Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации
|
| |представление |
| |пути происхождения жизни |
| |согласно современной концепции |
| |первичности мира РНК |
Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в
олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же
условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для
образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с
сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней
мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к
спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем транс-
эстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к
удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация
способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли
возникать и каталитически активные молекулы РНК.
Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были
способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение
(сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице,
означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-
катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение
самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались.
Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в
самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого
мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это "самодостаточный
биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как
генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы".
2.2. Возникновение биосинтеза белка
Далее на основе мира РНК должно было происходить становление
механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой
структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и
белковых наборов, возможно, в форме коацерватов и эволюция последних в
клеточные структуры - живые клетки.
Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-
синтезирующему миру - наиболее трудная даже для чисто теоретического
решения. Возможность абиогенного синтеза полипептидов и белковоподобных
веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого
конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под
генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и
белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза,
своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено
несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в
мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально
продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей.
Представленная ниже версия наиболее точно отражает процесса эволюции и
специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка (рис.
3), но и она не претендует на законченность.
Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента,
кажущихся принципиальными.
1. Постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды
активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической
трансэстерификации , приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая
начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и
полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК
(рибозимы), так и другие виды РНК со специализированными функциями (см.
рис. 3). Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов,
комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить
сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую
цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией
мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение)
РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной
активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность)
копирования на комплементарной матрице должна была значительно возрастать.
[pic]
Рис. 3. Схема эволюции и специализации молекул РНК
в процессе перехода от древнего мира РНК к современному миру
генетически детерминированного биосинтеза белков
2. Первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких
видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической
(полимеразной) репликации генетического материала - РНК и ДНК. Этот
первичный аппарат включал:
V каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-
трансферазной активностью;
V набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие
пептиды;
V другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с
каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК (см. рис. 3).
Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи. Среди
прочих каталитически активных белков - первичных ферментов (энзимов) -
появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов - репликазы,
или НК-полимеразы.
Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике
современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования
для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания
механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется
привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д.
Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что
репликация генетического материала и его трансляция - синтез белка -
возникали и эволюционировали одновременно и сопряжено, начиная с
взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-
нуклеотидилатов - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов. Но это
уже следующая сказка... ("И Шахразаду застигло утро, и она прекратила
дозволенные речи".)
3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
3.1. Состав нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, макромолекулы которых состоят
из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их называют
также полинуклеотидами. Важнейшей характеристикой нуклеиновых кислот
является их нуклеотидный состав. В состав нуклеотида - структурного звена
нуклеиновых кислот - входят три составные части:
азотистое основание - пиримидиновое или пуриновое. В нуклеиновых кислотах
содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу
пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает
молекулам основные свойства.
моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав
нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой
пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде,
различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК),
которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие
дизоксирибозу.
остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому,
что в их молекулах содержится фосфорная кислота.
Нуклеотид - фосфорный эфир нуклеозида. В состав нуклеозида входят два
компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание.
В конце 40-х — начале 50-х годов, когда появились такие методы
исследования, как хроматография на бумаге и УФ-спектроскопия, были
проведены многочисленные исследования нуклеотидного состава НК (Чаргафф, А.
Н. Белозерский). Полученные данные позволили решительно отбросить старые
представления о нуклеиновых кислотах, как о полимерах, содержащих
повторяющиеся тетрануклеотидные последовательности (так называемая
тетрануклеотидная теория строения ПК, господствовавшая в 30—40-е годы), и
подготовили почву для создания современных представлений не только о
первичной структуре ДНК и РНК, но и об их макромолекулярной структуре и
функциях.
Метод определения состава ПК основан на анализе гидролизатов,
образующихся при их ферментативном или химическом расщеплении. Обычно
используются три способа химического расщепления НК. Кислотный гидролиз в
жестких условиях (70%-ная хлорная кислота, 100°С, 1ч или 100%-ная
муравьиная кислота, 175 °C, 2 ч), применяемый для анализа как ДНК, так и
РНК, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей и образованию смеси
пуриновых и пиримидиновых оснований. При исследовании РНК могут
использоваться как мягкий кислотный гидролиз (1 н. соляная кислота, 1OO°C,
1 ч), в результате которого образуются пуриновые основания и пирамидиповые
нуклеозид-2'(3')-фосфаты, так и щелочной гидролиз (0,3 н. едкий кали, 37
°С, 20 ч), дающий смесь нуклеозид -2' (3') -фосфатов.
Поскольку в НК число нуклеотидов каждого вида равно числу
соответствующих оснований, для установления нуклеотидного состава данной НК
достаточно определить количественное соотношение оснований. Для этой цели
из гидролизатов с помощью хроматографии на бумаге или электрофореза (когда
в результате гидролиза
| |  скачать работу |
Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации |
