Алифатические аминокислоты в первичной среде

первичный набор аминокислот не был случайной выборкой из аминокислот, используемых современной биологией. Две независимые линии доказательств сходятся на одном и том же коротком списке: глицин, аланин, аспарагиновая кислота и валин преобладают как в моделируемой пребиотической химии, так и в аминокислотном составе углистых хондритов, таких как Мурчисон. Поскольку эти молекулы малы, структурно просты и могут образовываться без ферментов, они являются наиболее вероятными субстратами для первого аппарата трансляции.

Филогенетическое древо алифатических аминокислот

Филогенетическое древо алифатических аминокислот упорядочивает аминокислоты, значимые для ранней трансляции, по химии боковых цепей и пребиотической доступности, а не по порядку, в котором кодоны были назначены позднее. Глицин несёт лишь атом водорода; аланин и валин несут короткие неполярные алкильные цепи; аспарагиновая кислота несёт короткую кислотную цепь с карбоксильной группой. Все четыре находятся на простом конце структурного спектра, и ни одна из них не требует специального биосинтетического пути для появления в пребиотической смеси.

Две независимые линии доказательств

Пребиотический синтез по типу Миллера. Эксперименты с искровым разрядом в восстановительных газовых смесях дают глицин и аланин в наибольших количествах, за ними следуют аспарагиновая кислота и валин; такой порядок отражает, насколько легко каждая молекула собирается из простых предшественников.
Метеорит Мурчисон. Экстракты этого углистого хондрита содержат те же доминирующие аминокислоты, что указывает на то, что эти молекулы также образовывались абиотически за пределами Земли и что экзогенная доставка могла пополнять земной набор.

Именно совпадение и составляет суть аргумента: когда лабораторный синтез и образец метеорита — две совершенно разные физические среды — отбирают одни и те же четыре аминокислоты, эта закономерность гораздо вероятнее отражает абиотическую химию, чем случайность или загрязнение.

Почему содержание важно: старт, ограниченный субстратом

Первый аппарат трансляции, вероятно, был ограничен субстратом. Аминокислота, производимая или доставляемая в больших количествах, встречается гораздо чаще, поэтому у неё выше шанс быть задействованной ранними адаптерными и матричными цепями, чем у редкой молекулы, зависящей от длительного ферментативного пути. Таким образом, содержание служит показателем доступности, а доступность — предпосылкой для вовлечения.

Что ограничивают доказательства — и что они не определяют

Поступление из окружающей среды ограничивает пул кандидатов, но не определяет порядок назначения кодонов. Соответствие между порядком содержания глицин > аланин > аспарагиновая кислота > валин и первыми назначениями кодонов в GC-рамке наводит на мысль о связи, однако это отображение также отражает сродство РНК к аминокислотам, химию взаимодействия кодон–антикодон и последующее расширение или перераспределение кода. Содержание сужает круг тех, кто мог войти рано; само по себе оно не устанавливает порядок вхождения.

Воспринимайте содержание как вероятность, а не как доказательство

Высокий пребиотический выход или высокое содержание в метеорите повышает априорную вероятность того, что аминокислота была доступна на раннем этапе; само по себе это не доказывает, что она использовалась первой. Разделяйте эти два утверждения: доступность — это факт окружающей среды, а назначение кодона — результат работы кодирующей системы, сформированный дополнительными химическими и эволюционными ограничениями.

Пребиотическое поступление аминокислот

Парные столбцы сравнивают относительные выходы глицина, аланина, аспарагиновой кислоты и валина при пребиотическом синтезе по типу Миллера с их относительным содержанием в экстрактах метеорита Мурчисон, а врезка с филогенетическим древом группирует те же молекулы по химии боковых цепей. Обе линии доказательств выделяют одни и те же четыре малые, алифатические или простые аминокислоты, что делает их сильнейшими кандидатами для первого аппарата трансляции, ограниченного субстратом; эта закономерность ограничивает ранний пул кандидатов, не фиксируя последующий порядок назначения кодонов.

ВОПРОС 1

Какой набор аминокислот обнаруживается в качестве доминирующих продуктов как при пребиотическом синтезе по типу Миллера, так и в экстрактах метеорита Мурчисон?

Цистеин, серин, треонин и аспарагин

Аргинин, лизин, гистидин и триптофан

Фенилаланин, тирозин, триптофан и метионин

Глицин, аланин, аспарагиновая кислота и валин

ВОПРОС 2

Почему высокое пребиотическое содержание важно для самого раннего аппарата трансляции?

