Конечно, полную картину ещё предстоит реконструировать — осталось много нерешённых вопросов. Например, в современной клетке активацию аминокислот и их присоединение к соответствующим тРНК осуществляют специфичные белки-ферменты. Возникает вопрос: могла ли эта реакция осуществляться без участия белков, только с помощью РНК? Могли ли сами РНК катализировать синтез РНК из нуклеотидов или присоединение азотистых оснований к сахару? В общем-то, после открытия рибозимов, такие потенциаль
Окончательная уверенность в том, что „мир РНК“ действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Учёные рассчитывали обнаружить там белок, катализирующий сшивание аминокислот в белковую последовательность. Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в каталитическом центре рибосом белковых структур нет совсем, что он полностью построен из РНК! Оказалось, что все ключевые стадии биосинтеза белка осуществляются молекулами РНК. Точка в дискуссии о возможности существования „мира РНК“, как особой стадии биологической эволюции, была поставлена.
Наиболее удивительным было открытие каталитической способности РНК. Прежде считалось, что катализировать реакции умеют только белки, ферменты. Учёные, например, никак не могли выделить ферменты, осуществляющие разрезание и сшивание некоторых РНК. После длительных исследований выяснилось, что РНК прекрасно справляются с этим сами. ЦКП „Секвенирование ДНК“ СО РАН. Центр коллективного пользования дорогостоящим оборудованием для секвенирования ДНК был создан в 2000 году на базе Института Химической Биологии и Фундаментальной Медицины (ИХБФМ) и Института Цитологии и Генетики (ИЦиГ). ЦКП располагает полным комплексом современных автоматических приборов для анализа и расшифровки структуры генов и других участков ДНК.Структуры РНК, действующие подобно ферментам, назвали рибозимами (по аналогии с энзимами, белками-катализаторами). Вскоре было обнаружено множество разнообразных рибозимов. Особенно широко их используют для манипулирования своими РНК вирусы и другие простые инфекционные агенты. Таким образом, РНК оказались мастерами на все руки: они могут выступать в роли носителей наследственной информации, могут служить катализаторами, служить транспортными средствами для аминокислот, образовывать высокоспецифичные комплексы с белками.
На все «молекулы» мастер
Таким образом, выяснилось, что поток генетической информации не является, как первоначально считалось, однонаправленным — от ДНК к РНК. Роль ДНК, как изначально главного носителя генетической информации, стала подвергаться сомнениям. Тем более что многие вирусы (гриппа, клещевого энцефалита и другие) вообще не используют ДНК в качестве генетического материала, их геном построен исключительно из РНК. А далее посыпались одно за другим открытия, которые заставили совершенно по-другому взглянуть на РНК.Молекулы РНК выполняют ключевые функции в ходе биосинтеза белка. При „включении“ гена происходит локальное расплетение спирали ДНК. Затем с гена, кодирующего белковую молекулу, синтезируется его РНК-копия. После ряда „превращений“ она становится матричной РНК, т. е. матрицей для синтеза белка. мРНК переносится из ядра клетки в цитоплазму, где связывается с рибосомами, на которых и „производится“ белок. Он синтезируется из активированных аминокислот, присоединённых к специальным транспортным РНК.
Чем больше углублялись в изучение различных биосинтетических процессов, тем чаще обнаруживали ранее неизвестные функции РНК. Оказалось, что кроме процесса транскрипции (синтеза РНК путём копирования участка ДНК), в ряде случаев, наоборот, может происходить синтез ДНК на РНК-матрицах. Этот процесс, названный обратной транскрипцией, используют в ходе своего развития многие вирусы, в том числе печально известные онкогенные вирусы и ВИЧ–1, вызывающий СПИД.
Рассмотрим давно известные функции РНК, связанные с работой (экспрессией) гена в клетке. При включении гена сначала происходит локальное расплетение ДНК и синтезируется РНК-копия генетической программы. В результате сложных обработок её специальными белками получается матричная РНК (мРНК), которая и является программой для синтеза белка. Эта РНК переносится из ядра в цитоплазму клетки, где она связывается со специальными клеточными структурами — рибосомами, настоящими молекулярными „машинами“ для синтеза белка. Белок синтезируется из активированных аминокислот, присоединённых к особым транспортным РНК (тРНК), причём каждая из аминокислот присоединена к своей специфической тРНК. Благодаря РНК аминокислота фиксируется в каталитическом центре рибосомы, где она „пришивается“ к синтезируемой белковой цепи. Из рассмотренной последовательности событий видно, что молекулы РНК играют ключевую роль в декодировании генетической информации и биосинтезе белка.
Жизнь, без сомнения, должна была начаться с образования „умелых“ молекул, которые могли бы сами себя размножать и выполнять все другие „хозяйственные работы“, необходимые для существования клетки. Однако на роль таких умельцев не подходит ни ДНК, ни белок. ДНК — отличный хранитель генетической информации, но сама себя размножать не умеет. РНК тоже может формировать двуцепочечные спирали, подобно ДНК, но чаще всего молекулы РНК существуют в виде структур-клубков. Именно такой является транспортная РНК человека, переносящая аминокислоту лизин. Структуру РНК можно показать в виде:а) записи нуклеотидной последовательности;б) схемы организации вторичной структуры (чёрточками соединены взаимодействующие комплементарные пары нуклеотидов);в) трёхмерной пространственной структуры.Белки — непревзойденные катализаторы, но не могут работать в качестве „генетических программ“. Возникает парадокс курицы и яйца: ДНК не может образоваться без белка, а белок — без ДНК. И только РНК, как выяснилось, может ВСЁ. Но не будем забегать вперёд.
