§ 4. Биологическая информация

Под биологической информацией понимают последовательности нуклеотидов в участках ДНК, которые определяют (кодируют) первичные последовательности белков и, следовательно, их свойства. Передача информации в цепи белок осуществляется аппаратом трансляции, состоящим из белков, транспортных РНК и рибосом. При этом информация в ДНК, записанная четырехбуквенным кодом, переводится в информацию первичной

последовательности белков, записанную двадцатибуквенным кодом. Процесс хорошо изучен и описан во многих монографиях и учебниках ([П9, П10]). Наиболее важным в информационном плане звеном является трансляция, она осуществляется набором белков-адаптеров (аминоациладенилатсинтетазы). Каждый из них имеет участок, комплементарный к тройке нуклеотидов (кодону) и соответствующей этой тройке аминокислоте. Именно в этих белках заложена информация о коде. Почти вся современная биосфера использует единый вариант кода. Этот код (в форме таблицы соответствия) хорошо известен. В коде имеет место прямое вырождение (т. е. одну аминокислоту могут кодировать несколько разных кодонов), однако обратное вырождение (т. е. ситуация, в которой одна тройка кодирует несколько разных аминокислот) отсутствует. Это не случайно: действительно, при наличии обратного вырождения трансляция была бы не однозначна и процесс синтеза белка был бы неуправляемым. Таким образом, каждая клетка имеет информацию о коде и процессе трансляции (ее можно назвать информацией об алфавите). Помимо этого, клетка имеет информацию о белках, выполняющих иные функции (ее можно назвать смысловой). Последняя часть информации гораздо богаче и разнообразнее, чем первая; обычно, когда говорят о биологической информации, имеют в виду именно ее смысловую часть. Однако в проблеме происхождения биологической информации, в первую очередь, следует рассмотреть возникновение алфавита (т. е. аппарата трансляции и кода), ибо смысловая часть могла возникнуть лишь на базе алфавита и, следовательно, не раньше его. Отметим еще одно важное различие между алфавитной (или кодовой) и смысловой информацией. Первая присуща всей биосфере. Смысловые же части информации, которые содержит каждый индивидуум, вообще говоря, могут отличаться; более того, эти отличия и определяют разницу между индивидуумами, видами, семействами и т. д. Ясно, что код (или алфавит) мог возникнуть лишь в результате взаимодействия многих индивидуумов.

Информация, заложенная в ДНК., обладает условной ценностью, поскольку для ее рецепции необходим аппарат трансляции. Первичные последовательности белков содержат информацию, рецептированную в процессе биосинтеза с ДНК. Ценность этой информации безусловна, поскольку для ее рецепции и использования специального аппарата не требуется. Обсудим это подробнее. Современные белки-ферменты содержат около двухсот аминокислотных остатков. В рабочем, нативном, состоянии столь длинный полипептид свернут в глобулу (так называемую третичную структуру). Пространственная структура глобулы зависит от взаимодействий, обусловленных водородными связями, зарядами и т. п. различных аминокислотных остатков, и определяется (практически однозначно) их расположением в первичной последовательности. Функция белка-фермента, т. е. способность катализировать ту или иную реакцию, зависит от наличия вполне определенных аминокислот в активном центре (число их, как правило,

невелико: две — три) и от характера глобулярной структуры.

Многие реакции катализируются ферментами, состоящими из нескольких глобул, образующих четвертичную структуру. В этом случае способность функционировать зависит также от расположения аминокислотных остатков на боковых поверхностях глобул. Таким образом, использование (рецепция) информации, содержащейся в первичной последовательности, происходит по схеме первичная последовательность структура (форма) функция. При этом никакая дополнительная информация не участвует и не требуется.