Потому что содержание напрямую определяет, какой кодон получит аминокислота

Потому что распространённые аминокислоты химически реагируют с любой последовательностью РНК

Потому что аппарат был ограничен субстратом, поэтому широкодоступная аминокислота чаще встречается и вовлекается

Потому что распространённые аминокислоты всегда несут самые крупные боковые цепи

ВОПРОС 3

Почему совпадение между выходами по типу Миллера и содержанием в Мурчисоне значимо для происхождения генетического кода?

Оно показывает, что доминирующие ранние аминокислоты могли образовываться абиотически на Земле и доставляться из космоса, поэтому биология не требуется для объяснения этого набора

Оно показывает, что метеориты доставляли функциональные молекулы транспортной РНК

Оно демонстрирует, что все двадцать современных аминокислот присутствовали в равных количествах

Оно доказывает, что жизнь на Земле зародилась на родительском теле Мурчисона

ВОПРОС 4

Какое утверждение лучше всего отражает логическую связь между содержанием первичных аминокислот и порядком назначения кодонов?

Ранние кодоны были назначены только тем аминокислотам, которые отсутствуют в экстрактах Мурчисона

Содержание ограничивает пул кандидатов, но само по себе не определяет порядок кодонов

Порядок кодонов был назначен произвольно, поэтому содержание полностью несущественно

Содержание точно фиксирует порядок кодонов, поскольку ранжирование по содержанию и ранжирование кодонов — это одно и то же

ВОПРОС 5

Аминокислота редка как в смесях по типу Миллера, так и в экстрактах Мурчисона, однако она играет центральную роль в современном метаболизме и требует длительного ферментативного пути. Какой вывод наиболее обоснован?

Её присутствие в современных клетках — чисто лабораторный артефакт

Она должна была быть первой аминокислотой, включённой в код

Вероятно, она была вовлечена позже, после того как эволюционировали биосинтетические пути

Она была в изобилии на ранней Земле, но уничтожена метеоритными ударами

Кейс-стади: выбор субстратов-кандидатов для ранней системы трансляции

Прочитайте приведённый ниже сценарий и ответьте на два вопроса.

Исследовательская группа реконструирует вероятный самый ранний аппарат трансляции и должна выбрать набор субстратов. Набор A содержит глицин, аланин, аспарагиновую кислоту и валин. Набор B содержит триптофан, фенилаланин, гистидин и аргинин. Коллега выступает за набор B, поскольку эти аминокислоты имеют более крупные боковые цепи и, следовательно, «делают больше химии». Новые данные группы по искровому разряду и экстракт метеорита типа Мурчисона показывают, что в каждом образце преобладает набор A, тогда как компоненты набора B присутствуют лишь в следовых количествах. Группа должна обосновать свой выбор и чётко указать, что доказательства могут и чего не могут утверждать о последующем порядке назначения кодонов.

1. Какой набор субстратов должна выбрать группа и какие две независимые линии доказательств поддерживают этот выбор?

Ответ:
Группа должна выбрать набор A: глицин, аланин, аспарагиновую кислоту и валин. Это подтверждают две независимые линии доказательств. Во-первых, пребиотический синтез по типу Миллера (искровой разряд в восстановительных газовых смесях) даёт в качестве доминирующих продуктов именно эти четыре аминокислоты, причём глицин и аланин — в наибольшем количестве, а аспарагиновая кислота и валин следуют за ними. Во-вторых, в экстрактах метеорита Мурчисон преобладают те же четыре аминокислоты. Совпадение эндогенного абиотического пути синтеза и экзогенного пути доставки показывает, что этот набор не требует биологии, и делает эти малые, структурно простые молекулы наиболее вероятными субстратами для аппарата трансляции, ограниченного субстратом. Аргумент коллеги о более крупных боковых цепях не имеет значения, поскольку размер боковой цепи ничего не говорит о пребиотической доступности.

2. Коллега также утверждает, что преобладание набора A доказывает точный порядок назначения кодонов. Оцените это утверждение и укажите, какие дополнительные соображения потребовались бы.

Ответ:
Это утверждение преувеличивает доказательства. Первичное содержание ограничивает пул кандидатов: оно устанавливает априорную оценку того, какие аминокислоты были доступны для вовлечения, а аминокислота, редкая как в лабораторном синтезе, так и в экстрактах метеорита, — плохой кандидат на раннее использование. Но содержание не определяет порядок кодонов. Отображение также зависит от сродства РНК к аминокислотам, химии взаимодействия кодон–антикодон и wobble-взаимодействий, а также от последующего расширения и перераспределения кода. Порядок содержания глицин > аланин > аспарагиновая кислота > валин согласуется с первыми назначениями кодонов в GC-рамке, но согласованность — не доказательство. Чтобы аргументировать конкретный порядок назначения, группе потребовались бы независимые данные из сравнительного использования кодонов, выравниваний последовательностей транспортной РНК и прямых экспериментов по химическому сродству, а не одни лишь данные о содержании.