Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 125
Текст из файла (страница 125)
6.107). Если некоторыс из таких находяшихся по соседству Р! 1К обладак~т каталитическнми действиями, которые помогают выживанию РНК каким либо иным образом (катализируя производство рибонуклеотидов, например), то набор из молекул РНК различных типов, каждая из которых специализирована на вы полнении определенной задачи, мог доэволюпионировать до кооперативной сисп мы, которая реплицируется с необычайно высокой эффективностью.
Но для того чтобы какая либо из таких кооперативных систем могла эво люционировать, молекулы РНК должны совместно присутствовать в какой либо полости (компартмснтс). Например, набор взаимно выгодных РНК (таких как ее юе Р ° е У Р еееееее еяке 'еееееееееее » Р е еье» е Ф Р «ееее Ф з' фолд лигааы Рис.
8.105. Молекула РНК, которая сворачивается в два разных рибозима. Эта 88-нуклеотидная РНК, созданная в лаборатории, может свернуться в рибозим, ноторый выполняет реакцию самолиги рова ния (слева), или в ри Воз им, который осуществляет реакцию само расщепления (справа]. В ходе реакции лигиро ванна образуется фосфодиэфирная связь 2' — 5' и высвобождается пирофосфат.
Эта реакция «сшивает» разрыв (серый фон), который был экспериментально введен в молекулу РНК. В реакции, выполняемой вирусом гепатита О (ННО), РНК расщепляется в этой же позиции, указанной стрелкой. Это расщепление напоминает то, что было использовано в цикле жизни ННО (сателлит вируса гепатита В) — отсюда и название укладки. Каждый нуклеотид представлен цвеглной гпочкоб, причем цвета просто помогают отличать эти два разных образца укладки. Свернутые структуры иллюстрируют вторичные структуры этих двух рибозимов, где области спаривания оснований обозначены близко стоящими в паре цветными гпочкомм Обратите внимание, что укладки этих двух рибозимов не имеют общих элементов вторичной структуры.
(Переработано из Е. А. 5сьц!тез апд О. Р. Вагте!, 5сгелсе 285к 448-452, 2000. С любезного разрешения издательства ААА5.) представленные на рис. 6.107) мог бы сам себя реплицировать, только если все эти РНК оставались бы по соседству с РНК, которая специализируется на матричной полимеризации.
Ьолее того, компартментализация стала бы барьером для вторже ния в систему паразитических молекул РНК. Так что отбор набора молекул РНК согласно способности самореплицирующихся систем производить ту или иную продукцию не мог быть эффективным до тех пор, пока эволюцией не был рожден некий компартмент, заключивший их в свое лоно. Ранняя, грубая форма компартментализации могла представлять собой просю адсорбцию на поверхностях илп частицах. Потребность в более замысловатых типах компартмента с легкостью удовлетворялась классом малых молекул, которые обладают нехитрым физико-химическим свойством агчфифильности, то есть состоят из гидро фобной (водонерастворимой) части и гидрофильной (водорастворимой) части.
Когда такие молекулы помещают в воду, они объединяются в агрегаты, как можно плотнее ,аз( е,' ' ' ° в~ ее Ь ~' е' вваРРРР е з' в2'нОве( 5 ' ° уег Ф Ф ° Рева 1 3 б А А А А А 6 А б) сдддн Рис. 6.106. Созданный в лаборатории рибозим, который может катализировать матричный синтез РНК из нуклеозидтрифосфатов. о) Схема рибозима и одного шага катализируемой им реакции матричной полимеризацни. 6) Нуклеотидная последовательность рибозима с обозначенными на ней парами оснований. Хотя этот рибозим не отличается особой эффективностью (он может синтезировать лишь короткие отрезки РН К), он добавляет правильное, предписанное матрице й основание более чем в 95 ть случаев. (Заимствовано из уу. К.
!онпз!оп ет а(., 5сгелсе 292: 1319 — 1325, 2001. С любезного разрешения издательства АДА5.) примыкая друг к другу своими гилрофобными частями, а гидрофильньныс выставляя в воду. Лмфифильные молекулы соответствующей формы самопроизвольно обьединя кпся в двойные слои, или бислои, соз давая маленькие замкнутые пузырь ки (везикулы), водное содержимое которых отделено от внешней среды (рис. 6.
(О((). Это явление можно про демонстрировать в пробирке, просто смешивая фосфолипилы и воду друг с другом — при соответствующих усло виях образуются маленькие пузырьки. Все современные клетки окружены -:~ ~~~ ~~-= затравка ... ",$$$;.в- — т РНК- АООООАООО матрица 3 5 | поступающий ) нукпвозидтрифосфат рибозим а) б Рис. 6.107.
Семейство взаимно поддерживающих свое существование молекул РНК. Одна молекула — рибозим, который реплицирует и сам себя, и другие молекулы РНК. Остальные молекулы катализируют второстепенные реакции, необходимые для выживания такой кооперативной системы, — например, синтез р ибо нуклеотидо в для синтеза РН К или фосфолипидовдля разделения пространства на компартменты. «дбНС б 0 6 С 6-С А А С б А С б С А А 6-С А А А 6-С нцбц бсбб цдббббнб С ц А !!!!!! С 6АСАС6СС АОСССС66А6СОО'$$ А А !!!!! Д дц ССНСббс А О 1 А ! 3' А ГС вЂ” А — б — д — б — С) АССДС66 l $$ $$$ 0 ОСЦАС АА6Д600 ббсбСС 0 ! ! ! ! ! ! ! !,, $ А С С66А0600СОСААС \ С С6А А! С-6 66А66СААСС6С6АО б-С ! ! ! ! $ $ ! ! $ ! $ ! 0 А ССОСС66066С6С6$$ Рис.