Оценим количество полезной (или ценной) информации, которое содержится в типичном белке, состоящем из 200 остатков. Целью будем считать выполнение определенной функции (например, репликазной, поскольку она наиболее важна в проблеме возникновения жизни). Максимальная (заведомо завышенная) оценка соответствует предположению о том, что все аминокислоты должны быть зафиксированы в определенных местах. Тогда бит. Другая, минимальная, оценка соответствует предположению о том, что для обеспечения функции достаточно зафиксировать положение всего двух-трех аминокислот, входящих в активный центр. В этом случае 8-12 бит. Величина 12 бит соответствует информации, содержащейся в слове из трех букв на русском языке. Эта оценка заведомо занижена, в ней не учтена информация, необходимая для задания определенной структуры глобулы. Последнюю оценить трудно, поскольку она не связана с числом строго фиксированных аминокислот. Известно, что в глобулярной части белка почти любой остаток можно заменить другим (без нарушения структуры) при условии, что большинство остальных остатков сохраняется. Число водородных связей, стабилизирующих глобулу, порядка ста; считая, что хотя бы половина их должна сохраняться, примем в качестве «эффективного» числа фиксированных аминокислот величину порядка 50. В этом случае

Соответствующая этой оценке вероятность спонтанного (случайного) синтеза белка с заданной функцией равна . В наших масштабах вероятность может считаться абсурдно малой.

Обсудим теперь, как в биологии реализуется условие запоминания информации. Время запоминания должно быть достаточно велико — порядка времени жизни популяции, т. е. много больше времени жизни организма. Отсюда следует, что «запомнить» информацию означает не только сохранить ее в течение жизни, но и передать потомству. Это значит, что биологическая информационная система должна быть способна к комплементарной авторепродукции. На первый взгляд, этот процесс может осуществляться за счет редупликации двойных цепей комплементарных полинуклеотидов без участия белков-ферментов. Однако бесферментная

репликация протекает крайне медленно как в современных условиях, так и в любых мыслимых условиях предбиологической эволюции. Для того чтобы процесс действительно был авторепродуктивным, необходимо, чтобы скорость его была много больше скорости гидролиза и скорости изменения последовательности нуклеотидов за счет мутаций. Достаточная скорость комплементарной авторепродукции может обеспечиваться только в присутствии белков, обладающих репликазными (но не гидролитическими) свойствами. Таким образом, уже на первом этапе — создании информационной системы — должен возникнуть авторепродуцирующий нуклеопротеидный комплекс, содержащий двойную цепь полинуклеотидов и белок-репликазу, т. е. простейший гиперцикл. Возникает вопрос: как может образоваться информационная система, не имеющая еще информацию о коде (условную), но включающая белок, содержащий большую и ценную (безусловно) информацию? Ответ уже обсуждался в предыдущем параграфе — таковое возможно, если необходимая для функции белка информация не возникает случайно, а рецептируется извне, путем прямого узнавания подобно иероглифу. На биофизическом языке это значит, что синтез первичной репликазы шел так, что образование белка определенной формы предопределяло функцию. Более детально возможные варианты такого процесса обсуждались в гл. 2.

Проблема возникновения новой информации актуальна и на более поздних этапах эволюции, когда аппарат трансляции полностью сформировался. Речь идет о появлении белков-ферментов с новой функцией перед дивергентной стадией (см. гл. 2), а также об образовании новых ферментных систем на таких этапах эволюции, как, например, появление фотосинтезирующих организмов и (позднее) дышащих. Возникновение фотосинтетического аппарата дало колоссальное эволюционное преимущество, поскольку позволило использовать новый энергетический субстрат (солнечный свет) и новые материальные субстраты (углекислоту и воду). Однако для этого понадобилось сконструировать не один новый фермент, а целую цепь белков с новыми функциями. При внимательном анализе можно заметить, что не все ферменты действительно новые. Так, в цикле Кальвина ряд ферментов выполняет функции, близкие к функциям ферментов гликолитической цепи (эволюционно более древней). Тем не менее, несколько (три-пять) функций (и, соответственно, ферментов) являются действительно новыми.

Отметим, что эволюционные преимущества появляются только при наличии всех новых ферментов; возникновение каждого фермента в отдельности не ведет ни к каким преимуществам. Такие «большие скачки» в эволюции именуются аромерфезами. При решении проблемы «больших скачков» возникают следующие трудности. Во-первых, каждый из новых белков содержит информацию порядка бит. Вероятность спонтанного ее возникновения в случае образования системы из нескольких белков

Во-вторых, такие белки синтезируются уже обычным путем с участием аппарата трансляции. Это значит, что сначала должна появиться информация о новых белках в ДНК. Прямая рецепция этой информации из среды (подобная иероглифической) в данном случае уже невозможна. Ясно, что в эволюции эта трудность была преодолена; рассмотрим возможные пути решения этой проблемы. Наиболее естественная гипотеза сводится к тому, что часть (и даже большая) информации о «новом» белке уже содержится в «старом» или, что то же, количество новой информации существенно меньше 200 бит. Конкретная реализация этой гипотезы не тривиальна; рассмотрим ее подробнее.

