эта нить, как и другие молекулы РНК, подвергалась авторепликации, благодаря чему зафиксированная в ней информация оказывалась тиражирована в потомстве. Однако в условиях примитивного кодирования белков информационные возможности огибающих РНК оставались невостребованными. Первоначально они могли выполнять роль дополнительного стабилизатора конформации РНК-матрицы с тесно сближенными петлями, осуществляя с их торцами комплементарное взаимодействие. Однако в клетках наряду с полными РНК-матрицами присутствовали их фрагменты, возникавшие как при прерывании синтеза РНК-матриц, так и при деградации полных молекул. С помощью огибающей РНК фрагменты РНК-матрицы могли быть выстроены в “правильной” последовательности, образуя в сумме полную матрицу.

Рис. 1.

Рис. 1. Схемы, иллюстрирующие гипотезу перехода от примитивного синтеза предетерминированных пептидов к современному генетическому коду.

А. Образование белка (пептида), запрограммированного последовательностью петель-полостей единой молекулы РНК, связывающих активированные аминокислоты. Б. То же. Показана также “огибающая” РНК, нуклеотидная последовательность которой соответствует (комплементарна) ряду “торцов” петлевых элементов матрицы. В. Синтез пептидов на последовательности разделенных полостей-петель, набираемых из общего пула. Порядок петлевых элементов в наборе определяется связыванием их торцевых участков с соответствующими участками «огибающей» РНК, выполняющей таким образом роль информационной молекулы (мРНК). Соответственно, петлевые элементы в этой схеме являются предшественниками тРНК. Г. Эпизод современного синтеза белка на рибосоме: присоединение очередного звена к растущей белковой цепи. Вследствие изменения механизма узнавания адапторами соответствующих аминокислот петли тРНК перестали представлять собою «полости», хотя в них присутствуют необходимые для узнавания структурные элементы.

Схемы Рис. 1 предназначены для иллюстрации основных положений гипотезы и не отражают истинной конформации (укладки) матричных молекул РНК. Другие разъяснения приведены в тексте. Рисунок создан при участии В.В. Горбенко.

И это уже можно рассматривать как частичную реализацию информационных возможностей огибающих нитей. До полной реализации этих возможностей оставался один шаг: образование пула автореплицирующихся автономных РНК-адапторов, связывавших отдельные аминокислоты и узнававших соответствующие им участки в информационных нитях. Первоначально адапторные молекулы – предшественницы современных транспортных РНК (тРНК) – возникали как однопетлевые фрагменты РНК-матрицы. Сформировавшийся пул автономных РНК-петель обеспечивал связывание всех аминокислот, входивших тогда в состав пептидов. “Заряженные” аминокислотами автономные петли матричной РНК были также способны своими торцевыми участками подключаться к соответствующим (комплементарным) участкам огибающей РНК. Принципиально важным для дальнейшей эволюции качеством пула автономных адапторов аминокислот стала его универсальность: он мог быть использован при синтезе любого пептида в присутствии соответствующей огибающей РНК.

Переход к современному принципу кодирования аминокислотных последовательностей и к способу прочтения этого кода при синтезе белка в рибосоме иллюстрирует схема Рис. 1Б: связавшие аминокислоты петли-адапторы выстроены в том же порядке, что на Рис. 1A и Б, но не потому, что они в этом порядке связаны друг с другом в единой молекуле, а потому, что получили информацию о своей позиции благодаря взаимодействию с соответствующими участками огибающей РНК, принявшей на себя функции мРНК. Участки, узнаваемые в мРНК адапторными РНК, представляли собою кодоны, а их последовательность кодировала определенный пептид.

Поначалу новый способ кодирования белков развивался как вспомогательный вариант “под прикрытием” продолжавшего функционировать примитивного механизма. Главным эволюционным стимулом к переключению на новый способ кодирования белков явилась высокая рациональность этого способа, освободившего клетку от необходимости содержать и сохранять в поколениях значительное количество (по числу белков) РНК-матриц, размеры которых многократно превышали размеры соответствующих мРНК. После перехода к кодированию с участием мРНК открылась возможность увеличения как числа, так и размеров клеточных белков. Соответственно возросли их разнообразие и конформационная сложность, что позволило клеткам освоить новые пути метаболизма, усовершенствовать энергетику, кардинально повысить скорость и точность синтезов.

Первоначально характер связывания аминокислот соответствующими им адапторами сохранялся таким же, как при примитивном синтезе: полость, образованная петлей РНК, конформационно соответствовала аминокислоте и удерживала ее в связанном положении. Впоследствии механизм связывания был изменен. Оно стало осуществляться при посредничестве белковых ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз, подключающих аминокислоты к 3'-концевому аденозину соответствующего адаптора (тРНК). При этом изменилось назначение петлевой области в молекулах тРНК. Ее структура сохранила специфичность, но преобразовалась соответственно новому назначению – служить объектом узнавания для специфической аминоацил-тРНК-синтетазы.

Предлагаемая модель позволяет удовлетворительно объяснить происхождение ряда характерных особенностей современного генетического кода, в частности, появление “бессмысленных кодонов”, обрывающих синтез пептида на рибосоме. При синтезе белка по единой РНК-матрице их роль выполняли петли, которые вообще не связывали аминокислоту (Рис. 1A). Такие петли разделяли два пептида, образованные на единой РНК-матрице. В пуле разделившихся петель-адапторов “пустой” петлевой элемент не закрепился за ненадобностью, но соответствующий ему кодон сохранился в мРНК (Рис. 1Б).

В схемах Рис. 1, иллюстрирующих гипотезу возникновения современного способа кодирования белков, использован нынешний трехнуклеотидный (трехбуквенный) код. Однако на раннем этапе перехода к современному способу кодирования код, вероятно, был иным. Логично предположить, что число букв в нем было не три, а не менее чем семь-девять. Благодаря этому энергия комплементарного кодон-антикодонного взаимодействия могла обеспечить стабильность комплекса на время, необходимое для образования пептидной связи.

Большой размер раннего кодона мог также в отсутствие специального механизма обеспечивать соблюдение рамки считывания. При трехбуквенном коде все возможные 64 триплета задействованы, т. е. за исключением трех стоп-кодонов они могут быть узнаны соответствующими тРНК. Поэтому смещение рамки считывания в мРНК, кодирующей определенный пептид, на одну или две буквы не прерывало бы синтеза, но изменило бы последовательность кодонов, т. е. привело бы к появлению “неправильного” пептида. При современном синтезе белка на рибосомах осуществляется контроль начала считывания со стартового кодона, определяющего N-концевую аминокислоту и одновременно обозначающего начало рамки считывания. Однако трудно рассчитывать на то, что контроль соблюдения рамки считывания уже осуществлялся в ранних версиях современного способа кодирования. Роль контролирующего фактора в соблюдении рамки считывания могли сыграть большие размеры кодона. При семибуквенном коде и четырех узнаваемых элементах (азотистых основаниях) число возможных вариантов кодонов около 16 000. Очевидно, что число функционировавших РНК-адапторов и, соответственно, “осмысленных” (соответствовавших определенным аминокислотам) кодонов было многократно ниже. Абсолютное большинство потенциальных кодонов не имело адапторов. Поэтому вопрос об использовании “неправильной” рамки считывания вообще не стоял: существовала единственная рамка, обеспеченная адапторами на всем протяжении. В ней осуществлялся синтез запрограммированного пептида.

Впоследствии, когда сформировался действующий поныне аппарат синтеза белков (Рис. 1В), включающий рибосому, которая наряду с другими функциями осуществляет узнавание стартового кодона в мРНК, контролирует последовательное подключение “заряженных” аминокислотами тРНК и стабилизирует кодон-антикодонное взаимодействие до момента формирования пептидной связи, размер кодона был редуцирован до необходимого минимума – триплета. Возможный ход эволюции генетического кода рассматривался ранее (Fitch and Upper, 1987).