Каким же образом первые молекулярные системы были обособлены от окружающей среды? Колонии молекул могли, например, удерживаться вместе за счёт адсорбции на какой-нибудь минеральной поверхности или пылевых частицах. Однако возможно, что уже самые примитивные системы располагали, подобно современным живым клеткам, настоящей мембранной оболочкой. Дело в том, что такая „протоклетка“ с липидной мембраной может образоваться очень просто. Многие молекулы с заряженными группами (например, жирные кислоты) в водной среде образуют микроскопические пузырьки — липосомы. Это слово должно быть хорошо известно прекрасной половине наших читателей: липосомы широко используются в косметических кремах — крохотные жировые капсулы начиняются витаминами и другими биологически активными веществами. А вот чем были наполнены древние „протоклетки“? Оказалось, что на роль „начинки“ претендуют именно РНК.Уже древние примитивные клетки должны были обладать настоящей мембранной оболочкой. Её могли образовывать любые молекулы с заряженными группами, присоединёнными к неполярным структурам:а) примеры веществ, способных образовывать мембраны;б) структура липосомы — микроскопического пузырька, стенки которого состоят из двойного слоя молекул, обращённых заряженными группами в сторону водной фазы.
Поскольку над проблемой происхождения жизни работают учёные из разных областей, каждый оперирует терминами близкой ему науки. Химики обязательно вспомнят слово „катализатор“, математики — „информация“. Биологи будут считать живой систему, содержащую вещество (генетическую программу), которое может копироваться (или, по-простому, размножаться). При этом необходимо, чтобы в ходе такого копирования могли происходить некоторые изменения наследственной информации и возникать новые варианты систем, т. е., должна существовать возможность эволюции. Ещё биологи обязательно заметят, что такие системы должны быть пространственно обособленны. Иначе возникшие более прогрессивные системы не смогут воспользоваться своими преимуществами, поскольку их более эффективные катализаторы и другие продукты будут беспрепятственно „уплывать“ в окружающую среду.
Почему же именно РНК мы называем праматерью ныне существующей жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, где проходит граница между живым и неживым.
Кого считать «живым»?
РНК также могут формировать спирали из двух цепочек, похожие на спирали ДНК, однако в большинстве случаев РНК существуют в виде сложных структур-клубков. Структуры эти формируются не только за счёт образования упомянутых водородных связей между разными участками РНК, но и благодаря оксигруппе рибозы, которая может образовывать дополнительные водородные связи и взаимодействовать с фосфорной кислотой и ионами металлов. Глобулярные структуры РНК не только внешне напоминают белковые структуры, но и приближаются к ним по свойствам: они могут взаимодействовать с самыми разными молекулами, как маленькими, так и полимерными.
Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — устроены по одному принципу. Это сложные полимерные молекулы, состоящие из множества звеньев, каждое из которых включает в себя сахар, фосфорную кислоту и азотистое основание. Однако различия между ними существуют. В сахаре РНК (рибозе) присутствует OH-группа, в отличие от сахара ДНК (дезоксирибозы). Кроме того, ДНК и РНК отличаются по одному из четырёх азотистых оснований: тимин (T) в ДНК отличается от урацила (U) в РНК наличием метильной группы.Главное отличие нуклеиновых кислот заключается в их углеводной компоненте. В РНК сахар — рибоза, а в ДНК — дезоксирибоза: там, где у ДНК имеется атом водорода (H), у РНК стоит оксигруппа (OH). Результаты таких незначительных, на неискушённый взгляд, различий поражают. Так, ДНК существуют в основном в форме всем известных жёстких спиралей, в которых две цепи ДНК удерживаются вместе за счёт образования водородных связей между комплементарными нуклеотидами.
Прежде чем отправиться к „началу начал“, давайте запасёмся необходимыми знаниями о строении нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой). По своему химическому составу РНК является двойняшкой, хотя и не полным близнецом, ДНК, основного хранителя генетической информации в живой клетке. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимерные макромолекулы, состоящие из отдельных звеньев — нуклеотидов. Скелетом макромолекулы являются молекулы пятиуглеродного сахара, соединённые остатками фосфорной кислоты. К каждой молекуле сахара присоединяется одно азотистое основание. Нуклеотиды, которые различаются между собою только разными азотистыми основаниями, обозначаются буквами A, U, G, C (в РНК) и A, T, G, C (в ДНК).Знаменитая двойная спираль ДНК представляет собой жёсткую структуру. Две цепи ДНК удерживаются вместе за счёт образования множества слабых водородных связей между парами нуклеотидов. Такие подходящие друг к другу молекулы, способные к взаимодействию, называют комплементарными.
Валентин Власов, Александр ВласовЖизнь начиналась с РНК
Комментариев нет:
Отправить комментарий