У дома рози Какво е запечатано в звездната РНК на света. Светът на РНК или какво е животът. Геномни тагове и тРНК

рози

Какво е запечатано в звездната РНК на света. Светът на РНК или какво е животът. Геномни тагове и тРНК

Животът започна с РНК

Изследването на нуклеинова киселина е едно от горещите точки в биологията. Благодарение на уникалните свойства на РНК, те все повече се използват в медицината и технологиите. Но засега само тесен кръг от специалисти знае за това.

Рибонуклеинова киселина, иначе - РНК - няма късмет. Той не е толкова широко известен, колкото неговия близък "роднина" - ДНК, въпреки голямото химично сходство. Откритията от последните двадесет години обаче радикално промениха възгледите ни за ролята и функцията на тези, както се оказа, много "сръчни" молекули. Плодът на тези открития беше фундаментално нова идея, че съвременният живот е предшестван от напълно самодостатъчен древен „РНК свят“.

Както обикновено се случва, новите знания, разширявайки хоризонта, породиха много нови въпроси. Какви са били механизмите на "еволюцията" в света на РНК? Защо, къде и как са се появили ДНК и протеините? Как се случи преходът от „света на РНК“ към съвременния свят? Академик Валентин Викторович Власов и неговият син, кандидатът на химическите науки Александър Власов, разказват на читателите за търсенията, които се извършват в тази посока.

Защо поредица от статии, посветени на проблема за произхода на живота, включва статия за РНК, а не за други, по-известни органични молекули - ДНК или протеини? Може би нашите читатели са чували за РНК, но какво? Сигурни сме, че нищо забележително - поради една проста причина: досега само биолозите знаят, че именно РНК е "магическата" молекула, която е дала началото на живота. Че някога в древността, на току-що охладнела Земя, е възникнал и е съществувал мистериозен „свят на РНК“...

Преди да се отправим към "началото на началата", нека се запасим с необходимите знания за структурата на нуклеиновите киселини - ДНК(дезоксирибонуклеинова) и РНК (рибонуклеинова). По отношение на химичния си състав РНК е близнак, макар и не пълен близнак на ДНК, основният пазител на генетичната информация в живата клетка. Нуклеиновите киселини са полимерни макромолекули, състоящи се от отделни единици - нуклеотиди. Скелетът на макромолекулата е захарна молекула с пет въглерода, свързана с остатъци от фосфорна киселина. Една азотна основа е прикрепена към всяка захарна молекула. Нуклеотидите, които се различават един от друг само с различни азотни бази, се означават с буквите A, U, G, C (в РНК) и A, T, G, C (в ДНК).

Честно казано, никой не мислеше за РНК в продължение на много години. Имаше догма, че има клетка, има хромозоми, в които има ДНК - пазител на генетична информация.
В крайна сметка протеините се синтезират върху рибозоми. А РНК - тя е някъде по средата, носител на информация от ДНК - и нищо повече. И тогава заваляха открития, които ни накараха да погледнем на РНК по съвсем различен начин.Основната разлика между нуклеиновите киселини е техният въглехидратен компонент. В РНК захарта е рибоза, а в ДНК е дезоксирибоза: където ДНК има водороден атом (Н), РНК има хидрокси група (ОН). Резултатите от такива незначителни за неопитното око разлики са поразителни. И така, ДНК съществува главно под формата на добре познати твърди спирали, в които две вериги на ДНК се държат заедно чрез образуването на водородни връзки между комплементарни нуклеотиди.

РНК могат също така да образуват двойноверижни спирали, подобни на тези на ДНК, но в повечето случаи РНК съществуват в сложни навити структури. Тези структури се образуват не само поради образуването на споменатите водородни връзки между различни региони на РНК, но и поради рибозната окси група, която може да образува допълнителни водородни връзки и да взаимодейства с фосфорна киселина и метални йони. Глобуларните структури на РНК не само външно приличат на протеинови структури, но и се доближават до тях по свойства: те могат да взаимодействат с голямо разнообразие от молекули, малки и полимерни.

Кой се счита за "жив"?

Защо наричаме РНК прародителката на сега съществуващия живот? За да отговорим на този въпрос, нека разберем къде е границата между живото и неживото.

Тъй като учени от различни области работят върху проблема за произхода на живота, всеки оперира от гледна точка на близка наука. Химиците определено ще запомнят думата "катализатор", математиците - "информация". Биолозите ще обмислят живсистема, съдържаща субстанция (генетична програма), която може да бъде копирана (или, по прост начин, умножена). В същото време е необходимо в хода на такова копиране да могат да настъпят промени в наследствената информация и да възникнат нови варианти на системи, т.е. еволюция. Биолозите също ще забележат, че такива системи трябва да бъдат пространствено изолирани. В противен случай появилите се по-напреднали системи няма да могат да се възползват от техните предимства, тъй като техните по-ефективни катализатори и други продукти ще „отплуват“ в околната среда безпрепятствено.

Как тогава първите молекулярни системи са били изолирани от околната среда? Колониите от молекули могат например да се държат заедно чрез адсорбция върху някаква минерална повърхност или прахови частици. Въпреки това е възможно най-примитивните системи, като съвременните живи клетки, да са имали истинска мембранна обвивка. Факт е, че такава „протоклетка“ с липидна мембрана може да се образува много просто. Много молекули със заредени групи (например мастни киселини) образуват микроскопични мехурчета във водната среда - липозоми. Тази дума трябва да е добре известна на красивата половина от нашите читатели: липозомите се използват широко в козметичните кремове - малки мастни капсули са пълни с витамини и други биологично активни вещества. Но с какво са били пълни древните „протоклетки“? Оказа се, че именно РНК претендира да бъде „плънката“.

РНК може ли всичко?

