Факторы отбора протобиомономеров при возникновении генетического кода
DOI:
https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.4.5Ключевые слова:
абиогенез, генетический код, протобиомономеры, свойства аминокислот и нуклеотидных основанийАннотация
Серьезным препятствием при естественном отборе первородных протобиомономеров для создания прототипа генетического кода при абиогенезе и в протоклеточную фазу являлось разнообразие структурных, пространственных и поворотных изомеров. Они одинаковы по элементному составу и молекулярной массе (М), но вследствие различного расположения атомов в молекуле могут существенно отличаться по своим физико-химическим свойствам, таким как температура плавления Тпл, Тпл : М и растворимость в воде. Эти параметры различают цис-транс-изомеры дикарбоновых кислот, пространственные изомеры моносахаридов и структурные изомеры α, β, γ-аминокислот. Стабильные плоские гетероциклические молекулы главных нуклеотидных оснований состоят из трех (С, H, N) или четырех (C, H, N, O) атомов, содержат по одной -С=С связи и по два атома азота в каждом гетероцикле в C-N и C=N связях. Они существуют как изомеры резонирующих гибридов одинарных и двойных связей и как смесь таутомерных форм из-за наличия -C=O и/или -NH2 боковых групп. Они термостойки, в воде нерастворимы, проявляют признаки стабильности твердого тела, что очень важно для молекул ДНК - носителей наследственной информации. На диаграммах М-Тпл, протеиногенные аминокислоты и соответствующие им кодоны располагаются довольно упорядоченно относительно обособленных кластеров пуриновых и пиримидиновых оснований. Совокупность сведений об эволюции системы генетического кодирования позволяет заключить, что элементный состав и структура специфичных протобиомономеров, их М, Тпл, фото- и термостабильность, индивидуальная растворимость в воде и гидрофильно-гидрофобные взаимодействия определяли их отбор при зарождении прообраза стандартного генетического кода.
Библиографические ссылки
- Аппель Б., Бенеке Б.-И., Бененсон Я. [и др.] Нуклеиновые кислоты: От А до Я – М.: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2015. – 413 с. Саралов А.И. Адаптивность экстремофилов Archaea и Bacteria // Микробиология. – 2019. – Т. 88. – № 4. – С. 377–400. Саралов А.И. Расчет энтальпий сгорания аминокислот и азотистых оснований по их элементному составу и структуре // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2020. – № 3. – С. 113–121. Adande G.R., Woolf N.J., Ziurys L.M. Observations of interstellar formamide: availability of a prebiotic precursor in the galactic habitable zone // Astrobiology. – 2013. – Vol. 13. – № 5. – P. 439–453. Aldersley M.F., Joshu P.C., Price J.D., Ferris J.P. The role of montmorillonite in its catalysis of RNA synthesis // Applied Clay Science. – 2011. – Vol. 54. – № 1. – P. 1–14. Alvarez-Carreño C., Bacerra A., Lazcano A. Norvaline and norleucine may have been more abundant protein components during early stages of cell evolution // Orig. Life. Evol. Biosph. – 2013. – Vol. 43. – № 4–5. – P. 363–375. Ardell D.H. On error minimization in sequential origin of the standard genetic code // J. Mol. Evol. – 1998. – Vol. 47. – № 1. – P. 1–13. Bethe H.A. Energy production in Stars // Science. – 1968. – Vol. 161. – № 3841. – P. 541–547. Boyd R.N., Kajino T., Onaka T. Supernovae, neutrinos and the chirality of amino acids // Int. J. Mol.
