Дизайн расшифровывания и редактирования: ферменты “двойного сита”

Джонатан Сарфати

Все живые организмы наполнены буквально энциклопедическим количеством сложной и особенной информации. Чтобы хранить эту информацию, живые организмы обладают наиболее компактной системой в мире для хранения, поиска и восстановления информации, а именно – белковой/нуклеинокислотной системой. Основной план или рецепт закодирован в огромных молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).1 Кодон, последовательность трёх из четырёх типов “символов” ДНК (нуклеотидов), кодирует один из двадцати типов белковых “символов” (аминокислоты). Ген – это последовательность нуклеотидов, которая кодирует отдельный белок или субъединицу многокомпонентного белка. Даже наименьший геном среди известных свободноживущих организмов, бактерии Mycoplasma genitalium, содержит 482 гена, которые в свою очередь состоят из 580,000 нуклеотидов.2

Процесс распознавания кода (трансляция) требует присутствия многих компонентов, включая сложный редактирующий механизм для исправления ошибок. Известный научный философ Карл Поппер (1902–1994) отмечал:

«…механизм, с помощью которого клетка (по меньшей мере единственная непримитивная клетка известная нам) транслирует код, состоит по меньшей мере из пятидесяти макромолекулярных компонентов, которые сами закодированы в ДНК. Таким образом, код может быть прочитан только с помощью использования определенных продуктов его прочтения (трансляции). Это - загадочный круг; и, по-видимому, чрезвычайно порочный круг, который возникает при любой попытке создать модель или теорию происхождения генетического кода».3

Очевидный вывод – расшифровывание кода должно было быть функциональным с самого начала, в противном же случае жизнь просто не могла существовать.

Расшифровывающие молекулы

Одними из множества видов необходимых молекул являются молекулы транспортной рибонуклеиновой кислоты (т-РНК). Это молекулы, которые связывают необходимую аминокислоту с правильным кодоном. Они состоят приблизительно из 80 нуклеотидных “символов”, три из которых называются антикодонами. Антикодон присоединяется к соответственному кодону на информационной РНК (матричная РНК - м-РНК), которая в свою очередь получила правильный код от ДНК. Таким образом, транспортные РНК могут переносить определённые аминокислоты в определённые места в растущей пептидной цепочке, как и закодировано в м-РНК.4 Также, аминокислота связана с т-РНК таким образом, что она может быть активированной, т.e. иметь высокий химический потенциал — это необходимо для того, чтобы она образовывала пептидную связь с аминокислотой, которая расположена рядом в полипептиде. Сами по себе свободные аминокислоты практически не имеют тенденцию образовывать полипептиды; они скорее склонны к противоположному.5

Эволюционное объяснение происхождения нуклеиновых кислот из так называемого «первичного супа» сталкивается с серьёзными химическими препятствиями.6,7 Даже если допустить, что РНК смогла образоваться спонтанно, всё равно существует огромное препятствие в происхождении натуралистическим способом связываний правильных аминокислот с правильными антикодонами. Если связи неправильные, то весь механизм расшифровки распознал бы неверное сообщение, или не распознавал бы вообще никакого сообщения; это означало бы, что организм не смог бы производить жизненно необходимые энзимы. Однако не существует химических оснований для связывание какого-либо конкретного антикодона с определённой аминокислотой. Фактически, они находятся на противоположных концах т-РНК, что и препятствует их химическому взаимодействию. И это снова указывает на то, что они с самого начала должны были быть полностью функциональными.

Синтезируя транспортные РНК

Синтез транспортных РНК в живых организмах не может и не мог полагаться на случайные химические процессы. Определённая аминокислота активируется и присоединяется к определённой т-РНК двумя этапами с помощью аминоацил-т-РНК-синтетазы (aaРС_з).8 Во-первых, химическая энергия поставляется аденозинтрифосфатом (ATФ), который образовался в другом месте ATФсинтазой - фермент, который содержит миниатюрный вращающийся двигатель F₁-ATФазы.9,10,11,12 ATФ вступает в реакцию с аминокислотой для образования комбинированного карбоксил-фосфорного ангидрида.13 Во-вторых, аминоацильная группа образует сложный эфир с 3”-гидроксильной рибозой в концевом аденозине т-РНК.

