Обойденные и вымершие аминокислоты

В предыдущей главе мы обсуждали возможные альтернативные варианты биохимии – на других химических элементах, в других растворителях, с другими генетическими молекулами вместо ДНК и РНК. Настало время обсудить происхождение набора из 20 аминокислот, составляющего белки, и оценить возможные альтернативы.

Во многих случаях природа выбрала наиболее простые аминокислоты из возможных. Аланин, например, – это самая обыкновенная аминокислота без особых примет. Глицин – единственная возможная аминокислота без боковой группы, благодаря чему по глицину белковая цепь может свободно изгибаться и вращаться. Также в стандартном наборе используются самые простые и доступные кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая) и их амиды (аспарагин, глутамин), аминокислоты со спиртовой группой (серин, треонин), серосодержащие (цистеин), ароматические (фенилаланин, тирозин) с важной для многих ферментов имидазольной группой (гистидин) и жесткие, не допускающие вращения цепи (пролин) (Weber and Miller, 1989). Сложнее ситуация в группах положительно заряженных и неполярных аминокислот.

В стандартном наборе имеется две положительно заряженные аминокислоты – аргинин и лизин. Обе они имеют длинную боковую цепь и сложный путь биосинтеза. В аппарате Миллера и в метеоритах лизин и аргинин не встречаются, зато есть более простые аминокислоты со второй аминогруппой: диаминопропионовая, диаминобутановая и диаминопентановая (орнитин, рис. 13.9). Эти же три аминокислоты есть и в клетках. Диаминопропионовая и диаминобутановая кислоты встречаются у бактерий в составе пептидов специального назначения: антибиотиков и переносчиков железа. Орнитин является промежуточным продуктом в синтезе аргинина и есть у всех организмов – от бактерий до человека. Значит, возможно, что эти аминокислоты были доступны для включения в белки с самого начала, но по каким-то причинам вместо них были выбраны более сложные аргинин и лизин.

Мы можем быть уверены, что аминокислоты со второй аминогруппой входили в состав самых древних белков. Эти белки, чтобы эффективно работать в мире РНК, должны были прочно связываться с молекулами РНК, как, например, рибосомные белки. Такое связывание требует, чтобы белок нес положительный электрический заряд, т. е. имел свободные аминогруппы, которые в водной среде оказываются положительно заряжены. Рибосомные белки своим положительным зарядом компенсируют отрицательный заряд сахарофосфатного остова РНК, и только благодаря им рибосомная РНК длиной более 3000 звеньев может свернуться компактно (Hartman and Smith, 2014).

И аргинин, и лизин имеют длинные и сложные пути биосинтеза, состоящие из восьми-девяти стадий, и маловероятно, что их синтез мог проходить без участия полноценных белковых ферментов. Орнитин и диаминобутановая кислота образуются в три стадии из глутаминовой и аспарагиновой кислот, а диаминопропионовая и вовсе в один шаг из серина, т. е. они явно доступнее. Более того, для лизина у разных групп микробов существуют две разные аминоацил-тРНК-синтетазы, относящиеся к двум разным семействам. Такое разнообразие аминоацил-тРНК-синтетаз может означать, что они появились независимо, а значит, лизин вошел в генетический код уже после расхождения крупных групп микробов. Итак, у нас есть три факта:

1) положительно заряженные аминокислоты должны были быть в белках с самого начала;

2) современные аминокислоты этой группы – лизин и аргинин – имеют очень длинный и сложный биосинтез и могли возникнуть в эволюции позже других аминокислот. Для лизина это подтверждается и разнообразием аминоацил-тРНК-синтетаз;

3) существуют более простые и доступные аминокислоты с положительным зарядом, такие как орнитин, они есть в клетках, но не входят в состав белков.

Возникают подозрения, что простые положительно заряженные аминокислоты когда-то входили в состав белков, но были затем вытеснены лизином и аргинином.

Какие причины могли привести к замене простых положительно заряженных аминокислот на более сложные? В экспериментах с искусственными пептидами из аланина и разных положительно заряженных аминокислот было показано (Padmanabhan et al., 1996), что положительный заряд близко к остову пептидной цепи нарушает стабильность альфа-спирали, и лишь лизин и аргинин несут положительный заряд на безопасном расстоянии. Так что, видимо, причиной перехода на лизин и аргинин было усложнение белков и увеличение доли альфа-спиралей в них. Как видно по структуре рибосомных белков, альфа-спиральные укладки возникли в эволюции позже, чем бета-слои, которые устойчивы и с малыми положительно заряженными аминокислотами.

Где же эти аминокислоты могли быть в таблице генетического кода? В случае орнитина ответить на этот вопрос проще всего. Так как он является промежуточным продуктом на пути к аргинину, то, скорее всего, ему раньше принадлежали основные кодоны аргинина – CGN^[11]. Также вымершим аминокислотам могла принадлежать группа кодонов AGN. В современном генетическом коде кодоны AGA и AGG принадлежат аргинину, а AGC и AGU – серину. Обе эти аминокислоты имеют еще по четыре кодона в других местах (CGN аргинина и UCN серина) и, похоже, захватили и поделили кодоны вымершей аминокислоты. Кодоны AGN могли принадлежать, например, диаминопропионовой кислоте. Диаминопропионовая кислота образуется из серина и соответствует ему по размеру, а по электрическому заряду соответствует аргинину, поэтому ее кодоны были поделены между серином и аргинином.

В группе неполярных аминокислот в состав белков входят аминокислоты с разветвленной боковой цепью – валин, лейцин, изолейцин, но не используются их аналоги с прямой боковой цепью, такие как альфа-аминобутановая кислота, норвалин и норлейцин. В опыте Миллера и в метеоритной органике неразветвленные аминокислоты образуются в больших количествах, чем разветвленные. Все три аминокислоты с прямой боковой цепью известны в составе природных пептидов-антибиотиков, а аминобутановая кислота образуется и у животных при распаде белков пищи.

Проблемы со стабильностью альфа-спирали вызывает валин, а прямые неполярные аминокислоты, наоборот, вписываются в нее идеально. Так что здесь мы не видим никакой причины для замены прямых аминокислот на разветвленные в ходе эволюции. Видимо, жизнь с самого начала имела возможность выбора между прямыми и разветвленными неполярными аминокислотами, и вторые были выбраны по какой-то причине, которая больше не важна. Например, такая причина есть в теории стереохимического соответствия кодонов и аминокислот: РНК на глине содержит «карманы», соответствующие по форме валину, лейцину и изолейцину, тогда как для неполярных аминокислот с прямой боковой цепью ни один из триплетов не образует подходящих «карманов». Другое объяснение возможно исходя из теории цианосульфидного протометаболизма (глава 7): в этой сети реакций разветвленные аминокислоты (валин и лейцин) образуются в реакциях ацетона с синильной кислотой, а эффективных путей получения их прямых аналогов нет.

«Рабочий код» и происхождение генетического кода

Узнавание транспортных РНК аминоацил-тРНК-синтазами определяется в первую очередь не антикодоном, а нуклеотидами акцепторного стебля – рядом с местом присоединения аминокислоты (рис. 13.2). Часть аминоацил-тРНК-синтетаз, работающая с простыми аминокислотами (такими как аланин, глицин, глутаминовая кислота), вообще не проверяют антикодон тРНК, им достаточно акцепторного стебля. Соответствие между нуклеотидами акцепторного стебля и аминокислотами получило название «рабочего кода» (operational code). Рабочий код проще, чем стандартный генетический код: в него входят три первые нуклеотидные пары акцепторного стебля, причем в этих позициях бывают обычно только гуанин и цитозин, очень редко урацил. Таким образом, рабочий код не вырожден: с его помощью можно закодировать только восемь аминокислот, не используя урацил, и до шестнадцати, используя урацил только в одной позиции из трех.

