Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни

Кандидат биологических наук С. ГРИГОРОВИЧ.

Конечно, зная уже достаточно о ключевой роли белков в клетке, ученые с самого начала догадывались, что в ДНК записана информация именно о белках. Основным местом сборки белков служат рибосомы - специально предназначенные для этой цели структуры в цитоплазме клетки. Рибосомы, как было известно, не связываются с ДНК напрямую. Как же информация с ДНК может проникнуть к рибосомам?

Очевидно, для этого необходима какая-то другая молекула - посредник между ДНК и белками. В 60-х годах ХХ века загадка молекулы_посредника была решена. Ею оказалась молекула, родственная ДНК и названная рибонуклеиновой кислотой (РНК).

Обе нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК - были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследствен ной информации. А наиболее полную информацию об их химическом строении получил Фабус Арон Теодор Левин (1869-1940), американский ученый, родившийся в России и получивший образование в Петербурге.

"Несущей конструкцией" у обеих кислот является так называемый "сахарофосфатный остов", который у ДНК похож на перила спирально закрученной лестницы. Он состоит из остатков сахаров, соединенных между собой в цепочку с помощью остатков фосфорной кислоты. Именно эта конструкция скрепляет и поддерживает структуру молекулы нуклеиновой кислоты.

К молекулам сахаров остова прикреплены азотистые "основания", которые расположены как ступени лестницы (внутри от "перил"). Именно благодаря взаимодействиям между атомами водорода, азота и кислорода азотистых оснований одиночные цепочки ДНК могут объединяться в двухцепочечные структуры.

Нуклеиновые кислоты синтезируются в клетке из нуклеотидов - комплексов азотистого основания, сахара и остатков фосфорной кислоты, служащих универсальными блоками для построения ДНК и РНК. Существуют пять видов азотистых оснований - аденин (обозначаемый на схемах буквой А), тимин (Т), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U). Особенностью взаимодействий оснований, благодаря которым они могут формировать двухцепочечные нити, является их строгая специфичность: А может взаимодействовать только с Т, а G - с С (такое точное соответствие оснований и нитей ДНК называют комплементарностью, а сами нити и основания - комплементарными друг другу).

Отличия между РНК и ДНК сводятся к тому, что в состав сахарофосфатного остова РНК входит сахар рибоза, тогда как у ДНК рибоза "теряет" один атом кислорода и превращается в дезоксирибозу. Кроме того, вместо тимина (Т) в состав РНК входит урацил (U). Урацил отличается от тимина почти так же мало, как рибоза от дезоксирибозы: у него отсутствует лишь боковая метиловая группа (_СН3). Однако такие минимальные отличия в строении РНК и ДНК ведут к существенной разнице в структуре и функциях этих молекул.

Одно из наиболее очевидных различий состоит в том, что РНК большинства организмов, в отличие от двухнитчатой ДНК, существует в виде одной нити. Объясняется это двумя причинами. Во-первых, у всех клеточных организмов отсутствует фермент для катализа реакции образования РНК на матрице РНК. Такой фермент есть лишь у некоторых вирусов, гены которых "записаны" в виде двухнитчатой РНК. Остальные организмы могут синтезировать молекулы РНК только на ДНК-матрице. Во-вторых, из-за потери метильной группы урацилом связь между ним и аденином получается малоустойчивой, поэтому "удержание" второй (комплементарной) нити для РНК также является проблемой.

В силу вынужденной однонитчатости РНК, в отличие от ДНК, не закручивается в спираль, а благодаря взаимодействиям внутри одной и той же молекулы образует структуры типа "шпилек", "головки молотка", петель, крестов, клубков и прочего.

РНК копируется с ДНК по тем же законам, которые управляют синтезом самой ДНК: каждому основанию ДНК соответствует строго комплементарное основание в строящейся молекуле РНК. Однако, в отличие от копирования ДНК, когда копированию (репликации) подвергается вся молекула, РНК копирует лишь определенные участки на ДНК. В подавляющем большинстве эти участки являются генами, кодирующими белки. Для нашего рассказа важно, что благодаря такому выборочному копированию молекулы РНК всегда короче, а у высших организмов гораздо короче своих "сестер" - ДНК. Также важно то, что ДНК в водных растворах более устойчива, чем РНК. Различия во времени их полужизни (то есть времени, за которое разрушается половина данного количества молекул) составляют тысячи раз.