Редактирование (корректировка) — энзимы “двойного сита”

Однако, этих двух этапов не достаточно для того, чтобы обеспечить необходимую высокую точность распознавания кодов (коэффициенты ошибок от 1/2400 до 1/40,000). Аминоацил-т-РНК-синтетазы также редактируют конечные продукты, гарантируя, что правильная аминокислота связана с правильной т-РНК. Одна трудность заключается в различении химически схожих аминокислот. В частности, L-валин (Вал) и L- изолейцин (Иле) отличаются всего лишь одной метиленовой (CH₂) группой. Дважды Нобелевский лауреат Линас Поулинг (1901–1994) вычислил, что поскольку CH2 группа обладает гидрофобной энергией связи равной приблизительно 4 кДж/Моль, коэффициент ошибок при замещении изолейцина валином составил бы приблизительно один к пяти.14 Поэтому, термодинамически это невозможно для обычного одноэтапного распознавания достичь коэффициента ошибки 1/3,000, который наблюдается в изолейцин-т-РНК-синтетазе (ИлеРС).15,16,17,18

Однако ошибка при замещении Изолейцина Валином может быть биологически губительной или даже катастрофической. Даже прямая Изолейцин–Валин мутация, происходящая в центре рибонуклеазы T1, понижает её устойчивость вследствие “утраты благоприятствующих упаковывающих взаимодействий боковой цепи в складчатой форме белка.”19 Такая мутация в гидрофобном центре ингибитора химотрипсина-2 изменяет свободную энергию, которая высвобождается при разворачивании (DDG_U–F) в среднем на 5.0 ± 0.4 кДж/Моль.20 Прямая Изолейцин–Валин мутация во внутренней части человеческого лизоцима приводит к понижению устойчивости к денатурации (DDG от -1.5 до -5.0 кДж/Моль).21 Такая мутация также увеличивает предрасположенность к раку лёгких22 и влияет на устойчивость Вируса Иммунодефицита Человека – 1 к лекарствам.23

Другая проблема, отмеченная Полингом, заключается в том, что если место связывания фермента может легко препятствовать проникновению больших по размеру молекул посредством стерического несоответствия, то как оно исключает молекулы, которые меньше по размеру?

Алан Фершт впервые предложил ответ на этот вопрос в 1977 году: распознающий механизм “двойного сита”.24 Сито с крупными отверстиями исключало бы большие молекулы аминокислот и препятствовало бы их активированию, и в то же самое время пропускало бы необходимые аминокислоты и позволяло бы активироваться меньшим по размеру аминокислотам. Затем в сите с мелкими отверстиями происходил бы гидролиз продуктов меньших по размеру аминокислот (смотрите схему ниже).

В 1998 году, группа учёных во главе с Нуреки продемонстрировали этот механизм “двойного сита” на примере с изолейцин-т-РНК-синтетазой. Они использовали технику дифракции рентгеновских лучей (ДРЛ) для того, чтобы растворить кристаллическую структуру Изолейцин-т-РНК-синтетазы Thermus thermophilus (термофильной бактерии), а также ее комплексы с Изолейцином и Валином. Изолейцин-т-РНК-синтетаза представляет собой огромную молекулу, имеющую форму буквы L с размерами приблизительно 100 Å x 80 Å x 45 Å, и которая принадлежит к пространственной группе C2.

Изолейцин-т-РНК-синтетаза содержит характерную нуклеотидную связывающую складку, называемую складкой Россмана, которая расположена в центре. “Сито с крупными отверстиями” представлено расщелиной в складке Россмана, имеющей две характерные последовательности из четырёх аминокислот, и которая связывает АТФ. Эта складка также привязывает L-Изолейцин к её основанию. Ее углеводородные группы, а также NH₃+ и COO– группы распознаются с помощью размещенных стратегическим образом аминокислотных остатков энзима. С помощью стерического несоответствия это место не пропускает большие молекулы аминокислот, включая L-лейцин, хотя он отличается от Изолейцина только размещением метиловой группы на боковой цепи. Это резко контрастирует с традиционной лабораторной органической химией, где “особенно трудно разделить лейцин и изолейцин ”.25

Сито с меньшими по размеру отверстиями – это другая часть складки Россмана, Ins-2 структурная область, в которой находится другая глубокая расщелина. При ДРЛ обнаружили в этой расщелине Валин в комплексе с L-валин-изолейцин-т-РНК-синтетазой, а вот Изолейцин в комплексе с L-изолейцин-изолейцин-т-РНК-синтетазой никогда не обнаруживается — поскольку расщелина слишком мала для этого. Здесь происходит гидролиз “неправильных” продуктов Валина, в то время как продукты правильного изолейцина надежно защищены.