6.108. Формирование мембраны фосфолипидами. Поскольку зти молекулы имеют гидрофильные головки н липофильные хвосты, на границе раздела масла и воды онн выстраиваются головками к воде, а хвостами к маслу. В воде они объединяются с образованиемм замкнутых двуслойных пузырьков, в которых лнпофильные хвосты находятся в контакте друг с друмоноолой гом, а гидрофильные головки выставлены в воду. плазлгатттческой згелбринои, состоящей из амфифильных молекул — преимущественно фосфолипидов — в такой конфигурации; Фосфопипидный в главе 10 мы рассмотрим зти молекулы во вислой всех подробностях. Самопроизвольная сборка набора ам фифильных молекул, заклктчакзщая в себе самореплицирук~цуюся смесь Р1(К (или пред.
Р11К) и других молекул (рис. 6.109), возможно, сформировала первые охваченные мембраной клетки. Хотя еще не ясно, в какой момент эволюции биологических катализаторов:гто могло произойти и моле кулы Р).)К, запечатанные в замкнутую мембрану, начали зволюпионировать всерьез как носители генетических инструкций: новые варианты могли отбираться не только на основе их собственной структуры, но также и по их воздействию на другие моле кулы в том же компартменте.
Вот тогда нуклеотидные последовательности молекул Р11К и могли начать экспрессироваться, как в целостной живой клетке, в) 1 мкм Рис. 6.109. Инкапсуляция РНК простыми амфифильными молекулами. В этих экспериментах глинн стый минерал монтмориллонит был использован для того, чтобы свести вместе РНК и жирные кислоты. а) Монтморнллоннтовая частица, покрытая РНК (красная), оказалась заключенной в везикулу из жирных кислот (зеленея), б) РНК (красная) в растворе была окружена жирными кислотами (зеленые). Эти эксперименты показывают, что монтмориллонит может сильно ускорять самопроизвольное образование везикул из амфифильных молекул н вовлекать внутрь их РНК. Выдвинута гипотеза, что, в принципе, подобные действия могли привести к появлению первых примитивных клеток на Земле (Заимствовано из М.
М. Напстус ет а)., 5сгепсе 302: 616-622, 2003. С любезного разрешения издательпва ААА5.) 6З. Мир РНК и происхождение жизни 627 6.3.6. Как именно эволюционировал механизм синтеза белка? Молекулярные процессы, лежащие в основе синтеза белка в современных клетках, кажутся нам невероятно сложными. Хотя мы и понимаем большинство из них, онн не дают нам концептуального осознания того пути, которым происходят транскрипция ДНК, репарация ДНК и репликация ДНК. Особенно трудно представить, как синтез белка появился в ходе эволюции, потому что сейчас, как мы видим, он осушествляется сложной взаимосвязанной системой молекул РНК и белков; очевидно, что белки не могли существовать до того, как ранняя версия трансляционного аппарата не вышла в свет. Гипотеза о мире РНК особенно привлекательна потому, что использование РНК и для хранения информации, и для катализа кажется экономически выгодным и несложным по замыслу.
Будучи при тягательной для умов, рисующих в своем воображении красочные картины о первых днях жизни на Земле, эта теория не объясняет, как возникла современная система синтеза белка. Хотя мы можем лишь размышлять о происхождении современного механизма синтеза белка и генетического кода, несколько экспериментальных наблюдений подсказывают нам правдоподобные сценарии. В современных клетках некоторые короткие пептиды (типа антибиотиков) синтезируются без рибосомы; ферменты пептидсинтетазы собирают такие пептиды из аминокислот, располагая их в надлежащей последовательности, не прибегая к помоши молекул мРНК в управлении синтезом. Вполне возможно, что такая бескодовая, примитивная версия синтеза белка сначала развилась во время мира РН К, где она катализировалась молекулами РН К. Эта идея не представляет никаких концептуальных трудностей, потому что, как мы видели, в современных клетках образование пептидных связей катализируется РРНК.
Мы знаем также и то, что рибознмы, созданные в лаборатории, могут выполнять специфические реакции аминоацилирования; то есть они способны подобрать конкретной аминокислоте соответствующую ей тРНК. Поэтому вполне возможно, что тРНК-подобные адапторные молекулы, каждая из которых соответствует определенной аминокислоте, могли возникнуть в мире РНК, положив начало генетическому коду. В принципе, другие молекулы РНК (предшественники молекул мРНК) могли служить грубыми матрицами для направления неслучайной полимеризации нескольких разных аминокислот.
Любая РНК, которая помогала проводить синтез полезного полипептида, имела бы большое преимущество в эволюционной Гюрьбе за выживание. Мы можем представить себе относительно неспецифичный рибозим пептидилтрансферазу, который в течение какого-то времени стал крупнее и приобрел способность размещать заряженные аминокислотами молекулы тРНК точно на матрицах РНК вЂ” и в конечном счете воплотился в современнук> рибосому. Как только в ходе эволюции появился синтез белка, стал возможным переход к миру, в котором правят белки, и в конечном счете оии взяли на себя большинство каталитических и структурных задач — в силу большей м1югофункциональностн, обусловленной наличием 20-ти, а не 4-х различных субъединиц в своем составе. Хотя только что обрисованные сценарии являются лишь умозрительными, известные свойства молекул РНК вполне вписываются в эти гипотетические картины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