Животът, без съмнение, трябваше да започне с образуването на "умели" молекули, които могат да се възпроизвеждат и да извършват цялата друга "домакинска работа", необходима за съществуването на клетката. Но нито ДНК, нито протеинът са подходящи за ролята на такива занаятчии. ДНК е отлично хранилище на генетична информация, но не може да се самовъзпроизвежда. Протеините са ненадминати катализатори, но не могат да работят като "генетични програми". Възниква парадоксът на кокошката и яйцето: ДНК не може да се образува без протеин, а протеинът не може да се образува без ДНК. И само РНК, както се оказа, може ВСИЧКО. Но нека не изпреварваме.

Нека разгледаме отдавна известните функции на РНК, свързани с работата ( изразяване) ген в клетката. Когато генът е включен, първо се извършва локално размотаване на ДНК и се синтезира РНК копие на генетичната програма. В резултат на сложна обработка със своите специални протеини се получава матрична РНК ( тРНК), която е програмата за протеинов синтез. Тази РНК се прехвърля от ядрото в цитоплазмата на клетката, където се свързва със специални клетъчни структури - рибозоми, истински молекулярни "машини" за протеинов синтез. Протеинът се синтезира от активирани аминокиселини, прикрепени към специфични трансферни РНК (тРНК), като всяка аминокиселина е прикрепена към собствената си специфична тРНК. Благодарение на тРНК аминокиселината се фиксира в каталитичния център на рибозомата, където се "пришива" към синтезираната протеинова верига. От разгледаната последователност от събития може да се види, че РНК молекулите играят ключова роля в декодирането на генетичната информация и биосинтезата на протеини.

Колкото повече се задълбочавахме в изучаването на различни биосинтетични процеси, толкова по-често откривахме неизвестни досега функции на РНК. Оказа се, че освен процес транскрипции(РНК синтез чрез копиране на участък от ДНК) в някои случаи, напротив, може да възникне ДНК синтез върху РНК шаблони. Този процес, т.нар обратна транскрипция, използват много вируси в развитието си, включително прословутите онкогенни вируси и ХИВ-1, който причинява СПИН.

Така се оказа, че потокът от генетична информация не е, както се смяташе първоначално, еднопосочен – от ДНК към РНК. Ролята на ДНК като първоначално основен носител на генетична информация започва да се поставя под въпрос. Освен това много вируси (грип, енцефалит, пренасян от кърлежи и други) изобщо не използват ДНК като генетичен материал, техният геном е изграден изключително от РНК. И тогава едно след друго заваляха открития, които ни накараха да погледнем на РНК по съвсем различен начин.

На всички "молекули" Master

Най-изненадващо беше откритието на каталитичната способност на РНК. Преди това се смяташе, че само протеини и ензими могат да катализират реакциите. Учените, например, не можаха да изолират ензимите, които разрязват и омрежват някои РНК. След продължителни изследвания се оказа, че РНК вършат страхотна работа да правят това сами. Наричат се РНК структури, които действат като ензими рибозими(по аналогия с ензими, каталитични протеини). Скоро бяха открити голямо разнообразие от рибозими. Те са особено широко използвани за манипулиране на тяхната РНК от вируси и други прости инфекциозни агенти. По този начин РНК се оказват майстори на всички занаяти: те могат да действат като носители на наследствена информация, могат да служат като катализатори, превозни средства за аминокиселини и да образуват силно специфични комплекси с протеини.

Окончателната увереност, че „светът на РНК“ наистина съществува, дойде, след като подробностите за структурата на рибозомните кристали бяха разкрити чрез рентгенов дифракционен анализ. Учените се надяваха да намерят там протеин, който катализира омрежването на аминокиселини в протеинова последователност. Представете си изненадата им, когато се оказа, че в каталитичния център на рибозомите изобщо няма протеинови структури, че той е изцяло изграден от РНК! Оказа се, че всички ключови етапи на биосинтезата на протеина се извършват от РНК молекули. Беше поставена точката в дискусията за възможността за съществуване на "РНК света" като специален етап от биологичната еволюция.

Разбира се, пълната картина тепърва ще се реконструира - има много нерешени въпроси. Например в съвременната клетка активирането на аминокиселините и тяхното прикрепване към съответните тРНК се осъществява от специфични ензимни протеини. Възникват въпроси: може ли тази реакция да се осъществи без участието на протеини, само с помощта на РНК? Могат ли самите РНК да катализират синтеза на РНК от нуклеотиди или добавянето на азотни основи към захарта? Като цяло, след откриването на рибозимите, подобни потенциални способности на РНК вече не са били под съмнение. Но науката изисква хипотезите да бъдат експериментално потвърдени.

Дарвиновата еволюция in vitro

Един добър метод често позволява революция в науката. Същото може да се каже и за метода полимеразна верижна реакция (PCR), което ви позволява да размножавате нуклеинови киселини в неограничени количества. Нека опишем накратко същността на метода. За размножаване на ДНК в PCR метода се използват ДНК ензими. полимераза, т.е. същите тези ензими, които по време на клетъчното възпроизвеждане синтезират комплементарни ДНК вериги от активирани нуклеотидни мономери.

При PCR метода се използва смес от активирани нуклеотиди, ензима ДНК полимераза и т.нар. грундове- олигонуклеотиди, комплементарни на краищата на размножената ДНК. Когато разтворът се нагрее, ДНК веригите се разделят. След това, при охлаждане, праймерите се свързват с тях, образувайки къси фрагменти от спирални структури. Ензимът прикрепя нуклеотиди към праймерите и сглобява верига, която е комплементарна на веригата на оригиналната ДНК. В резултат на реакцията от една двойноверижна ДНК се получават две. Ако повторите процеса, получавате четири вериги, а след n повторения - 2n ДНК молекули. Всичко е много просто.

Изобретяването на PCR и разработването на методи за химичен синтез на ДНК направи възможно създаването на невероятна технология за молекулярна селекция. Принципът на молекулярната селекция също е прост: първо се синтезират много молекули с различни свойства (т.нар. молекулярна библиотека), и след това от тази смес се избират молекули с желаното свойство.

Библиотеките от нуклеинови киселини са смеси от молекули, които са с еднаква дължина, но се различават по нуклеотидна последователност. Те могат да бъдат получени, ако по време на химическия синтез на автоматичен синтезатор всичките четири нуклеотида се добавят едновременно на всеки етап от удължаването на нуклеотидната последователност. Всеки от тях ще бъде включен в нарастващата нуклеинова киселина с еднаква вероятност, което води до 4 варианта на последователности на всеки етап на прикрепване. Ако по този начин се синтезира нуклеинова киселина с дължина n връзки, тогава разнообразието от получени молекули ще бъде 4 на степен n. Тъй като обикновено се използват участъци с дължина 30-60 мономера, в резултат на синтеза се получават от 430 до 460 различни молекули! Цифри, познати само на астрономите.

Тъй като в зависимост от състава нуклеиновите киселини се сгъват в различни пространствени структури, синтезът на статистически последователности дава огромно разнообразие от молекули, които се различават по свойства. От получената ДНК – с помощта на ензима РНК полимераза – се чете РНК. Резултатът е библиотека от вече едноверижни РНК. След това се извършва процедура за подбор: разтворът на РНК преминава през колона, съдържаща неразтворим носител с химически прикрепени целеви молекули, за да се "улови" т.нар. аптамер, т.е. РНК, способна да свързва определени молекули. След това колоната се промива, за да се отстрани несвързаната РНК и след това РНК, задържана в колоната поради свързване с целевите молекули, се отмива (това може да се направи, например, чрез нагряване на колоната).

ДНК копията се правят от изолирана РНК чрез обратна транскрипция и от тях се получават обикновени двойноверижни ДНК молекули. От последния е възможно да се прочетат желаните РНК аптамери и след това да се размножат чрез PCR в неограничени количества. Разбира се, това се случва в идеалния случай, на практика всичко се оказва по-сложно. Обикновено първоначалният препарат на РНК съдържа огромен излишък от "чужди" молекули, от които е трудно да се отървете. Следователно, получената РНК преминава през колоната отново и отново, за да се изолират РНК, които образуват най-силните комплекси с целевите молекули.

По този метод са получени хиляди различни РНК аптамери, които образуват специфични комплекси с различни органични съединения и молекули.

Разгледаната схема на молекулярна селекция може да се приложи за получаване на молекули с всякакви свойства. Например, получени са РНК, които могат да катализират реакциите на синтез на РНК и протеини: добавяне на азотни основи към рибоза, полимеризация на активирани нуклеотиди върху РНК вериги, добавяне на аминокиселини към РНК. Тези изследвания още веднъж потвърдиха, че в условията на предбиологична еволюция РНК молекулите могат да възникнат от произволни полимери.
със специфични структури и функции.

Направете своята поръчка!

Методът на молекулярната селекция има много голям потенциал. С негова помощ е възможно да се реши проблемът с намирането на правилните молекули, дори ако няма първоначална идея как трябва да бъдат подредени такива молекули. Ако обаче измислите процедура за подбор, можете да ги изберете според принципа на необходимите свойства и след това да се заемете с въпроса как се постигат тези свойства. Нека демонстрираме това чрез примера за изолиране на РНК, способни да се свързват с клетъчните мембрани и да модулират тяхната пропускливост.

Древните рибоцити трябваше да абсорбират "хранителни вещества" от околната среда, да премахват метаболитни продукти и да се делят по време на възпроизвеждане.
И всички тези процеси изискват контрол на пропускливостта на мембраната. Тъй като ние вярваме, че не е имало други функционални молекули, освен РНК, в рибоцитите, някои РНК трябва да са взаимодействали с мембраните. От химическа гледна точка обаче те са напълно неподходящи за ролята на регулатори на мембранната пропускливост.

Мембраните на съвременните клетки и липозоми, изградени от мастни киселини, носят отрицателен заряд. Тъй като РНК също са отрицателно заредени, според закона на Кулон те трябва да бъдат отблъснати от липидната повърхност и освен това не могат да проникнат в дълбочината на липидния слой. Единственият известен начин нуклеиновите киселини да взаимодействат с повърхността на мембраните е чрез двойно заредени метални йони. Тези положително заредени йони могат да действат като мостове между отрицателно заредените групи на повърхността на мембраната и фосфатните групи на нуклеиновата киселина. Тъй като такива свързващи взаимодействия са доста слаби, само много голяма нуклеинова киселина може да се свърже с мембраната поради многото слаби връзки към повърхността на мембраната. Така малки врагове завързаха Гъливер за земята с много тънки въжета.

Тук методът на молекулярната селекция помогна на изследователите. От РНК библиотеката беше възможно да се изолират няколко молекули, които много успешно се свързват с мембраните, а при достатъчно висока концентрация дори ги разрушават! Тези РНК имаха необичайни свойства. Те сякаш си помагаха взаимно: смес от молекули от различни видове, свързани с мембраните много по-добре от молекули от същия вид. Всичко стана ясно след изследване на вторичните структури на тези РНК. Оказа се, че те имат цикли с допълващи се области. Благодарение на тези места, "мембранните" РНК могат да образуват общностни комплекси, които са способни да образуват множество контакти с мембраната и да правят неща, които една молекула РНК не може да направи.

Този експеримент за подбор предполага, че РНК има допълнителен начин за придобиване на нови свойства чрез образуването на сложни супрамолекулни комплекси. Този механизъм може да се използва и за поддържане на развиващите се РНК системи под формата на колонии върху повърхности дори преди тези системи да придобият изолираща мембрана.

„Светът на РНК“: беше, е и ще бъде!

Много доказателства сочат, че "РНК свят" е съществувал. Вярно е, че не е съвсем ясно къде. Някои експерти смятат, че началните етапи на еволюцията не са се състояли на Земята, че на Земята са били донесени вече функционално активни системи, които са се адаптирали към местните условия. Въпреки това, с химически
и от биологична гледна точка това не променя същността на въпроса. Във всеки случай остава загадка - в резултат на какви процеси в околната среда са се образували рибоцитите и поради какви компоненти са съществували. В крайна сметка нуклеотидите, необходими за живота на рибоцитите, са сложни молекули. Трудно е да си представим, че тези вещества могат да се образуват в условията на пребиотичен синтез.

Възможно е древните РНК да са били значително различни от съвременните. За съжаление, следите от тези древни РНК не могат да бъдат експериментално открити; говорим за времена, които са милиарди години далеч от нас. Дори скалите от онези времена отдавна са се „разпаднали на пясък“. Следователно можем да говорим само за експериментално моделиране на процеси, които биха могли да възникнат в най-ранните етапи на молекулярната еволюция.

Защо е настъпил преходът от „света на РНК” към съвременния свят? Протеините, които имат много по-голям набор от химични групи от РНК, са най-добрите катализатори и градивни елементи. Очевидно някои древни РНК са започнали да използват протеинови молекули като "оръдия на труда". Такива РНК, които също са били в състояние да синтезират полезни молекули от околната среда за собствените си цели, са получили предимства при възпроизводството. Бяха естествено избрани подходящи аптамери и рибозими.
И тогава еволюцията свърши своята работа: възникна транслационният апарат и постепенно отговорността за катализата премина към протеините. Инструментите се оказаха толкова удобни, че изместиха своите „господари“ от много области на дейност.

Читателят има право да попита: защо изобщо е необходимо да се изучава еволюцията на РНК, след като древният „РНК свят“ е изчезнал? Наистина ли само в името на "чистото изкуство", за задоволяване на интересите на фанатизирани изследователи? Въпреки това, без да познаваме миналото, е невъзможно да разберем настоящето. Изследването на еволюцията и възможностите на РНК може да предложи нови насоки в търсенето на процеси, протичащи в съвременните живи клетки. Например, наскоро бяха открити мощни двойноверижни системи за генна регулация на РНК, с помощта на които клетката се предпазва от вирусни инфекции. Тази древна клетъчна защитна система вероятно скоро ще намери своето място в терапията.

Ето защо не е изненадващо, че в наше време изследванията на нуклеиновите киселини продължават да бъдат една от горещите точки в молекулярната биология. Благодарение на уникалните свойства на РНК, те все повече се използват в медицината и технологиите. Възникналият в незапомнени времена "РНК свят" не само ще продължи да съществува невидимо
в нашите клетки, но и да се прероди под формата на нови биотехнологии.

Редакторите биха искали да благодарят на персонала на Института по химична биология и фундаментална медицина
SB RAS Ph.D. н. В. В. Коваля, д-р. н. С. Д. Мизин и К. Х. н. A. A. Bondar за помощ при подготовката на статията

Няма общоприето определение за живота. Ние познаваме само един живот – земния, и не знаем кои негови свойства са незаменими за всеки живот изобщо. Могат да се приемат две такива свойства. Това е, първо, наличието на наследствена информация, и второ, активното изпълнение на функции, насочени към самоподдържане и възпроизводство, както и получаване на енергията, необходима за извършване на цялата тази работа.

Целият живот на Земята се справя с горните задачи с помощта на три класа сложни органични съединения: ДНК, РНК и протеини. ДНК се зае с първата задача – съхраняването на наследствена информация. Протеините са отговорни за второто: те извършват всички видове активна "работа". Разделението на труда им е много строго.

Молекулите от третия клас вещества - РНК - служат като посредници между ДНК и протеини, осигурявайки четенето на наследствена информация. С помощта на РНК се извършва протеинов синтез в съответствие с "инструкциите", записани в молекулата на ДНК. Някои от функциите, изпълнявани от РНК, са много подобни на тези на протеините (активната работа по четене на генетичния код и протеиновия синтез), други наподобяват функциите на ДНК (съхранение и предаване на информация). И РНК прави всичко това не сама, а с активното съдействие на протеини. На пръв поглед РНК изглежда като „трето колело“. По принцип не е трудно да си представим организъм, в който изобщо няма РНК и всичките му функции са разделени между ДНК и протеини. Вярно е, че такива организми не съществуват в природата.

Коя от трите молекули се появява първа? Някои учени казаха: разбира се, протеините, тъй като те вършат цялата работа в живата клетка, животът е невъзможен без тях. Те възразиха: протеините не могат да съхраняват наследствена информация, а без нея животът е още по-невъзможен! Значи ДНК беше първата!

Ситуацията изглеждаше неразрешима: ДНК не струва нищо без протеини, протеини без ДНК. Оказа се, че трябва да се появят заедно, по едно и също време, а това е трудно да си го представим. За "екстра" РНК в тези спорове почти забравени.

По-късно обаче се оказа, че при много вируси наследствената информация се съхранява под формата на РНК молекули, а не ДНК. Но това се смяташе за любопитство, изключение. Революцията се случва през 80-те години на ХХ век, когато са открити рибозимите - РНК молекули с каталитични свойства. Рибозимите са РНК, които вършат активна работа, тоест това, което протеините трябва да вършат.

В резултат на това РНК се превърна от „почти излишна“ в „почти основна“. Оказа се, че тя и само тя може да изпълнява едновременно и двете основни житейски задачи - съхранение на информация и активна работа. Стана ясно, че е възможен пълноценен жив организъм, който няма нито протеини, нито ДНК, в който всички функции се изпълняват само от РНК молекули. Разбира се, ДНК е по-добра в съхраняването на информация, а протеините са по-добри в „работата“, но това са подробности. РНК организмите биха могли да придобият протеини и ДНК по-късно и в началото да се справят без тях.

Така се появява теорията за света на РНК, според която първите живи същества са РНК организми без протеини и ДНК. И първият прототип на бъдещия РНК организъм може да бъде автокаталитичен цикъл, образуван от самовъзпроизвеждащи се РНК молекули - рибозими, способни да катализират синтеза на собствените си копия.

Лично аз смятам теорията за света на РНК за едно от най-забележителните постижения на теоретичната мисъл в биологията. Честно казано, можехме да се сетим за това по-рано. В крайна сметка два вида рибозими са известни от 60-те години на миналия век, въпреки че тогава не са били наричани рибозими. Това са рибозомна РНК (рРНК), от която са изградени молекулярни "машини" за транслация (синтез на протеини) - рибозоми, и трансферна РНК (тРНК), които при транслацията довеждат необходимите аминокиселини до рибозомите.

Теорията за света на РНК, отначало чисто спекулативна, бързо „добива“ експериментални данни. Химиците са се научили да създават рибозими с почти всякакви желани характеристики. Прави се така. Например, ние искаме да създадем РНК молекула, която може точно да разпознае и да се свърже с вещество X. За да направите това, голям брой различни вериги на РНК се синтезират чрез свързване на рибонуклеотиди един към друг в произволен ред. Разтвор, съдържащ получената смес от РНК молекули, се излива върху повърхност, покрита със субстанция X. След това остава само да се изберат и изследват онези РНК молекули, които са полепнали по повърхността. Технологията е проста, но наистина работи. Приблизително по този начин са получени рибозими, които катализират синтеза на нуклеотиди, добавят аминокиселини към РНК и изпълняват много други биохимични функции.

Светът на РНК е хипотетичен етап от появата на живота на Земята, когато ансамбли от молекули на рибонуклеинова киселина изпълняват както функцията за съхранение на генетична информация, така и катализиране на химични реакции. Впоследствие от техните асоциации възниква съвременният ДНК-РНК-белтъчен живот, изолиран от външната среда чрез мембрана. Идеята за света на РНК беше изразена за първи път от Карл Уозе през 1968 г., по-късно разработена от Лесли Оргел и окончателно формулирана от Уолтър Гилбърт през 1986 г.

Резюме

В живите организми почти всички процеси протичат главно поради ензими от протеинова природа. Протеините обаче не могат да се самовъзпроизвеждат и се синтезират de novo в клетката въз основа на информация, съхранена в ДНК. Но дублирането на ДНК възниква само поради участието на протеини и РНК. Образува се порочен кръг, поради което в рамките на теорията за спонтанното зараждане на живот беше необходимо да се признае изключителното значение не само на абиогенния синтез на двата класа молекули, но и на спонтанното възникване на комплекс система за тяхното взаимно свързване.

В началото на 80-те години каталитичната способност на РНК е открита в лабораторията на Т. Чек и С. Алтман в САЩ. По аналогия с ензимите, РНК катализаторите се наричат рибозими, за тяхното откритие Томас Чек получава Нобелова награда за химия през 1989 г. Освен това се оказа, че активният център на рибозомите съдържа голямо количество рРНК. РНК също могат да се удвояват и да се саморепликират.

Освен това, РНК може да съществува напълно автономно, като катализира ʼʼметаболитниʼʼ реакции, например синтеза на нови рибонуклеотиди и се самовъзпроизвежда, запазвайки каталитични свойства от ʼʼпоколениеʼʼ до ʼʼпоколениеʼʼ. Натрупването на случайни мутации доведе до появата на РНК, които катализират синтеза на определени протеини, които са по-ефективен катализатор, поради което тези мутации бяха фиксирани в хода на естествения подбор. От друга страна възникват специализирани хранилища на генетична информация - ДНК. Между тях като посредник се е запазила РНК.

Ролята на РНК в съвременния свят

Следи от света на РНК са останали в съвременните живи клетки и РНК участва в критичните процеси на клетъчния живот:

1) Основният енергиен носител в клетките - АТФ - е рибонуклеотид, а не дезоксирибонуклеотид.

2) Биосинтезата на протеин почти изцяло се извършва с помощта на различни видове РНК:

информационните РНК са матрицата за протеиновия синтез в рибозомите;

трансферни РНК доставят аминокиселини до рибозомите и прилагат генетичния код;

· Рибозомната РНК е активният център на рибозомите, катализиращ образуването на пептидни връзки между аминокиселините.

3) РНК също е критична за репликацията на ДНК:

· за стартиране на процеса на дублиране на ДНК е необходим RNA-ʼʼseedʼʼ (праймер);

· за безкрайно дублиране на ДНК, неограничено от границата на Хейфлик, в еукариотните клетки, крайните участъци на хромозомите (теломерите) непрекъснато се възстановяват от ензима теломераза, който включва РНК шаблон.

4) В процеса на обратна транскрипция информацията от РНК се пренаписва в ДНК.

5) В процеса на узряване на РНК се използват различни РНК, които не кодират протеини, включително малки ядрени РНК, малки ядрени РНК.

В същото време много вируси съхраняват своя генетичен материал под формата на РНК и доставят РНК-зависима РНК полимераза на заразената клетка за нейната репликация.

Абиогенен синтез на РНК

Абиогенният синтез на РНК от по-прости съединения не е напълно демонстриран експериментално. През 1975 г. Манфред Сампер и Рудигер Луис демонстрират в лабораторията на Айген, че в смес, която изобщо не съдържа РНК, а съдържа само нуклеотиди и Qβ репликаза, самовъзпроизвеждащата се РНК може спонтанно да възникне при определени условия.

През 2009 г. група учени от университета в Манчестър, ръководени от Джон Съдърланд, успяха да демонстрират възможността за синтезиране на уридин и цитидин с висока ефективност и степен на фиксиране на резултата от реакцията (както и с възможността за натрупване на крайни продукти) в условията на ранната Земя. В същото време, въпреки че абиогенният синтез на пуринови бази е демонстриран доста отдавна (по-специално аденинът е пентамер на циановодородната киселина), тяхното гликозилиране от свободната рибоза на аденозин и гуанозин досега е показано само в неефективен вариант.

Еволюция на РНК

Способността на РНК молекулите да еволюират е ясно демонстрирана в редица експерименти. Още преди откриването на каталитичната активност на РНК такива експерименти са били проведени от Лесли Оргел и колеги в Калифорния. Οʜᴎ беше добавен в епруветка с РНК отрова - етидиев бромид, който инхибира синтеза на РНК. Първоначално скоростта на синтеза беше забавена от отровата, но след около девет „поколения от епруветка“ на еволюция, нова порода устойчива на отрова РНК беше отгледана чрез естествен подбор. Чрез последователно удвояване на дозите от отровата се развъжда РНК, която е устойчива на нейните много високи концентрации. Общо 100 поколения епруветки са се променили в експеримента (и много повече поколения РНК, тъй като поколенията се сменят във всяка епруветка). Въпреки че в този експеримент РНК репликаза беше добавена към разтвора от самите експериментатори, Оргел установи, че РНК също са способни на спонтанно самокопиране, без добавяне на ензим, макар и много по-бавно.

По-късно е проведен допълнителен експеримент в лабораторията на немското училище на Манфред Айген. Той открива спонтанното генериране на РНК молекула в епруветка със субстрат и РНК репликаза. Създаден е от постепенно нарастваща еволюция.

След откриването на каталитичната активност на РНК (рибозими), тяхната еволюция в компютърно контролирано автоматизирано устройство е наблюдавана в експерименти от Браян Пегел и Джералд Джойс от изследователския институт Scripps в Калифорния през 2008 г. Факторът, играещ ролята на селективен натиск, е ограничението на субстрата, който включва олигонуклеотиди, които рибозимът разпознава и прикрепя към себе си, и нуклеотиди за синтеза на РНК и ДНК. При изграждането на копия понякога имаше дефекти - мутации - засягащи тяхната каталитична активност (за да се ускори процесът, сместа беше мутирана няколко пъти с помощта на полимеразна верижна реакция, използваща "неточни" полимерази). Молекулите бяха избрани на тази основа: най-бързо копираните молекули бързо започнаха да доминират в средата. След това 90% от сместа се отстраняват и вместо това се добавя свежа смес със субстрат и ензими и цикълът се повтаря отново. За 3 дни каталитичната активност на молекулите се е увеличила 90 пъти поради само 11 мутации.

Тези експерименти доказват, че първите РНК молекули не е трябвало да имат достатъчно добри каталитични свойства. Οʜᴎ се е развил по-късно в хода на еволюцията под влияние на естествения подбор.

През 2009 г. канадските биохимици от университета в Монреал К. Боков и С. Щайнберг, след като са изследвали основния компонент на рибозомата на Escherichia coli, молекулата 23S-rRNA, показват как механизмът на протеиновия синтез може да се развие от относително малки и прости рибозими . Молекулата е разделена на 60 относително независими структурни блока, основният от които е каталитичният център (пептидил-трансферазен център, PTC, пептидил-трансферазен център), отговорен за транспептидацията (образуване на пептидна връзка). Беше показано, че всички тези блокове могат да бъдат последователно отделени от молекулата, без да се разрушава останалата й част, докато остане само един център за транспептидация.
Хостван на ref.rf
Въпреки това, той запазва способността да катализира транспептидацията. Ако всяка връзка между блоковете на молекулата е представена като стрелка, насочена от блока, който не се разрушава при разделяне, към блока, който е унищожен, тогава такива стрелки не образуват един затворен пръстен. Ако посоката на връзките беше произволна, вероятността за това би била по-малка от едно на милиард. Следователно този характер на връзките отразява последователността на постепенно добавяне на блокове в процеса на еволюция на молекулата, която изследователите успяха да реконструират в детайли. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, сравнително прост рибозим, PTC центърът на молекулата 23S-rRNA, към който след това са добавени нови блокове, може да бъде в началото на живота, подобрявайки процеса на протеинов синтез. Самият PTC се състои от две симетрични остриета, всяко от които държи CCA "опашката на една tRNA молекула. Предполага се, че такава структура е възникнала в резултат на дублиране (удвояване) на едно първоначално острие. Функционални РНК (рибозими), способни да катализират транспептидация са получени чрез изкуствена еволюция. Структурата на тези изкуствено получени рибозими е много близка до структурата на проторибозомата, която авторите ʼʼизчислихаʼʼ.

Свойства на световните обекти на РНК

Има различни предположения за това как са изглеждали самовъзпроизвеждащите се РНК системи. Най-често се постулира значението на РНК-агрегиращите мембрани или поставянето на РНК на повърхността на минералите и в пространството на порите на рохкави скали. През 90-те години А. Б. Четверин и сътрудници демонстрираха способността на РНК да образува молекулярни колонии върху гелове и твърди субстрати, когато създава условия за репликация. Имаше свободен обмен на молекули, които можеха да обменят зони по време на сблъсък, което беше показано експериментално. Целият набор от колонии във връзка с това бързо се развива.

След появата на протеиновия синтез колониите, които могат да създават ензими, се развиват по-успешно. Още по-успешни бяха колониите, които образуваха по-надежден механизъм за съхраняване на информация в ДНК и накрая бяха отделени от външния свят чрез липидна мембрана, която предотвратяваше разпръскването на техните молекули.

Пре-РНК светове

Биохимикът Р. Шапиро критикува хипотезата за света на РНК, вярвайки, че вероятността за спонтанно възникване на РНК с каталитични свойства е много ниска. Вместо хипотезата ʼʼв началото е имало РНКʼʼ, той предлага хипотезата ʼʼв началото е имало метаболизъмʼʼ, тоест възникването на комплекси от химични реакции - аналози на метаболитните цикли - с участието на съединения с ниско молекулно тегло, намиращи се вътре в компартментите - пространствено ограничени от спонтанно образувани мембрани или други фазови граници – области. Тази концепция е близка до коацерватната хипотеза за абиогенезата, предложена от А. И. Опарин през 1924 г.

Друга хипотеза за абиогенния синтез на РНК, предназначена да реши проблема с ниската прогнозирана вероятност за синтез на РНК, е хипотезата за света на полиароматните въглеводороди, предложена през 2004 г. и предполагаща синтеза на РНК молекули на базата на стек от полиароматни пръстени.

Всъщност и двете хипотези за ʼʼпред-РНК световетеʼʼ не отхвърлят хипотезата за РНК света, но я модифицират, като постулират първоначалния синтез на репликиращи РНК макромолекули в първичните метаболитни отделения или на повърхността на асоциираните, изтласквайки ʼʼРНК светаʼʼ към втория етап на абиогенезата.

Академикът на Руската академия на науките А. С. Спирин смята, че светът на РНК не може да се появи и съществува на Земята и разглежда варианта за извънземен (предимно на комети) произход и еволюция на света на РНК.

Кандидат на биологичните науки С. ГРИГОРОВИЧ.

В най-ранната зора на своята история, когато човекът придобива разума, а с него и способността да мисли абстрактно, той става пленник на неустоимата нужда да обяснява всичко. Защо слънцето и луната светят? Защо текат реките? как е светът Разбира се, един от най-важните беше въпросът за същността на живите. Рязката разлика между живите, растящи и мъртвите, неподвижни, беше твърде поразителна, за да бъде пренебрегната.

Първият вирус, описан от Д. Ивановски през 1892 г., е вирусът на тютюневата мозайка. Благодарение на това откритие стана ясно, че има живи същества, по-примитивни от клетката.

Руски микробиолог Д. И. Ивановски (1864-1920), основател на вирусологията.

През 1924 г. А. И. Опарин (1894-1980) предполага, че в атмосферата на младата Земя, която се състои от водород, метан, амоняк, въглероден диоксид и водни пари, могат да се синтезират аминокиселини, които след това спонтанно се комбинират в протеини.

Американският биолог Осуалд Ейвъри убедително демонстрира в експерименти с бактерии, че именно нуклеиновите киселини са отговорни за предаването на наследствените свойства.

Сравнителна структура на РНК и ДНК.

Двумерна пространствена структура на рибозима на най-простия организъм Tetrahymena.

Схематично представяне на рибозомата, молекулярна машина за синтез на протеини.

Схема на процеса "еволюция ин витро" (метод Selex).

Луи Пастьор (1822-1895) е първият, който открива, че кристалите на едно и също вещество - винена киселина - могат да имат две огледално-симетрични пространствени конфигурации.

В началото на 50-те години на миналия век Стенли Милър от Чикагския университет (САЩ) прави първия експеримент, който симулира химичните реакции, които могат да протичат в условията на млада Земя.

Хиралните молекули, като аминокиселините, са огледално симетрични, като лявата и дясната ръка. Самият термин "хиралност" идва от гръцката дума "хирос" - ръка.

Теория за света на РНК.

Наука и живот // Илюстрации

На всеки етап от историята хората са предлагали собствено решение на загадката за появата на живота на нашата планета. Древните, които не са знаели думата "наука", са намерили просто и достъпно обяснение за неизвестното: "Всичко, което е наоколо, някога е било създадено от някого." Така се появиха боговете.

От времето на зараждането на древните цивилизации в Египет, Китай и след това в люлката на съвременната наука - Гърция, до Средновековието, наблюденията и мненията на "авторитетите" са служили като основен метод за опознаване на света. Постоянните наблюдения недвусмислено свидетелстват, че живото при определени условия се появява от неживото: комари и крокодили - от блатна кал, мухи - от гниеща храна, а мишки - от мръсно пране, поръсено с жито. Важно е само да се спазва определена температура и влажност.

Европейските „учени“ от Средновековието, разчитайки на религиозната догма за сътворението на света и неразбираемостта на божествените планове, смятаха за възможно да се спори за произхода на живота само в рамките на Библията и религиозните писания. Същността на това, което Бог е създал, не може да бъде разбрана, а може само да бъде "уточнена", използвайки информация от свещени текстове или под въздействието на божествено вдъхновение. Тестването на хипотези по това време се смяташе за лош тон и всеки опит да се постави под съмнение мнението на светата църква се смяташе за неприятно дело, ерес и светотатство.

Познанието за живота стъпваше по вода. Постиженията на философите на древна Гърция остават върхът на научната мисъл в продължение на две хиляди години. Най-значимите от тях са Платон (428/427 - 347 пр.н.е.) и неговият ученик Аристотел (384 - 322 пр.н.е.). Платон, наред с други неща, предложи идеята за оживяване на първоначално неживата материя поради вливането в нея на безсмъртна нематериална душа - "психея". Така се появява теорията за спонтанното генериране на живи същества от неживи същества.

Великата дума за науката „експеримент“ идва с Ренесанса. Отне две хиляди години, за да реши човек да се усъмни в неизменността на авторитетните твърдения на древните учени. Един от първите смелчаци, известни ни, е италианският лекар Франсиско Реди (1626 - 1698). Той провежда изключително прост, но ефективен експеримент: поставя парче месо в няколко съда, единият от тях се покрива с плътна кърпа, други с марля, а третият се оставя отворен. Фактът, че ларвите на мухите се развиват само в отворени съдове (на които мухите могат да кацат), но не и в затворени (които все още имат достъп до въздух), рязко противоречи на вярванията на привържениците на Платон и Аристотел за непонятна жизнена сила, която преминава през въздуха и превръщането на неживата материя в жива материя.

Този и подобни експерименти бележат началото на период на ожесточени битки между две групи учени: виталистите и механистите. Същността на спора беше въпросът: „Може ли функционирането (и появата) на живите същества да се обясни с физически закони, които са приложими и към неживата материя?“ Виталистите му отговориха отрицателно. "Клетка - само от клетка, всичко живо - само от жива!" Тази позиция, изложена в средата на 19 век, се превърна в знаме на витализма. Най-парадоксалното в този спор е, че дори и днес, знаейки за "неживата" природа на атомите и молекулите, които изграждат нашето тяло и като цяло се съгласяват с механистичната гледна точка, учените нямат експериментално потвърждение за възможността за произход на клетъчния живот от нежива материя. Все още никой не е успял да "състави" дори най-примитивната клетка от "неорганични" "детайли", присъстващи извън живите организми. Така че финалната точка в този епохален спор все още не е поставена.

И така, как би могъл да възникне живот на Земята? Споделяйки позициите на механистите, определено е най-лесно да си представим, че животът първо е трябвало да възникне в някаква много проста, примитивно подредена форма. Но въпреки простотата на структурата, тя все пак трябва да е Живот, тоест нещо, което има минимален набор от свойства, които отличават живите от неживите.

Какви са те, тези критични свойства за живота? Какво всъщност отличава живите от неживите?

До края на 19 век учените са били убедени, че всички живи същества са изградени от клетки и това е най-очевидната разлика между нея и неживата материя. Това се смяташе преди откриването на вируси, които, макар и по-малки от всички известни клетки, могат активно да заразяват други организми, да се размножават в тях и да произвеждат потомство със същите (или много подобни) биологични свойства. Първият открит вирус, вирусът на тютюневата мозайка, е описан от руския учен Дмитрий Ивановски (1864-1920) през 1892 г. Оттогава стана ясно, че същества, по-примитивни от клетките, също могат да претендират за правото да се наричат Живот.

Откриването на вируси, а след това още по-примитивни форми на живи същества - вироиди, в крайна сметка направи възможно формулирането на минималния набор от свойства, които са необходими и достатъчни, за да може изследваният обект да се нарече жив. Първо, той трябва да може да възпроизвежда собствения си вид. Това обаче не е единственото условие. Ако хипотетичната първична субстанция на живота (например примитивна клетка или молекула) беше в състояние само просто да произвежда точни копия на себе си, тя в крайна сметка не би могла да оцелее в променящите се условия на околната среда на младата Земя и формирането на други , по-сложните форми (еволюцията) биха станали невъзможни. Следователно нашата предполагаема примитивна "субстанция от първия живот" може да се определи като нещо, което е устроено възможно най-просто, но в същото време способно да променя и предава своите свойства на потомците.

В живите организми почти всички процеси протичат главно поради ензими от протеинова природа. Протеините обаче не могат да се самовъзпроизвеждат и се синтезират de novo в клетката въз основа на информация, съхранена в ДНК. Но дублирането на ДНК възниква само поради участието на протеини и РНК. Образува се порочен кръг, поради което в рамките на теорията за спонтанното зараждане на живот беше необходимо да се признае необходимостта не само от абиогенния синтез на двата класа молекули, но и от спонтанното възникване на комплекс система на тяхното взаимно свързване, чиято вероятност е изключително малка.

Така РНК може да съществува напълно автономно, като катализира "метаболитни" реакции, например синтеза на нови рибонуклеотиди и се самовъзпроизвежда, запазвайки каталитични свойства от "поколение" на "поколение". Натрупването на случайни мутации доведе до появата на РНК, които катализират синтеза на определени протеини, които са по-ефективен катализатор, поради което тези мутации бяха фиксирани в хода на естествения подбор. От друга страна възникват специализирани хранилища на генетична информация - ДНК. РНК се запазва между тях като посредник.

Има различни предположения за това как са изглеждали самовъзпроизвеждащите се РНК системи. Най-често се постулира необходимостта от РНК-агрегиращи мембрани или поставяне на РНК на повърхността на минералите и в пространството на порите на рохкави скали. През 90-те години А. Б. Четверин и сътрудници демонстрираха способността на РНК да образува молекулярни колонии върху гелове и твърди субстрати, когато създава условия за репликация. Имаше свободен обмен на молекули, които можеха да обменят зони по време на сблъсък, което беше показано експериментално. Целият набор от колонии във връзка с това бързо се развива.

Биохимикът Р. Шапиро критикува хипотезата за света на РНК, вярвайки, че вероятността за спонтанно възникване на РНК с каталитични свойства е много ниска. Вместо хипотезата „в началото имаше РНК“ той предлага хипотезата „в началото имаше метаболизъм“, т.е. възникването на комплекси от химични реакции - аналози на метаболитни цикли - с участието на нискомолекулни съединения. възникващи вътре в компартменти - пространствено ограничени от спонтанно образувани мембрани или други фазови граници - области. Тази концепция е близка до коацерватната хипотеза за абиогенезата, предложена от А. И. Опарин през 1924 г.

Всъщност и двете хипотези за "пре-РНК светове" не отхвърлят хипотезата за РНК света, но я модифицират, постулирайки първоначалния синтез на репликиращи РНК макромолекули в първичните метаболитни отделения или на повърхността на асоциираните, изтласквайки "РНК света " до втория етап на абиогенезата.