При исследовании как первичных последовательностей, так и пространственной организации (т. е. третичной структуры) белков-ферментов была замечена одна общая особенность: белки состоят из сравнительно жестких блоков, соединенных подвижными шарнирами. Это свойство отмечалось во множестве работ (для ссылок см. [П33, 14, 15]). Блоки содержат от 30 до 100 аминокислот и число их в каждом ферменте невелико (порядка пяти и меньше). Блоки, как правило, построены стандартно; они представляют собою либо участки -спиралей, либо -структур. Поэтому число различных типов блоков также невелико, составляет Блочная структура обеспечивает конформационную подвижность белков-ферментов, столь важную для выполнения каталитических функций. Характер подвижности, разумеется, индивидуален, т. е. зависит от расположения блоков и соответствует выполняемой функции. Иными словами, белки-ферменты представляют собою конструкции, выполненные из блоков и шарниров. Более детально эта концепция обсуждается в

Первичная репликаза не является исключением. Механизм ее работы, обсуждавшийся выше, также связан с конформационными изменениями и, следовательно, блочной структурой. Учитывая это, можно сказать, что в «новом» белке-ферменте может быть использована информация о строении белков, уже содержащаяся в «старом» белке. Существенно новая информация должна заключаться лишь в новом сочетании уже имеющихся блоков. Кроме того, новой является информация об аминокислотах, непосредственно входящих в активный центр (она порядка 12 бит).

Мутации, осуществляющие перестановку блоков (точнее, участков ДНК, кодирующих блоки полипептидной последовательности), вполне возможны. В результате вероятность конструкции «нового» белка из блоков, уже содержащихся в «старом», существенно повышается и становится совместимой с принципом эволюционной непрерывности. Поясним сказанное на примере известной игрушки, именуемой «конструктор». Она содержит набор деталей (рычагов, болтов и т. д.), из которых можно собрать различные конструкции: мост, автомобиль, подъемный кран и т. д. Эти конструкции весьма различны как по функции, так и по строению, однако большинство деталей у них общие. Поэтому можно собирать любую из конструкций, используя детали от другой.

Приведем некоторые оценки. Пусть существует различных типов элементов (блоков), из которых можно построить белок-фермент, выполняющий заданную функцию и состоящий из блоков Пусть имеется запас из элементов, соединенных в последовательность, содержащую элементов типа; Пусть, далее, существует мутационный механизм, переставляющий элементы (блоки) в любой последовательности. Оценим вероятность появления определенной последовательности из элементов, содержащей элементов 1-го типа;

Примем, что Это означает, что информация о старом белке повторена многократно и уже подвергалась мутации. Рассмотрим какой-либо участок последовательности равный Вероятность реализации на нем заданной последовательности равна Вероятность появления нужной последовательности в любом месте цепи равна Вероятности образования новой конструкции хотя и малы, но много больше критической (т. е. ); это означает, что в эволюции такой процесс вполне вероятен.

Вероятность появления новых последовательностей новых белков) равна

Видно, что вероятность существенно зависит от числа т. е. от резервной (накопленной впрок) информации. При и упомянутых значениях вероятность становится близка к единице.

Отсюда видна связь гипотезы «конструктор» с концепцией накопления нейтральной информации. Дело в том, что до большого скачка, т. е. до возникновения новой целостной системы, накопление повторов информации в ДНК не ведет к эволюционному преимуществу, хотя и не является «вредным» признаком. По терминологии Кимуры [16, 17] такая информация является нейтральной. Она, однако, становится весьма «положительным» признаком при приспособлении к качественно новым условиям. Иными словами, накопление «нейтральной» информации является необходимым условием ароморфоза.