Jak powstało życie?

f) Detektyw Wong

J. Tzei-Fei Wong ogłosił swoją teorię ewolucji kodu genetycznego, tzw. teorię koewolucyjną w 1975 roku w swojej znakomitej pracy, którą warto tu zacytować.

WONG TZEI-FEI J. A coevolution theory of the genetic code. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (1975) 72(5), 1909-1912.

Jest artykuł jest krótki, ale esencjonalny i treściwy, więc z pewnością warto doń dotrzeć. Wong roztacza tam swoją hipotezę odnośnie przypisywania trójek kodonów danym aminokwasom. Przed nim postulowano również teorię stereochemiczną (jest związek między kodonem, a aminokwasem w rodzaju ich dopasowania przestrzennego). Teoria ta nie zdobyła jednak silnego poparcia w faktach.

W latach sześćdziesiątych XX wieku Francis Crick wysunął hipotezę mówiącą, że każdy kodon przypisany jest każdemu z 20 aminokwasów (+ kodony STOP) tak jak przypadek zdarzył i nie ma tu żadnej regularności. Taki przypadkowy kod utrwalił się i dlatego idea Cricka została nazwana Hipotezą Zamrożonego Przypadku. Zamrożony przypadek (ang. frozen accident) to idea warta wyjaśnienia. Wyobraźmy sobie osiedle budowane 30 lat temu. Przed zbudowaniem bloku były do wyboru cegły i płyty betonowe. Zostały wybrane płyty betonowe i teraz po 30 latach nikt już tych płyt cegłami nie zastąpi. Trzebaby wyburzać całe osiedle, a to nie jest realne. Podobnie z kodem genetycznym w komórkach. Wybrane zostało przypadkowe przypisanie aminokwasów kodonom i teraz jest to wybór nie do odwrócenia (choć tylko przypadkowy).

Z hipotezą tą nie zgodził się J. Tzei-Fei Wong, zauważając ciekawe prawidłowości w kodonach aminokwasów i ich ścieżkach metabolicznych (rys.5).


Rys.5 Schemat zależności pomiędzy ścieżkami metabolicznymi aminokwasów, a płynnymi, ciągłymi przejściami pomiędzy ich kodonami.


Na początku były kodony GGC (glicyny) i GCC (alaniny). Potem doszły kodony kwasu asparaginowego (GAC) i waliny (GUC). Należy pamiętać, że pary AU tworzą tylko dwa wiązania, a pary GC – trzy. Powstanie RNA niosących uracyl (U) i adeninę (A) mogło ułatwiać dysocjację podwójnej helisy RNA po replikacji w celu przejścia następnego cyklu replikacji. Takich cząstek było z czasem zapewne więcej.
Z czasem powstawały kodony dla treoniny, seryny, izoleucyny, leucyny i kwasu glutaminowego. Kodony stop były najprawdopodobniej 4: UAA, UAG, UGA, UGG. Tylko jeden kodon - UGG z czasem został „przypisany” tryptofanowi i jest to teraz najrzadziej występujący aminokwas w białkach.

Strzałki na powyższym rysunku wskazują na kierunki i kolejności przemian biochemicznych aminokwasów. Niesłychanie wyraźna i zdumiewająca jest regularność typu: im bliżej inny aminokwas znajduje się od danego aminokwasu, tym jego kodon wymaga mniej zmian, aby przejść w kodon danego sąsiada szlaku metabolicznego. To tak jakby za każdym razem, gdy powstawała nowa ścieżka metaboliczna (dzięki istnieniu rybozymów wspomaganych kofaktorami aminokwasowymi), prowadząca do powstania aminokwasu, przypisany zostaje mu kodon różniący się tylko jedną mutacją względem kodonu prekursora.

I tak prawie na pewno było. I tak prawie na pewno powstawał kod genetyczny.

Zauważmy również, że tak powstający kod genetyczny jest „bezpieczniejszy”. Aminokwas sąsiadujący w ścieżce metabolicznej jest z dużym prawdopodobieństwem podobny do prekursora właściwościami chemicznymi. A więc wiele mutacji punktowych ma szansę wprowadzić do zmutowanego białka aminokwas podobny, a nie skrajnie odmienny, co zmniejsza ryzyko konsekwencji takich mutacji. Oto rozwiązanie problemu 9.