Sci. – 2011. – Vol. 12. – № 6. – P. 3432–3444. Burton A.S., Stern J.C., Elsila J.E., Glavin D.P., Dworkin J.P. Understanding prebiotic chemistry through the analysis of extraterrestrial amino acids and nucleobases in meteorites // Chem. Soc. Rev. –
– Vol. 41. – № 16. – P. 5459–5472.Cordier D., Garcia-Sánchez F., Justo-Garcia D.N., Liger-Belair G. Bubble streams in Titan's seas as a product of liquid N2 + CH4 + C2H6 cryogenic mixture // Nature Astronomy. – 2017. – 1, 0102. – P. 1–4.Crick F.H.C. The origin of the genetic code // J. Mol. Biol. – 1968. – Vol. 38. – № 3. – P. 367–379. Dawson R.M.C., Elliot D.C., Elliot W.H., Jones K.M. Data for biochemical research – Oxford: Clarendon press, 1986. – 580 с.Di Giulio M. Some pungent arguments against the physico-chemical theories of the origin of the genetic code and corroborating the coevolution theory // J. Theor. Biol. – 2017. – Vol. 414. – P. 1–4.Doig A.J. Frozen, but no accident–why the 20 standard amino acids were selected // FEBS J. – 2017. – Vol. 284. – № 9. – P. 1296–1305.Eigen M., Schuster P. The Hypercycle: A principle of natural self-organization – Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1979.Famiano M.A., Boyd R.N., Kajino T., Onaka T., Mo Y. Amino acid chiral selection via weak interactions in stellar environments: Implications for the origin of life // Sci. Rep. – 2018. – 8, 8033.Francis B.R. Evolution of the genetic code by incorporation of amino acids that improved or changed
protein function // J. Mol. Evol. – 2013. – Vol. 77. – № 4. – P. 134–158.Gaston M.A., Zhang L., Green-Church K.B., Krzycki J.A. The complete biosynthesis of the genetically encoded amino acid pyrrolysine from lysine // Nature. – 2011. – Vol. 471. – № 7340. – P. 647–650. Higgs P.G., Pudritz R.E. A thermodynamic basis for prebiotic amino acid synthesis and the nature of
the first genetic code // Astrobiology. – 2009. – Vol. 9. – № 5. – P. 483–490.Hohn M.J., Palioura S., Su D., Yuan J., Söll D. Genetic analysis of selenocysteine biosynthesis in the archaeon Methanococcus maripaludis // Mol. Microbiol. – 2011. – Vol. 81. – № 1. – P. 249–258.Huber C., Eisenreich W., Hecht S., Wächtershäuser G. A possible primordial peptide cycle // Science. –
– Vol. 301. – № 5635. – P. 938–940.Kelley D.S., Karson J.A., Blackman D.K., Früh-Green G.L., Butterfield D.A., Lilley M.D., Rivizzigno P. An off-axis hydrothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30°N // Nature. – 2001. – Vol. 412. – № 6843. – P. 145–149. Kitadai N. Energetics of amino acid synthesis in alkaline hydrothermal environments // Orig. Life
Evol. Biosph. – 2015. – Vol. 45. – № 4. – P. 377–409.Knight R.D., Landweber L.E. The early evolution of the genetic code // Cell. – 2000. – Vol. 101. – № 6. – P. 569–572.Koonin E.V., Novozhilov A.S. Origin and evolution of the universal genetic code // Annu. Rev. Genet. – 2017. – Vol. 51. – № 1. – P. 45–62. Krishnamurthy R. Role of pKa of nucleobases in the origins of chemical evolution // Acc. Chem. Res. – 2012. – Vol. 45. – № 12. – P. 2035–2044.LaRowe D.E., Regnier P. Thermodynamic potential for the abiotic synthesis of adenine, cytosine, guanine, thymine, uracil, ribose, and deoxyribose in hydrothermal systems // Orig. Life Evol. Biosph. – 2008. – Vol. 38. – № 5. – P. 383–397.Martin A., McMinn A. Sea ice, extremophiles and life on extra-terrestrial ocean worlds // Int. J. Astrobiol. – 2018. – Vol. 17. – № 1. – P. 1–16.Massey S.E. The neutral emergence of error minimized genetic codes superior to the standard genetic code // J. Theor. Biol. – 2016. – Vol. 408. – P. 237–242.Materese C.K., Nuevo M., Bera P.P., Lee T.J., Sandford S.A. Thymine and other prebiotic molecules produced from the ultraviolet photo-irradiation of pyrimidine in simple astrophysical ice analogs // Astrobiology. – 2013. – Vol. 13. – № 10. – P. 