Одна из самых строгих закономерностей генетического кода – распределение кодонов по типам узнавания транспортных РНК аминоацил-тРНК-синтетазой (табл. 13.3). Аминоацил-тРНК-синтетазы могут контактировать с акцепторным стеблем транспортной РНК с двух разных сторон. У двойных спиралей ДНК и РНК есть два желобка: большой, который образуется боковыми сторонами азотистых оснований, и малый, который образован 2' – гидроксильными (-ОН) группами рибозы обоих цепей. Узнавание может происходить со стороны большого желобка акцепторного стебля (I класс и фенилаланин-тРНК-синтетаза II класса) либо малого желобка (II класс и тирозин-тРНК-синтетаза I класса). Все транспортные РНК со второй буквой кодона U узнаются с малого желобка, с C – с большого. Для кодонов с G в середине способ узнавания определяется первой буквой, с А – последней.

«Рабочий код» не столь однозначен, как классический генетический код. Он сильнее отличается у разных организмов. Однако есть закономерность, связывающая его с классическим: для двух простейших аминокислот – глицина и аланина, а также часто для валина, пролина и аспарагиновой кислоты первые три нуклеотида акцепторного стебля совпадают с одним из кодонов той же аминокислоты (Moller, Janssen, 1992).

Возможное родство «рабочего кода» и классического кода помогает разорвать порочный круг, возникающий во многих моделях происхождения генетического кода. В самом деле, для появления генетического кода должно возникнуть соответствие между аминокислотами и антикодонами тРНК. Аминокислоты и антикодоны, во-первых, химически различаются, во-вторых, находятся на разных концах молекул транспортных РНК и разделены значительным расстоянием. Теория «ключ-замок» и теория коэволюции кода дают приемлемый ответ на вопрос, как возникло соответствие между аминокислотами и какими-то триплетами в каких-то РНК. Но они требуют прямого взаимодействия аминокислоты с фрагментом РНК – будущим кодоном или антикодоном. Как возникло соответствие между аминокислотой и антикодоновой петлей тРНК, которые разделены заметным расстоянием?

Если же у нас для присоединения аминокислот к транспортным РНК сначала использовался «рабочий код» (а для половины аминоацил-тРНК-синтетаз его достаточно и сейчас), то решение есть. Сначала на стереохимической или коэволюционной основе появился «рабочий код», при этом один и тот же участок рибозима-предка аминоацил-тРНК-синтетазы мог узнавать и аминокислоту, и акцепторный стебель. Потом должно возникнуть соответствие между разными акцепторными стеблями и антикодонами. В последовательностях транспортных РНК есть нестрогая, но заметная периодичность – повторы длинной 9–10 нуклеотидов. С учетом образования двуспиральных участков транспортную РНК можно собрать путем последовательных удвоений предковой шпильки из 19 нуклеотидов. Первое удвоение дает структуру из 38 нуклеотидов с двумя шпильками. Такие «половинки транспортной РНК» встречаются на концах геномов РНК-вирусов гораздо чаще, чем «клеверные листы», похожие на полную транспортную РНК. Те аминоацил-тРНК-синтетазы, которые не проверяют антикодон, прекрасно «пришивают» аминокислоты к таким молекулам. Второе удвоение порождает «клеверный лист», причем место стыковки двух сегментов находится на границе антикодона, а сам антикодон возникает как копия участка акцепторного стебля, образующего «рабочий код» (рис. 13.10) (Di Giulio, 2009). Мы видели, что для некоторых аминокислот (таких как глицин, аланин, пролин, аспарагиновая кислота, валин) «рабочий код» совпадает с обычным генетическим кодом. Следовательно, эти аминокислоты участвовали в сборке пептидов на проторибосоме еще до того, как произошла дупликация, породившая современные тРНК. Эта дупликация привела транспортные РНК к современному размеру и современной форме и создала антикодоновую петлю. Только после этой дупликации могли возникнуть взаимодействие антикодоновой петли с матричной РНК и кодируемый белковый синтез. Следовательно, эти пять аминокислот относятся к древнейшим.

⇐ Предыдущая41424344454647484950Следующая ⇒

Поделиться: