Автор работы: Пользователь скрыл имя, 15 Октября 2013 в 23:27, курс лекций
Живые клетки состоят из ограниченного набора химических элементов, причем на долю некоторых из них (C, H, O, N, P, S) приходится более 99% общей массы клеток. Химический состав клеток, существенно отличающийся от состава земной коры, свидетельствует о способности биологических систем осуществлять химические реакции особого рода. Соединение, которое живые клетки содержат в наибольшем количестве – это вода.
Механизмы комплементарного матричного копирования занимают центральное место в процессах переноса информации в биологических системах. Генетическая информация каждой клетки закодирована в последовательности оснований в молекулах полинуклеотидов, и эта информация передается из поколения в поколение благодаря комплементарному спариванию оснований.
Для быстрого образования полинуклеотидов in vitro необходимо наличие специфических ферментов (например, ДНК-полимераз), которых в «пребиотическом бульоне» наверняка не было. Однако в этом бульоне могли присутствовать минералы, ионы металлов (возможно Mn2+ и Mg2+), способные служить катализаторами, хотя и намного менее эффективными, чем полимеризующие ферменты. Кроме того нужно иметь в виду, что катализаторы лишь ускоряют реакции, которые могут идти и без них, но существенно медленнее. Таким образом, в пребиотических условиях на Земле, вероятно, стало возможным возникновение и существование медленно реплицирующихся систем полинуклеотидов [9].
Любой процесс копирования неизбежно связан с возникновением ошибок, приводящих к размножению неточных копий оригинала. Следовательно, при многократных циклах репликации полинуклеотида, образующаяся последовательность будет существенно отличаться от исходной. Таким способом формируется огромное разнообразие молекул. В случае РНК эти молекулы будут характеризоваться и различными функциональными свойствами, поскольку последовательность оснований - не просто цепочка символов. Молекулы РНК, обладающие разной нуклеотидной последовательностью, должны обладать выраженной химической индивидуальностью, влияющей на их поведение. Каждая измененная молекула в соответствии с конкретной последовательностью будет приобретать в растворе вполне определенную конформацию. Дело в том, что основания в составе РНК могут не только спариваться со свободными нуклеотидами среды, но могут образовывать комплементарные пары в пределах самой молекулы РНК.
Из-за подобных взаимодействий возникают различные трехмерные структуры, и каждая молекула в целом приобретает уникальную конформацию, полностью зависящую от специфической нуклеотидной последовательности. Схематическое изображение одного из таких теоретически возможных конформеров приведено на рис. 1.4. В свою очередь, пространственная трехмерная укладка полинуклеотида не может не влиять на его стабильность и на способность реплицироваться. Поэтому далеко не все молекулы в реплицирующейся смеси одинаково успешно смогут размножаться. В лабораторных экспериментах было показано, что реплицирующиеся молекулы РНК подвержены своеобразному естественному отбору, в результате которого в зависимости от создаваемых условий начинает преобладать та или иная последовательность.
Рис. 1.4 Возможная трехмерная структура молекулы РНК. В результате спаривания нуклеотидов, расположенных в разных участках одной и той же рибополинуклеотидной цепи, вся молекула приобретает определенную конформацию (Alberts B. et al., Molecular biology of the cell, New York, Garland, 1989).
Таким образом, молекула РНК обладает двумя важнейшими свойствами: - закодированная в последовательности нуклеотидов информация передается в процессе репликации, а уникальная пространственная структура определяет характер взаимодействия с другими полинуклеотидными молекулами и реакцию на внешние условия. Оба этих свойства - информационное и функциональное - являются необходимыми предпосылками эволюционного процесса [9].
Для каждой реплицирующейся молекулы РНК критическим компонентом среды является набор других молекул РНК в системе. Кроме того, что эти молекулы являются матрицами, определяющими собственную репликацию, они могут катализировать следующие процессы [10]:
Можно предположить, что некоторые из перечисленных реакций имели первостепенное значение в первичном бульоне. Например, определенная каталитическая РНК, действуя на собственные копии, обеспечивала свою репликацию более эффективно. С другой стороны, находящиеся в растворе другие молекулы РНК, могли способствовать репликации первой молекулы. Если эти благоприятные эффекты взаимосвязаны, то различные типы РНК, обладающие той или иной специфичностью в отношении катализируемой реакции, должны были сформировать кооперативную систему, которая реплицировалась с необычайно высокой эффективностью. Схема трех последовательных стадий эволюции самореплицирующейся системы молекул РНК, способных направлять даже синтез белков приведена на рис. 1.5.
Рис. 1.5 А – каталитическая молекула РНК соединяет нуклеотиды для воспроизведения собственной нуклеотидной последовательности. В – семейство каталитических молекул РНК, в котором одна из них преимущественно катализирует репликацию других РНК. С – появление новых каталитических РНК, способных присоединять к себе активированные аминокислоты. Вследствие комплементарного спаривания с кодирующей молекулой РНК последовательность таких РНК действует как матрица для синтеза полимеров из аминокислот, в результате чего появляются первые генетически детерминированные последовательности белков. Таким образом, РНК служат первыми посредниками между последовательностями нуклеотидов и аминокислот (Alberts B. et al., Molecular biology of the cell, New York, Garland, 1989).
Итак, предполагается, что 3,5-4 млрд. лет
назад самореплицирующиеся
Несмотря на то, что
структура полинуклеотидов
Можно считать весьма вероятным, что полипептиды со случайными аминокислотными последовательностями, возникавшие под воздействием пребиотических синтетических механизмов, уже могли проявлять каталитические свойства и, в частности, могли облегчать репликацию РНК. С другой стороны, те полинуклеотиды, которые способствовали синтезу полезных для них полипептидов должны были приобрести большее преимущество [11]. В главе «Трансляция» будет рассмотрен биохимический аппарат современной клетки, осуществляющий синтез белка. В настоящее время механизм синтеза полипептидных цепей характеризуется высокой степенью сложности, а сам процесс нуждается в участии различных макромолекул (иРНК, рРНК, тРНК, ферментативный аппарат) и белковых факторов.
На сегодняшний день представляется вероятным, что РНК примитивным способом могла обеспечивать первичный синтез белков. Очевидно в пребиотических условиях, предшественники информационных и транспортных РНК направляли примитивный синтез полипептидов без помощи белков (рис. 1.5 С). Каталитическая функция молекул РНК подтверждается тем фактом, что в современных рибосомах рибосомной РНК принадлежит роль главного катализатора процесса синтеза белка.
Синтез специфических белков под управлением РНК потребовал «разработки» кода, определяющего соответствие (колинеарность) последовательности нуклеотидов последовательности аминокислот в белке. Код был «выбран», вероятно, случайно и до сих пор остается фактически одинаковым у всех живых организмов. Это наводит на мысль, что все современные клетки являются потомками одной примитивной линии клеток, сумевших разработать эффективный механизм синтеза необходимых ей белковых катализаторов [12].
Как только эволюция нуклеиновых кислот продвинулась до кодирования ферментов, обеспечивающих их собственное воспроизведение, распространение репликативной системы должно было резко ускориться.
Одним из решающих событий, приведших к формированию первой клетки, очевидно, было формирование внешней мембраны. Вполне понятно, что белки, синтезируемые под контролем РНК определенного типа не могли бы в полной мере облегчить воспроизведение именно этих молекул РНК, если бы не находились поблизости от них. Более того, до тех пор, пока белки свободно диффундировали среди реплицирующихся молекул РНК, они, в принципе, могли способствовать размножению любого типа конкурирующей РНК. Если возникала РНК, кодирующая лучший тип синтезирующего фермента, то он был лишен возможности именно избирательно обеспечивать выживание этой измененной РНК. Отбор молекул РНК по качеству создаваемых ими белков не мог начаться раньше, чем появился некий замкнутый компартмент, заключающий в себе и кодирующую РНК и соответствующие белковые продукты.
Важнейшая роль в эволюции клеточных мембран принадлежит классу амфипатических соединений, обладающих простым физико-химическим свойством: одна часть молекулы гидрофобна, а другая – гидрофильна. Когда такие соединения находятся в водной фазе, они спонтанно агрегируют с образованием бислойных структур в виде небольших везикул, в которых гидрофобные части молекул приходят в контакт друг с другом, а гидрофильные части контактируют с водой. Таким образом бислойные везикулы изолируют водное содержимое от внешней среды. Если эффективно реплицирующаяся РНК заключена в липидном компартменте, то любой кодируемый ею белок будет использоваться для повышения скорости и точности копирования только этой РНК.
Все ныне существующие клетки окружены плазматической мембраной, состоящей из амфипатических молекул, представленных главным образом фосфолипидами.
Не совсем ясно в какой момент эволюции биологического катализа были сформированы клетки. Они могли появиться, когда молекулы фосфолипидов пребиотического бульона случайно собирались в мембраноподобные структуры, которые также случайно заключали в себя самореплицирующиеся смеси каталитических молекул РНК. Однако, принято считать, что катализируемый примитивный синтез белков осуществлялся до появления клеток. В любом случае, как только самореплицирующиеся смеси каталитических молекул РНК и соответствующих белков оказались заключенными в замкнутую мембрану, молекулы РНК начали эволюционировать не только на основе совершенствования своей структуры и функции, но также воздействуя на другие молекулы компартмента. Нуклеотидные последовательности РНК могли теперь влиять на признаки всего компартмента, т.е. целой клетки.
Первые клетки на Земле, по-видимому, содержали очень небольшое количество компонентов и делились значительно медленнее современных. Существует и более значительное отличие между примитивными клетками и ныне существующими: – генетическая информация в современных клетках хранится в ДНК, а не в РНК. В современных клетках присутствуют оба типа нуклеиновых кислот, но в ходе эволюции они специализировались, выполняя свои уникальные функции, каждая. Незначительные химические отличия делают их приспособленными для решения разных задач.
Дезоксирибонуклеиновая кислота используется для хранения генетической информации по ряду причин:
- молекула ДНК химически более стабильна, чем молекула РНК;
- в молекуле ДНК отсутствует одна гидроксильная группа, что делает ее более устойчивой к гидролизу, чем РНК;
- ДНК существует
в виде двухцепочечной
- используя
принцип комплементарности,
Существующие на сегодняшний день представления об эволюции первобытных молекул можно выразить следующим образом. Генетические и каталитические свойства РНК позволяют предположить, что именно эти молекулы первыми включились в эволюцию. После возникновения достаточно эффективного механизма синтеза белка ДНК приняла на себя генетическую функцию, при этом белки стали катализаторами, а РНК сохранилась, главным образом, как промежуточное звено между ними. ДНК стала необходимой в качестве главной информационной молекулы только тогда, когда клетки значительно усложнились и для них потребовалось больше генетической информации, чем та, которую могли стабильно обеспечить молекулы РНК.
[1]. Sharon N., Carbohydrates, Sci. American, 1980, 243, 90-116
[2]. Robertson R.N., The lively membranes, Cambridge, U.K., Cambridge University Press, 1983
[3]. Hess B., Markus M., Order and chaos in biochemistry, Trends Biochem. Sci., 1987, 12, 45-48
[4]. Racker E., From Pasteur to Mitchell: a hundred years of bioenergetics, Fed. Proc., 1980, 39, 210-215
[5]. Schlenk F., The ancestry, birth, and adolescence of ATP, Trends Biochem. Sci., 1987, 12, 367-368