Проблема синтеза белка как информационная проблема

Как соединить все аминокислоты в таком порядке, чтобы ре­зультатом синтеза стал биологически активный белок, — это про­блема информационная. Количество информации, необходимое для создания системы или любого элемента системы, зависит от коли­чества необходимых для этого команд. Совершенно произвольное соединение аминокислот не требует специальных команд. Созда­ние кристалла требует сначала ряда команд для создания малень­кой ячейки с симметрией, свойственной этому кристаллу, а затем -команды повторять выполнение предыдущих команд до тех пор, пока не образуется большой кристалл. Создание газеты предпола­гает гораздо больший объем информации, так как буквы на стра­нице должны располагаться в определенной последовательности, чтобы получились соответствующие слова, предложения, абзацы и статьи. Получение биологически активных белков сродни произ­водству газет. Рассмотрим этот вопрос.

Представьте себе, что нам нужно написать предложение «КАК ВОЗНИКЛА ЖИЗНЬ?» Прежде всего, мы сталкиваемся с наличи­ем смеси L- и D-аминокислот, в то время как нам необходимы толь­ко L-аминокислоты — как будто некоторые буквы повернулись на 180 градусов относительно горизонтальной оси предложения, «встали на голову». Такие перевернутые буквы будут представлять собой D-аминокислоты предложения, смешанные с L-аминокислотами.

Следующая проблема — непептидные связи, возникающие меж­ду аминокислотами (см. рисунок 5.4, где изображена нормальная пептидная связь). Некоторые из рядом стоящих букв расположи­лись беспорядочно друг относительно друга, отчего информация, содержащаяся в предложении, пострадала еще сильнее.

И, наконец, рассмотрим вопрос неправильной последовательно­сти аминокислот в цепи. Представим себе, что некоторые буквы мы поменяем местами. Смысл предложения будет совершенно потерян.

Если все вышеперечисленные проблемы встретятся в одном предложении, расшифровать изначальное сообщение будет невоз­можно — мы получим пример полной потери функциональности. Такая же потеря функциональности, только биологической, случа­ется, если полимер образован не только L-аминокислотами, если не все связи в нем — пептидные, и если нарушена последователь­ность расположения аминокислот в молекуле белка.

Но сложнее всего, пожалуй, выбрать только русские буквы из «ал­фавитного бульона», в котором есть и русские буквы (играющие роль аминокислот), и китайские, и греческие, и еврейские (представляю­щие другие виды органических молекул в первичном бульоне). Кроме того, нужно выбрать только три буквы К, две А, две И, две Н, и по одной В, О, Л, Ж, 3, Ь.

В 1984 году мы предположили, что вопрос о возникновении жиз­ни — это по сути вопрос информационный," но эта идея пришла в голову не только нам. Бернд-Олаф Kynnepc.fBernd-Olaf Kuppers) в своей статье «Информация и возникновение жизни» (1990) пи­шет: «Очевидно, что вопрос возникновения жизни в сущности сводится к вопросу о возникновении оиологическои информации», о конце 80-х подобные заявления делали Джеффри Уикен и Роберт Шапиро, а в 70-е об этом же говорили А. Э. Уайлдер-Смит и Хью­берт Б. Иоки.⁴⁵

Синтез белка и теория вероятности

Вопрос о соединении аминокислот в функциональный белок можно рассмотреть с точки зрения теории вероятности и матема­тической статистики. Упрощая вопрос, предположим, что возмож­ность получения L-аминокислоты (а не D-) составляет 50%, а ве­роятность соединения двух таких L-аминокислот пептидной свя­зью тоже 50%. Вероятность того, что нужная аминокислота ста­нет на нужное место в цепи, можно оценить как 5%, при условии, что в первичном бульоне все 20 аминокислот находятся в пример­но равной концентрации. Первые два предположения реальны, тог­да как в третьем случае цифра будет слишком высокой для одних аминокислот и слишком низкой — для других.

Если пренебречь возможностью реакций аминокислот с други­ми химическими веществами, то вероятность правильного распо­ложения в цепи для одной аминокислоты будет равна 0,5x0,5x0,05 = 0,0125. Вероятность того, что правильно будут расположены N аминокислот, будет равна 0,0125 х 0,0125 х ... 0,0125 в степени N. Если молекула функционирующего белка имеет сто активных уча­стков, вероятность получения необходимого соединения равна 0,0125 в сотой степени, то есть 4,9-10 ~’⁹¹. Такая ничтожно малая вероятность заставила многих ученых, исследующих этот вопрос, отка­заться от идеи случайного синтеза или благоприятного случая в качестве объяснения возникновения жизни.

Предположим, что весь углерод на Земле связан в виде амино­кислот, аминокислоты могут вступать в реакцию с максимальной скоростью 10¹² в секунду, и это будет продолжаться в течение мил­лиарда лет (максимальный срок от момента остывания Земли до появления жизни). Даже при таких допущениях мы будем вынуж­дены заключить, что вероятность появления одной-единственной молекулы биологически активного белка ничтожно мала — прибли­зительно 10^-65, как отмечал Йоки.⁴⁶ Д. Кеньон, Дж. Штейнман (G. Steinman) и сэр Фредерик Хойл пришли к такому же выводу и поз­же писали: «Современные представления о возникновении жизни так же правдоподобны, как и предположение о том, что ураган, пройдя через свалку, может собрать Боинг-747».⁴⁷