948–962.Materese C.K., Nuevo M., Sandford S.A. The formation of nucleobases from the ultraviolet photoirradiation of purine in simple astrophysical ice analogues // Astrobiology. – 2017. – Vol. 17. – № 8. – P. 761–770.McKay C.P. Titan as the Abode of Life // Life. – 2016. – Vol. 6. – № 8. – P. 1–15.Miller S.L. Production of some organic compounds under possible primitive earth conditions // J. Am. Chem. Soc. – 1953. – Vol. 77. – № 9. – P. 2351–2361.Miller S.L., Bada J.L. Submarine hot springs and the origin of life // Nature. – 1988. – Vol. 334. – № 6183. – P. 609–611.Miller S.L., Orgel L.E. The Origins of Life on the Earth – Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1974. – 229 p.Patel B.H., Percivalle C., Ritson D.J., Duffy C.D., Sutherland J.D. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism // Nat. Chem. – 2015. – Vol. 7. – № 4. – P. 301–307.Pauling L., Pauling P. Chemistry – San Francisco: Freeman W.H. and Company, 1975. – 792 p.Pearce B.K.D., Pudritz R.E. Seeding the pregenetic Earth: Meteoritic abundances of nucleobases and
potential reaction pathways // Astrophys. J. – 2015. – Vol. 807. – № 85. – P. 1-10.Pelc S.R., Welton M.G.E. Stereochemical relation between coding triplets and amino acids // Nature. – 1966. – Vol. 209. – № 5026. – P. 868–870.Pino S., Sponer J.E., Costanzo G., Saladino R., Di Mauro E. From formamide to RNA the path is tenuous but continuous // Life. – 2015. – Vol. 5. – № 1. – P. 372–384.Rodin A.S., Szathmary E., Rodin S.N. On origin of genetic code and tRNA before translation // Biol. Direct. – 2011. – Vol. 6. – № 14. – P. 1–24. Ruiz-Mirazo K., Briones C., de la Escosura A. Prebiotic systems chemistry: new perspectives for the origins of life // Chem. Rev. – 2014. – Vol. 114. – № 1. – P. 285–366.Russell M.J., Hall A.J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front // J. Geol. Soc. London. – 1997. – Vol. 154. – № 3. – P. 377–402.Russell M.J., Hall H.J., Martin W. Serpentinization as a source of energy at the origin of life // Geobiology. – 2010. – Vol. 8. – № 5. – P. 355–371.Saladino R., Crestini C., Pino S., Costanzo G., Di Mauro E. Formamide and the origin of life // Phys. Life Rev. – 2012. – Vol. 9. – № 1. – P. 84–104.Schulze-Makuch D., Airo A., Schirmack J. The adaptability of life on Earth and the diversity of planetary habitats // Front. Microbiol. – 2017. – Vol. 8. – № 2011. – P. 1–10. Sleep N.H., Meibom A., Fridriksson T., Coleman R.G., Bird D.K. H2-rich fluids from serpentinization: geochemical and biotic implications // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2004. – Vol. 101. – № 35. – P. 12818–12823. Stevenson J., Lunne J., Clancy P. Membrane alternatives in worlds without oxygen: Creation of an azotosome // Astrobiology. – 2015. – 1:e1400067. – P. 1–8.Szathmary E. Coding coenzyme handles: a hypothesis for the origin of the genetic code // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1993. – Vol. 90. – № 21. – P. 9916–9920.Taylor F.J.R., Coates D. The code within the codons // Biosystems. – 1989. – Vol. 22. – № 3. – P. 177–187.Trifonov E.N. The triplet code from first principles // J. Biomol. Struct. Dyn. – 2004. – Vol. 22. – № 1. – P. 1–11.Tupper A.S., Pudritz R.E., Higgs P.G. Can the RNA World still function without cytidine? // Mol. Biol. Evol. – 2020. – Vol. 37. – № 1. – P. 71–83.Wächtershäuser G. Before enzymes and templates: theory of surface metabolism // Microbiol. Rec. – 1988. – Vol. 52. – № 4. – P. 452–484.Woese C.R. The Genetic Code: the molecular basis for genetic expression – New York: Harper and Row, 1967.Wong J.T.-F. A co-evolution theory of the genetic code // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1975. – Vol. 72. – № 5. – P. 1909–1912. Yarus M. The genetic code and RNA-amino acid affinities // Life. – 2017. – Vol. 7. – № 13. – P. 1–16.