Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 124
Текст из файла (страница 124)
Эта способность обусловлена комплементарным спариванием оснований нуклеотидных субъединиц, что позволяет одному поли нуклеотиду служить матрицей для образования другого. Как мы узнали из этой и предыдущей глав книги, такие механизмы матричной комплементарности лежат в основе репликации и транскрипции ДНК в современных клетках. Но для эффективного синтеза полинуклеотидов таким механизмам матричной комплементарности требуются катализаторы, которые должны активировать реакцию полимеризации: без катализаторов образование полимера протекает медленно, подвержено ошибкам и неэффективно.
Сегодня направляемая матрицей полимери зация нуклеотидов активно катализируется ферментами белковой природы, такими как ДНК- и РНК-полимеразы. Как такая полимеризация могла катализироваться прежде — до существования белков с необходимой ферментативной специфичностью? Ответ на этот вопрос забрезжил с открытием в 1982 году того факта, что молекулы РНК сами могут выступать в роли катализаторов. Мы уже видели в этой главе, например, что молекула РНК катализирует одну из важнейших реакций в клетке — ковалентное соединение аминокислот при формировании белка.
Уникальный потенциал молекул РНК служить и носителем информации, и катализатором подводит основание под гипотезу о существовании мира РНК. Таким образом, РНК обладает всеми свойствами, необходимыми молекуле, которая могла бы катализировать многообразие химических реакций, в том числе и те, что ведут к своему же собственному синтезу (рис. 6.99). Хотя самореплици рующиеся системы молекул РНК не обнаружены в природе, ученые уверены, что они могут быть сконструированы в лаборатории. Хотя демонстрация данного факта Рис.
6.99. Молекула РНК, способная катализировать свой собственный синтез. Этот гипотетический процесс требовал бы и катализа производства второй нити РНК с комплементарной последовательностью нуклеотидов, и использования атой второй молекулы РНК как матрицы для образования многочисленных молекул РНК с исходной последовательностью. Красными «подковами» показаны активные участки таких гипотетических РНК-ферментов. не стала бы прямым доказательством того, что самореплицирующиеся молекулы РНК играли определяющую роль в происхождении жизни на Земле, она, несо мненно, показала бы, что такой сценарий вполне возможен. Хотя РНК и кажется весьма подходящим материалом для формирования базового набора самореплицируюшихся биохимических катализаторов, доказа тельств, что именно РНК была первым видом молекул, которые сыграли эту роль, пока нет.
Чисто с химической точки зрения трудно вообразить, сколь долго молекулы РНК могли образовываться в самом начале, когда в их распоряжении были лишь неферментативные пути достижения этой цели. Начнем с того, что предшественники РНК, рибонуклеотиды, трудно образовать неферментативным путем.
Более того, для образования РНК необходимо, чтобы длинный ряд фосфодиэфирных связей 3' — 5' был собран вопреки набору конкурирующих реакций, в том числе гидролиза, а также образования связей 2' — 5' и 5' — 5'. Исходя из этих аргументов, было высказано предположение о том, что первыми молекула ми, которые обладали и каталитической активностью, и способностью хранить информацию, возможно, были полимеры, которые напоминали РНК, но были устроены химически проще (рис. 6.100).
Мы не встречаем никаких следов этих соединений в современных клетках, не оставили такие соединения и записей в палеонтологической летописи жизни. И тем не менее относительная прстстота этих «РНК-подобных полимеров» предполагает, что один из них, а не сама РНК, мог быть первым биополимером на Земле, способным и хранить информацию, и оказывать каталитическое действие. Если гипотеза о мире пред-РНК верна, то должен был произойти переход к миру РНК, и, возможно, это произошло в ходе синтеза РНК с использовани ем одного из таких более простых полимеров одновременно в качестве матрицы и катализатора. И хотя детали миров пред РНК и РНК, вероятно, так и останутся неизвестными, мы знаем наверняка, что молекулы РНК могут катализировать широкий спектр химических реакций, и сейчас мы как раз обратимся к свойствам РНК, благодаря которым это возможно.
Рис.0.103. Рибозим. Эта простая молекула РНК кзтализирует расщепление второй РНК в определенном участке. Такой рибозим встречается встроенным в более крупные РНК-ге номы, — называемые вироидвми, — которые заражают растения. Расщепление, которое происходит в природе в отдаленном месте той же самой молекулы РНК, что содержит рибозим, является одним из этапов ре панка ци и вироиднаго генома. Хотя это и не показано нв рисунке, для протекания такой реакции необходима молекула' МВ в активном участке. !Перервботэно из Т. Я. Сесп апа О. С.
ЦыепвесК ЯГатаге 372: 39-40, 1994. С любезного разрешения издательства Мвсгпйап Раыивегз Стб.) рибозим Зг НК-субстрат СПАРИВАНИЕ МЕЖДУ ОСНОВАНИЯМИ РИБОЗИМА И СУБСТРАТА ! ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ПРОДУКТА РЕАКЦИИ жащим образом свернутая в соответствующую форму, может служить ферментом (рис. 6.103). Подобно некоторым белкам, многие из таких рибозимов работают за счет ионов металлов, РАСЩЕПЛЕНИЕ СУБСТРАТА заключенных в их активных участках Эта осо бснность открывает перел ними более широкий горизонт каталитичсских возможностей на г)юне ограниченного репертуара химических групп в' полинуклеотидной цепи.