Нуреки и его коллеги продемонстрировали это, построив мутантную Изолейцин-т-РНК-синтетазу, в которой отсутствовали 47 аминокислотных остатков, включая триптофан (Tрп²³²) L-валина со специфическим углублением. Это полностью разрушило редактирующую (корректирующую) способность. В другом эксперименте, Нуреки и его коллеги изменили всего две аминокислоты (заместив Треонин²⁴³ и Аспарагин²⁵⁰ аланином) изолейцин-т-РНК-синтетазы E. coli (кишечной палочки), что снова полностью разрушило редактирующую способность. Предыдущая работа показала, что даже одна единственная мутация (замещение Тирозина⁴⁰³ Фенилаланином) сильно понизила редактирующую способность изолейцин-т-РНК-синтетазы E. coli.26

Другие аминоацил-т-РНК-синтетазы также обладают способностью редактировать, включая Валин-т-РНК-синтетазу, которая обратно ацилирует ошибочные продукты треонина.27

Эволюционные предубеждения

К сожалению, замечательная работа Нуреки и его коллег8 была испорчена, когда авторов этой работы захватило распространённое мирское течение, и они преклонили свои колена перед идолом современного мира — несвятой Троицей Времени, Случая и Естественного Отбора. Они писали:

«…интересно с эволюционной точки зрения то, что все ферменты, катализирующие основные этапы биосинтеза и метаболизма Изолейцина-Валина, не различают или игнорируют разницу между двумя алифатичными аминокислотами, как это наблюдалось в каталитическом центре ИлеРС. Это открытие подразумевает, что предполагаемые наследственные ферменты Изолейцин-т-РНК-синтетаза и Валин-т-РНК-синтетаза фактически могли иметь подобную двойственную особенность L-изолейцина и L-валина в системе первобытного генетического кода».29

Естественно, что хороший дизайнер часто использует схожие механизмы для того, чтобы создавать схожие продукты, а при очень близкой химической схожести Изолейцина и Валина это имеет особенный смысл. И утверждение этих учёных - это лишь рассказ в стиле “так уж вышло”, в котором нет даже и малейшего намёка на доказательство. И он не заменяет объяснения того, как именно такой центр распознавания мог возникнуть в результате естественного отбора. Такой центр требует присутствия многих аминокислот, которые должны быть расположены в точной последовательности ещё до того, как центр вообще может работать. Это указывает на признаки дизайна — и это именно то, что биохимик Майкл Бихи в своей книге “Чёрный Ящик Дарвина” назвал Непонижаемой сложностью.30 Проблема особенно остро встает в этом случае: поскольку естественный отбор приравнивается к дифференциальному воспроизведению, то в случае ошибочного распознавании, точное воспроизведение благоприятных и удачных признаков просто невозможно. Катастрофа ошибок неминуема.29,31,32

