Чтение онлайн

Каждая аминокислота кодируется набором из трех нуклеотидных оснований РНК, называемым кодоном. Поскольку существует четыре основания (А, Ц, Г, У), существует 4x4x4=64 кодонов. Теоретически, таким образом, кодоны могли бы кодировать 64 аминокислоты, и все же только 20 различных аминокислот используются в синтезе белка. Генетический код, таким образом, вырожден: 3 кодона представляют собой команду «конец цепи», а остальные 61 кодон кодируют 20 аминокислот. Другими словами, почти все аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Например, аминокислота цистеин кодируется кодонами УГУ и УГЦ; изолейцин кодируется кодонами АУУ, АУЦ и АУА; и так далее. Генетический код по сути универсален: за редкими исключениями и без учета недавних достижений синтетической биологии, упомянутых ранее, все организмы на Земле используют его. (Означает ли универсальность генетического кода, что это единственный возможный код? Возможно, изначально существовало несколько разных кодов, и этот просто победил остальные? Если нынешняя уникальность кода означает, что он возник только один раз в истории жизни, то, возможно, разработка эффективного кода представляет собой барьер для преодоления эволюцией — один из «трудных шагов» Картера? Мы бы узнали что-то о возможности внеземной жизни, если бы смогли найти примеры развития различных генетических кодов здесь, на Земле.)

Способ, которым клетка синтезирует белок, одновременно и удивительно прост, и изумительно сложен. Сильно упрощенная версия процесса протекает следующим образом.

Рис. 5.22 Молекула ДНК хранит генетическую информацию и реплицирует эту информацию при делении клетки. Экспрессия этой генетической информации не происходит напрямую. Вместо этого ДНК сначала транскрибируется в РНК. Информация, хранящаяся в «четырехбуквенном» алфавите нуклеотидов (алфавит, используемый РНК), затем транслируется в «двадцатибуквенный» алфавит аминокислот (которые используются для построения белков). Центральная догма биологии, впервые сформулированная Фрэнсисом Криком, заключается в том, что поток информации следует направлению стрелок на этой диаграмме. В частности, РНК может синтезировать белки посредством трансляции, но обратная трансляция никогда не происходит.

Информация о том, как строить белки организма и, следовательно, сам организм, содержится в его ДНК. Итак, во-первых, когда клетка получает сигнал с просьбой произвести определенный белок (и предположим, что белок представляет собой один полипептид), двойная спираль ДНК расплетается в области кодирующей цепи. Она похожа на матричную цепь, упомянутую выше, и содержит информацию для этого конкретного белка. Область ДНК, кодирующая полипептид (или, точнее, кодирующая некоторую форму РНК), известна как ген.

Копия гена в виде мРНК изготавливается в процессе транскрипции — так называемом потому, что каждый триплет в цепи ДНК транскрибируется в соответствующий кодон в мРНК. Затем мРНК перемещается из ядерного материала в цитоплазму клетки, неся с собой информацию о последовательностях аминокислот. В цитоплазме органеллы, называемые рибосомами, берут мРНК и используют информацию, содержащуюся в последовательности кодонов, для синтеза белка, добавляя аминокислоты к растущей цепи. Этот процесс называется трансляцией, поскольку рибосома использует генетический код для перевода последовательности кодонов в последовательность аминокислот. Ключевым ингредиентом здесь является тРНК — маленькие молекулы, каждая из которых может связываться только с определенной аминокислотой. Для катализа процесса связывания требуется ряд ферментов; каждый фермент распознает одну конкретную молекулу тРНК и соответствующую аминокислоту.

Синтез белка всегда начинается с метионина (с кодоном АУГ) и продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), после чего белок высвобождается и синтез завершается. Это дает общее представление о синтезе белка, по крайней мере, для прокариотических клеток. В эукариотических клетках процесс дополнительно усложняется наличием последовательностей ДНК, которые ничего не кодируют. В эукариотических клетках требуется дополнительный шаг для удаления этой, казалось бы, бесполезной информации. Здесь слишком мало места, чтобы углубляться в детали синтеза белка, но существует множество отличных источников[349] для дальнейшего чтения, и, к счастью, нам не нужны дополнительные детали для продолжения обсуждения.

Подведем итог: ДНК хранит генетическую информацию и реплицирует информацию при делении клетки. Грязная работа по фактической экспрессии информации возложена на более универсальную РНК; используя универсальный генетический код, информация транскрибируется с ДНК на РНК, а затем транслируется в синтез белка.

Как возникли ингредиенты жизни?