Однако в современных клетках, как из вестно, относительно немного каталитичсских РНК, и большая часть наших умозаключений о мире РНК опирается на данные лабораторных экспериментов, в которых создаются болыцие пулы молекул РНК со случайными последова / тельностями нуклеотидов. После этого из их ~ + числа отбирают и изучают те редкие молекулы Раащвппвгь ч1 рибазим нвя РНК Рт РНК, что обладают свойством, заданным экспериментатором (рис, 6.!04). В ходе таких экспериментов созданы молекулы РНК, ко торые могут катализировать широкий диапазон биохимических реакций (табл. 6.5) со скоростями, приближающимися к таковым у белков.
На фоне таких результатов не ясно, почему белковые катализаторы значительно превосходят числом рибозимы в современных клетках. Эксперименты показали, что молекулы Р! 1К могут испыты вать больше трудностей, чем белки, при связывании гибких гидрофобных субстратов; более того, наличие 20 тинов аминокислот против четырех типов оснований может наделить белки бблыцим числом каталитических стратегий. Подобно белкам, молекулы РНК могут претерпевать конформационные из менения — или в ответ на малые молекулы, или на другие РНК. Мы вгыели не сколько примеров этого в рибосоме и снлайсосоме и увидим другие в главе 7, когда представим на суд читателя рибонереключагнели (гтЬотвйгсйез). Одно из наиболее значительных конформационных изменений РНК наблюдалось с искусственным рибозимом, который может существовать в двух совершенно разных конформациях, каждая из которых обладает своим каталитическим действием (рнс.
6.106). После г Имеется в виду нон Мяз'. Прин. перев большой пул молекул двухцепочечной ДНК имеющих различные, случайно созданные нуклеотидные последовательности большой пуп молекул одноцепочечной РНК, имеющих различные, случайно созданные нукпеотидные последовательности ' Й только редкие могюкулы о РНК, способные РЯ самофосфорилироваться, " ' з Р— о '~((~ включают в свой осостав серу ЗЩр)К((д ФО6)Ф(3РИЙИР6)3д(3Н)з(К:., отбрасываем (36(ОЧНО (З)33(з(ЙАЕТ.
молекулы РНК, (ЗК3))9(УП НА3():~:,))((ДРОП',АФИЧВЙЩЙ; КОЗ((3НКЕ; О0РБЕЗ(У КОТО)з(3Й ОФИЩЩД(»1((Д)ДУ)(333з)Г)3ф». которые не смогли связаться в колонке гЗДЮР((З(3ВД(4ЙЙ о -Р-О~~~= о редкие молекулы РНК, обладающие активностью киназы Рис. 6.104. Отбор синтетического рибозима вг из»о. Начав с большого множества случайных молекул нуклеиновых кислот синтезированных в лаборатории, можно выделить и исследовать те редкие молекулы РНК, которые обладают заданной каталитической активностью. Хотя здесь представлен характерный пример (автофосфорилирующий рибозим), разновидности этой процедуры использовались для получения многих рибозимов, перечисленных в таблице 6.5. Во время реакции автофосфорили рова ния РНК находится в достаточно разбавленной концентрации — с целью предотвратить «перекрестное» фосфорилироаание между молекулами РНК.
В действительности, необходимо несколько повторов этой процедуры для отбора очень редких молекул РНК с заданным каталитическим действием. Так, материал, вначале злю ированный из колонки, конвертируют обратно в ДНК, многократно амплифицируют (используя обратную транскриптазу и ПЦР, как объяснено в главе 8), транскрибируют опять в РНК и подвергают повторным раундам селекции. (переработано из 1 й. 1огзс)г апг(1 уу. 5гомаК ага»иге 371: 31 — 36, 1994. С любезного разрешения издательства Масгпй(ап РиЫ!зле»э 1(г(.) бз, алн!р РЦк и пррибксаккви(зекезбки Таблица бли Некоторые биохимические реакции, катализиртемые рибозимами обраЗЕ Иа .Эойсмеипр . Еб ка Р '6 ярНК РОСИМПЛаИИЕРЙК, ЛИПЗРОЕВНИЕ РНК - ' СаМОСПВайСИб)леваЗЕСК РНК,РНаЗаР асррктаеотрббанная'селекцией!як»1йр РНК спиайсииг'УЙК".",..., самосплайсир)!Ющився РНК1 вззмрхею, фмФбФФироеанйв аонк и:днк,:, '" ' ' "'..:::; -"-;; - ФиФЖ4мв бзФгсоёФ амйирайирзйюваичие РЙКс: „, =:-,, ':,:.:,.
„.-...;, .: авзбранйбб(л;ЫФ1»РЙК открытия катализа РНК стало ясно, что РНК является необычайно многофункцио нальной молекулой, и поэтому вполне разумно говорить о сушествовании в пропглом мира РНК с очень высоким уровнем биохимических процессов. 6.3.5. Свмореппнцнру!осцнесн мопекупья подвергв!отсн естественному отбору Трехмерная свернутая структура полинуклеотида влияет на его устойчивость, па оказываемые нм воздействия на другие молекулы и на сто способность ре плпцироваться. Поэтому в любой самореплицнрующейся смеси полинуклеотидов некоторые окажутся особенно эффективными. Поскольку в любом процессе копи рования неизбежно происходят ошибки, время от времени будут возникать новые разновидности последовательностей этих полинуклеотидов. Некоторыс каталитичсские эффекты могли играть чрезвычайно важную роль в ранней эволюции жизни.
Рассмотрим, в частнскти, молекулу РНК, которая по могает катализировать процесс матричной полимеризации, используя любую мо лекулу РНК в качестве матрицы (рис. 6.106), Такая молекула, действуя на копии самой себя, может самореплнцироваться. В то жс время, она может способствовать репликации молекул РНК других типов, «из своего ближайшего окружения» (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