Ссылки и примечания

1. Для иллюстраций смотрите В. Гитт Изумительный дизайн в миниатюре. Вернуться к тексту.
2. Fraser, C.M., et al. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium, Science 270(5235):397–403, 1995; Perspective by A. Goffeau, Life with 482 genes, same issue, pp. 445–6. Вернуться к тексту.
3. Popper, K.R., Scientific reduction and the essential incompleteness of all science; in Ayala, F. and Dobzhansky, T., eds., Studies in the Philosophy of Biology, University of California Press, Berkeley, p. 270, 1974. Вернуться к тексту.
4. Для детального описания, см. Дэнтон, M.,Эволюция: Теория в кризисе, Adler & Adler, Bethesda, Maryland, ch. 10, 1985. Вернуться к тексту.
5. Sarfati, J.D., Происхождение жизни: проблема полимеризации. Вернуться к тексту.
6. 6. Mills, G.C. and Kenyon, D.H., The RNA World: A Critique, Origins and Design 17(1): 9–16, 1996. Вернуться к тексту.
7. Sarfati, J.D., Self-Replicating Enzymes? . Вернуться к тексту.
8. Nureki, O. and nine others, Enzyme structure with two catalytic sites for double-sieve selection of substrate, Science 280(5363):578–582, 1998. Вернуться к тексту.
9. Hiroyuki Noji et al., Direct observation of the rotation of F1-ATPase. Nature 386(6622):299–302, 1997; perspective by Block, S., Real engines of creation, same issue, pp. 217–219. Вернуться к тексту.
10. Boyer, P., The binding change mechanism for ATP synthesis — some probabilities and possibilities, Biochim. Biophys. Acta 1140:215–250, 1993 Вернуться к тексту.
11. Abrahams, J.P. et al., Structure at 2.8 Å resolution of F₁-ATPase from bovine heart mitochondria. Nature 370(6491):621–628, 1994. Comment by Cross, R.L. Our primary source of ATP. Same issue, pp. 594–595. Вернуться к тексту.
12. Sarfati, J.D., Дизайн в живых организмах: моторы. Вернуться к тексту.
13. Karlson, P., (tr. Doering, C.H.), Introduction to modern biochemistry, 4th ed., Academic Press, NY, London, pp. 145–146, 113, 1975. Вернуться к тексту.
14. Pauling, L., in Festschrift Arthur Stoll, Birkhauser Verlag, Basel, Switzerland, p. 597, 1958; cited in Nureki et al., Ref. 8. Вернуться к тексту.
15. Fersht, A.R., Сита в последовательности, Science 280(5363):541, 1998. Вернуться к тексту.
16. Freist, W., Pardowitz, I. and Cramer, F., Isoleucyl-tRNA synthetase from baker”s yeast: multistep proofreading in discrimination between isoleucine and valine with modulated accuracy, a scheme for molecular recognition by energy dissipation, Biochemistry 24(24):7014–7023, 1995. Вернуться к тексту.
17. Loftfield, R.B., Biochem. J. 89:82–92, 1963; cited in Freist et al., Ref. Вернуться к тексту.
18. Loftfield, R.B. and Vanderjagt, D., Biochem. J. 128:1353–1356, 1972; cited in Freist et al., Ref. 16. Вернуться к тексту.
19. Sneddon, S.F. and Tobias, D.J., 1992. The role of packing interactions in stabilizing folded proteins. Biochemistry 31(10):2842–2846. Вернуться к тексту.
20. Jackson, S.E. et al., 1993. Effect of cavity-creating mutations in the hydrophobic core of chymotrypsin inhibitor 2. Biochemistry 32(43):11259–11269. Вернуться к тексту.
21. Takano, K. et al., 1995. Contribution of hydrophobic residues to the stability of human lysozyme: caolimetric studies and x-ray structural analysis of the five isoleucine to valine mutants. J. Mol. Biol. 254:62–76. Вернуться к тексту.
22. Zhang, Z.Y. et al., 1996. Cancer Res. 56:3926; cited in Nureki et al., Ref. 8. Вернуться к тексту.
23. Farrash, M.A. et al., 1994. J. Virol. 68:233; cited in Nureki et al., Ref. 8. Вернуться к тексту.
24. Fersht, A.R., 1977. Enzyme Structure and Mechanism, Freeman, San Francisco, p. 283; cited in Fersht, Ref. 15. Вернуться к тексту.
25. Karlson, Ref. 13, p. 27. Вернуться к тексту.
26. Schmidt, E. and Schimmel, P., 1995. Residues in a Class I tRNA synthetase which determine selectivity of amino acid recognition in the context of tRNA. Biochemistry 34(35):11204–11210.
27. Eldred, E.W. and Schimmel, P., 1972. J. Biol. Chem. 247:2961; cited in Nureki et al., Ref. 8. Вернуться к тексту.
28. Nureki et al., Ref. 8, p. 581. [See p. 17 this journal.] Вернуться к тексту.
29. ReMine, W.J., The Biotic Message, St. Paul Science, St. Paul, MN, passim, 1993; see review by Batten, D., CEN Tech. J. 11(3):292–298, 1997. Вернуться к тексту.
30. Behe, M.J., Черный ящик Дарвинаx: Вызов эволюции со стороны биохимии, The Free Press, New York, 1996; see review by Ury, T.H., CEN Tech. J. 11(3):283–291, 1997. Вернуться к тексту.
31. Denton, ссылка. 4, ch. 11 Вернуться к тексту.
32. Jorde, L.B., Carey, J. C. and White, R.L., Medical Genetics, Mosby, St Louis, Missouri, 1995. Вернуться к тексту.

Источник-www.answersingenesis.org