Предположим на мгновение, что многочисленные сложные шаги, ведущие от первых белков и ранних нуклеиновых кислот до LUCA, если не неизбежны, то, по крайней мере, могут быть поняты с использованием хорошо известных физических и химических процессов. У нас все еще остается вопрос: как возникли первые белки и нуклеиновые кислоты? Если переход от неорганической химии к ДНК и белкам является редким явлением, то у нас есть разрешение парадокса Ферми, поскольку без этих больших молекул эволюция не может начать переход к LUCA, а затем к разнообразию жизни, которое мы видим вокруг нас. Без белков и нуклеиновых кислот жизнь, по крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем, не может существовать.

Основные строительные блоки жизненно важных макромолекул, по-видимому, легко синтезируются. Мы находим аминокислоты, например, как в межзвездном пространстве[350], так и в лабораторных экспериментах, имитирующих химию ранней Земли.[351] В 1953 году Стэнли Миллер провел классический эксперимент, в котором он пропустил электрический разряд через сосуд, содержащий смесь воды, метана и аммиака. Эксперимент был предназначен для исследования влияния электрических токов, проходящих через атмосферу ранней Земли. В конце своего эксперимента Миллер обнаружил в сосуде множество органических соединений. Другие ученые не согласились с выбором Миллером модели атмосферы, но результаты были неоспоримо впечатляющими. Кажется вероятным, что аминокислоты могли образоваться на Земле вскоре после остывания нашей планеты; аминокислоты — это почти неизбежность органической химии и чудесных ассоциативных свойств углерода. Аналогично, сахара, пурины и пиримидины — компоненты, из которых развиваются нуклеиновые кислоты — могут образовываться в экспериментах типа Миллера (хотя следует признать, что выходы часто низки).

Хотя детали еще предстоит определить, у нас нет веских причин предполагать, что основные химические строительные блоки, необходимые для жизни, каким-либо образом исключительно редки. Однако мы можем быть менее уверены в вероятности того, что естественные процессы успешно свяжут эти компоненты в молекулы жизни — нуклеиновые кислоты и белки. Действительно, именно в этот момент многие креационисты (и несколько ученых) утверждают, что жизнь на Земле уникальна: они утверждают, что вероятность случайного создания нуклеиновой кислоты или белка ничтожно мала.

Рассмотрим, например, сывороточный альбумин (белок среднего размера, вырабатываемый в печени и секретируемый в кровоток, где он выполняет несколько необходимых задач). Сывороточный альбумин содержит цепь из 584 аминокислот, свернутых в сферу. В нашем организме синтез молекулы находится под управлением нуклеиновых кислот. Но представьте себе время до существования ДНК, так что молекула сывороточного альбумина должна была синтезироваться путем добавления одной аминокислоты случайным образом к концу растущей цепи. Шансы ничтожно малы — всего 1 из 20584 — что случайные процессы произведут этот белок. Аналогично, «ДНК зарождения» — примитивная цепь нуклеотидов, которую некоторые ученые предложили как необходимую для зарождения жизни, — имеет низкую вероятность быть созданной случайно.[352]

Создание белка случайными процессами Поскольку на выбор есть 20 аминокислот, на каждом шаге вероятность того, что для добавления к концу растущей цепи будет выбрана правильная аминокислота, составляет 1 к 20. Следовательно, для сывороточного альбумина, который имеет 584 аминокислоты, вероятность того, что каждая аминокислота будет выбрана в правильном порядке, составляет 1 к 20 584 — что то же самое, что 1 к 10760. Это невероятно малая вероятность. По сути, нет никаких шансов, что этот белок может быть синтезирован случайным процессом, описанным выше. Даже небольшой белок, такой как цитохром с, который состоит чуть более чем из 100 аминокислот, имеет лишь 1 шанс из 10130 быть синтезированным случайным образом. Опять же, для практических целей это число неотличимо от нуля.

Начало жизни, похоже, страдает от парадокса «курицы и яйца»: ДНК содержит инструкции, необходимые для сборки аминокислот в белки, но каждая молекула ДНК требует помощи ферментов (другими словами, белков) для своего существования. ДНК создает белки, создает ДНК, создает белки… что было первым?

Хотя на первый взгляд эти критические замечания могут показаться фатальными для утверждения, что жизнь возникла случайно, биохимики добились больших успехов в их опровержении. Детали далеки от завершения, но нет оснований полагать, что проблемы непреодолимы. Начнем с комбинаторных аргументов против изначального синтеза белков: действительно, практически нет шансов, что цитохром с, например, каким-то образом случайно собрался. Но если мы допустим период пребиотической молекулярной эволюции, то белки могли быть синтезированы благодаря действию случая.