Возможные варианты генетических структур и жизни на других планетах

Изменено: 09.07.2018 Posted on

Данченко Александр Дмитриевич, Седнев Ю.В.

Гамов известен как автор концепций «горячего начала Вселенной» — «Большого взрыва», реликтового излучения, происхождения химических элементов в первичном и звездном нуклеосинтезе и «генкода» нуклеиновых кислот и белков, общих для всех организмов Земли, вероятно, и внеземной жизни [1]. Он первым предложил концепцию био кодирования как установления соответствия 20 аминокислот и 4 нуклеотидов ДНК, триплетный код для  перевода из четырёхзначной системы в двадцатизначную. Это перевело проблему из области биологии и химии в математическую; при 4 основаниях четырехзначного кода два нуклеотида могут кодировать только 4х4 варианта и, возможно, такой дублетный код был исходным для современного [2]. Из связи с образованными основаниями ромбовидными «дырами» НК с АК белков с боковыми цепями [7] — т.н. ромбический или бубновый код, далее треугольный, мажорно-минорный и последовательный коды[8]. Порядок аминокислот может быть любым, поэтому лучшими оказались неперекрывающиеся, комбинационный код Гамова и Ичаса и «код без запятых» Крика, Гриффита и Оргела. Согласно комбинационному коду, аминокислоты кодируются триплетами нуклеотидов независимо от их порядка в триплете, по составу (например, триплеты ТТА, ТАТ и АТТ кодируют одну и ту же аминокислоту)[9]. Гамов и Крик с соавторами показали, что можно подобрать соответствующие триплеты и что их ровно 20, как 4(Н3+3Н2Н*+НН*Н**). Тогда Уотсон и Крик составили список кодируемых аминокислот и оказалось, что их действительно 20, но современная наука не знает почему их столько и причин выбора триплетов.

Но сейчас с развитием астробиологии и открытием экзопланет возникли вопросы об отличии жизни на других планетах и вариантах выбора ее элементов, генкода и т.п. Те же проблемы фактически встают при вопросе происхождения жизни и генкода на Земле.

Встают вопросы выбора составляющих нуклеотидов и НК. Три составные их части — азотные основания и связывающие их сахара и фосфаты цепи, могут быть иными при других условиях формирования. Привычное название ДНК и РНК связано с названием сахара — рибозы и при замене связующего компонента изменится и название (к примеру, ТНК — триозы и тетрозы или ПНК — с пептидным остовом). В информационную часть — нуклеотиды, были добавлены новые, которые потенциально могут кардинально изменить структуру генетического кода. Самые значительные изменения могут быть связаны с самими элементами. Сейчас кроме HCNO в нуклеиновые кислоты входит фосфор (P), а в белки сера (S). Аналогом фосфора в периодической системе Менделеева являются азот и мышьяк, с заменой фосфора на мышьяк связывают его ядовитость, но некоторые микроорганизмы могут использовать и мышьяк. Азот и сера в отличии от фосфора могут менять степень окисления (от — 3 до + 5 и от — 2 до +6). Это даёт дополнительные возможности сере по сравнению с кислородом, имеющим степень окисления от -2 до 0. Именно с регуляцией степени окисления кислорода, в том числе в АФК, связана роль и ОВ-реакции серы в составе цистеина, глутатиона и др. серосодержащих соединениях. Поэтому можно предположить, что сера была первичным элементом «первой пятёрки» элементов и только потом её роль в высшей степени окисления заменил фосфор в составе фосфатов, АТФ и РНК мира. Первичные функции серы могут сохраняться в существующих организмах в роли КоА-S, в интеграции ныне разделённых и дифференцированных функций НК и белков. РНК мир открыли Чех и Альтман учившиеся в Колорадо у Гамова. Генетический код, как связь НК и белков, может иметь смысл связи и замены названных функций других элементов, серы и фосфора на углеродные (карбоксигруппы аминокислот, вместо сульфатных и фосфатных), по Вант-Гоффу. По Полингу, выбор фосфора в природе связан с его промежуточным положением между не дающими энергии гидратациями оксикислот 4 группы и слишком энергичными 6-й группы. Однако до ферментного управления ими важнее могут быть более высокоэнергетические связи элементов 6 группы Менделеева, включая как серу, так и селен, молибден и др. Селен, молибден и йод как элементы №34, 42 и 53 являются самыми тяжелыми из «двадцатки» биоэлементов, согласно концепциям звездного нуклеосинтеза редкие, малораспространены, и поэтому их концентрация и включение в состав организмов требует больших затрат и представляет загадку для современной науки. Поэтому предполагали в 1973 году Френсис Крик, открывший двойную спираль ДНК, и его коллега Лесли Оргел попытались объяснить универсальность генетического кода и молибден, которого не было на Земле 4 млрд. лет назад, теорией «управляемой панспермии», что  жизнь на Землю не случайна, а была доставлена беспилотными космическими кораблями какой-то развитой инопланетной цивилизации.  «Химический состав живых организмов отражает состав среды, в которой они развивались. Поэтому присутствие в земных организмах элементов, на нашей планете крайне редких, может означать, что жизнь имеет, внеземное происхождение. Важнейшую роль во многих ферментативных процессах имеет молибден, в то время как хром и никель принимают сравнительно небольшое участие в биохимических реакциях. Содержание хрома, никеля и молибдена на Земле составляет соответственно 0,20; 3,16 и 0,02 процента… Однако если бы удалось показать, что элементарный состав земных организмов хорошо соответствует составу того или иного типа звезд — например, молибденовых звезд,— то мы могли бы с большим доверием отнестись к теориям внеземного происхождения жизни». Стив Беннер, «отец-основатель» синтетической биологии (в 1989 году команда биологов под руководством Беннера синтезировала ДНК, содержащую помимо четырех известных две искусственные нуклеотидные пары) поддержал «молибденовую теорию» возникновения жизни, предположив, что источником редкого металла мог быть и Марс.   На Земле же его очень мало, кларк в земной коре всего лишь 0,00011. Он стоит периодом ниже хрома с кларком 0,0083 (как и у цинка, после никеля с 0,0058), под серой и селеном в 6 группе Менделеева, но среди биологически неактивных элементов.

Можно представить, что данные элементы связаны прежде всего в рамках химии и периодической системы (ПС) Менделеева. Так, что основной обмен веществ и энергетику определяют составляющие воды, водород и кислород в разных степенях окисления, от +1 протона до -2 кислорода и его аналогов, серы и селена. В отличии от кислорода они могут окисляться до высшей степени окисления +6, в чем общи с переходными металлами У1В побочной группы, от хрома до молибдена и вольфрама. Отличие молибдена может быть в большей устойчивости этой высшей степени окисления +6, тогда как хроматы и бихроматы – известные сильные окислители. При переходе от основной для них степени окисления +3 до +6 они могут передавать электроны при фиксации азота, переходе N02 в соединения N-3. Роль более тяжелых элементов-аналогов, селена и молибдена, как и вольфрама, может заключаться в модификации более распространенных первых. Их редкость определяет роль больше в составе катализаторов, а не в субстратах, более распространенных. Так, различные степени кислорода (от 0 до -2 через -1 пероксидов) связаны и регулируются аналогичными серосодержащими субстратами типа цистеина-цистина, составляющими трипептида глутатиона и белков, особенно внешних, играя в них и структурную (дисульфидные связи) и ОВ-роль. А сами глутатион содержащие ферменты содержать селен, определяя его главную биологическую роль. Как акцептор электронов и энергии мог бы использоваться и более распространенный галоген, хлор, поэтому причины выбора как серы и ее аналогов, так и наиболее тяжелого галогена йода требуют объяснения и недостаточно раскрыты.

Наиболее тяжелый из биоэлементов йод также может играть подобную роль с большей устойчивостью высших степеней окисления (до +7 периодатов) и элементарного йода, галогенирующего фенольное кольцо тирозина в белках и тироидных гормонах, нашей тиреопероксидазе и т.п. Часто наиболее тяжелые биоэлементы связаны, как йод с селеном, при усвоении и многих биопроцессах.

Схожесть химии и нахождение в общей 6 группе Менделеева может определять и биологические связи этих элементов и их функций в организмах. Эукариотические организмы возникли на Земле после накопления кислорода фотосинтезом цианобактерий 2 млрд.лет назад и связаны с окислительной атмосферой, через ЭПР, в т.ч. окисление «цистеома» и свертывание белков, образуемых на рибосомах шероховатого ЭПР. По Уотсону, недостаточное окисление и неправильно свернутые белки вызывают воспаление и основные определяющие смертность болезни, в т.ч. рак, сердечно-сосудистые, деменции и диабет (CCDD).

Антиоксидантные системы организма нейтрализуют АФК и др.элементов, используя серо-, железо- и гем-содержащие глутатион, коферменты и ферменты, в т.ч. железосерные и селенсодержащие, как глутатионперксидаза, обратные глутатион- редуктазы и трансферазы [3]. Глутатион как серный и цистеин-содержащий трипептид играет особую роль, в т.ч. в переносе всех аминокислот, включая их в дипептидные формы с Цис, Гли и Глу, возможные «пропептиды» начала жизни, не только на Земле..

Глутатион-S-трансферазы (GST) находятся в центре внимания при характеристике лекарственно-устойчивых клеток опухоли. Эта группа мультифункциональных димерных белков, действующих и как связывающие белки и как ферменты в ходе осуществления многих процессов биотрансформации. GST участвуют в развитии лекарственной устойчивости с помощью прямого детоксифицирующего действия и как ингибитор киназного пути MAP (митоген активированные белки)  [4]. В 1930-40-х рентгенолог Locher в США и А. Т. Качугин предложили использовать противоопухолевые медикаменты, действующие по нейтронзахватному принципу. В 1950-60-е НЗТ реализовали и в Обнинском радиологическом центре и в Институте биофизики и гораздо больше развили в США и Японии.

Обобщение этих механизмов вплоть до уровня элементов дает возможности решения главных проблем как астробиологии, так и биологии и медицины, факторов жизни, заболеваний и смертности.

 

Г. Гамов, М. Ичас. Мистер Томкинс внутри самого себя: приключения в новой биологии. — Ижевск: РХД, Удмуртский университет, 1999. (Mr. Tompkins Inside Himself. Viking Press, 1967).

Биология и химия, №5, 2016 (с.20-26, Гидранович В.И. Гидранович В.И. Антиоксидантные системы в организме человека и животных, с.3-19, Седнев, Н. А. Ильина Азотсодержащие органические соединения — от школьной химии к химии живого Ю. В., Біялогія і хiмiя. № 6, 2016 15-24).    Ю.В.Седнев, Б.И.Якушев Новые и старые отечественные средства и концепции лечения рака// Российский Биотерапевтический журнал, №2, 2013.