Итак, к середине 60-х годов ХХ века науке стали известны подробности функционирования двух молекул, которые более, чем белки, подходили для роли "молекул первожизни", - ДНК и РНК. Обе они кодируют генетическую информацию, и обе могут использоваться для ее переноса. Но одно дело - возможность нести информацию, и совершенно другое - способность передавать ее потомкам самостоятельно, без посторонней помощи. Во всех современных живых системах, от вирусов до высших животных, ДНК или РНК "пользуются услугами" белков-ферментов для того, чтобы быстро и эффективно, с помощью катализа, передавать свою закодированную информацию в ряду поколений. Ни одна из нуклеиновых кислот в современном мире не может копировать себя самостоятельно. Могла ли такая же кооперация существовать при зарождении жизни на Земле? Как образовалась триада сотрудничающих молекул - ДНК, РНК и белков, на которой построена вся современная жизнь? Кто и почему мог стать "прародителем" этих трех "молекулярных китов"?

МИР РНК

Мы остановились на деталях строения РНК неслучайно. В конце ХХ века произошел очередной переворот в теории возникновения жизни, "виновницей" которого как раз и стала эта молекула, до того времени казавшаяся тщательно изученной и достаточно предсказуемой.

Началась эта история в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены необычные ферменты: они включали в свой состав кроме белка еще и молекулу РНК. В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав. Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата (то есть той молекулы, которая и подвергается изменению), а саму катализируемую реакцию выполняет белок.

Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.

Но, может быть, все дело в неэффективной очистке РНК, при которой на ней все же остается какой-то неуловимый, минимальный кусочек белка, способный осуществлять катализ?

Последним, самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию.

Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами (по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами). За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии.

Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: "фаворитом" стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить.

Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения (репликации). Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции.

Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков - соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы - структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, - появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков.

Совсем недавно были сделаны наблюдения, приведшие к еще одной сенсации. Оказывается, РНК не только катализирует химические реакции, но и защищает клетки растений и низших животных от вторжения вирусов. Эту функцию выполняет особый класс РНК - так называемые короткие, или малые, РНК, названные так потому, что их длина обычно не превышает двадцати одного "звена"-нуклеотида. У высших животных, например у млекопитающих, малые РНК также не остаются без работы и могут участвовать в регуляции считывания генной информации с хромосом. (Подробнее о малых РНК, открытие которых в 2002 году, по мнению одного из ведущих научных журналов - "Science", стало "прорывом года", можно почитать на сайте российской Научной Сети www.nature.ru.)

Как видим, имеется много достаточно веских теоретических доводов, чтобы считать молекулу РНК основоположницей жизни на Земле. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт, придумавший в свое время один из первых методов "побуквенного чтения" (секвенирования) ДНК, ввел в оборот выражение "мир РНК", имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни.

Однако все ли так безоблачно и ясно в гипотезе о "мире РНК"? Ситуация перестанет казаться столь однозначной, как только мы немного углубимся в детали…

Читайте в любое время

Другие статьи из рубрики «Гипотезы, предположения, факты»

Детальное описание иллюстрации

Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena. Участки РНК, обозначенные оранжевым цветом, комплементарны, и потому они взаимодействуют друг с другом, образуя короткие двойные цепочки. Дальние взаимодействия участков РНК, приводящие к формированию более сложной трехмерной пространственной структуры рибозима, выделены голубым цветом. Некомплементарные участки цепи РНК отмечены зеленым цветом. Удивительное свойство рибозима состоит в том, что он способен к автокаталитическому вырезанию самого себя из более длинной молекулы РНК. Участки, остающиеся после такого автокаталитического расщепления РНК, окрашены на рисунке в серый цвет.
Схематическое изображение рибосомы - молекулярной машины для синтеза белка. Последовательность из трех нуклеотидов кодирует определенную аминокислоту. Рибосома 'считывает' код и присоединяет нужную аминокислоту к строящейся пептидной цепочке. На рисунке аминокислоты обозначены буквами: М - метионин, R - аргинин, S - серин.
В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли. Нижняя колба с водой представляла собой 'океан'; при нагревании пары воды поднимались вверх и попадали в другой сосуд, содержащий характерную для первобытной атмосферы смесь газов - метана (CH<SUB>4</SUB>), аммиака (NH<SUB>3</SUB>) и водорода (H<SUB>2</SUB>). Когда через 'атмосферу' пропускали электрические разряды ('молнии'), в газовой смеси начинались химические реакции. Водорастворимые продукты реакций конденсировались в холодильнике и стекали в 'океан'. В этом эксперименте удалось получить сложные органические соединения, включая сахара и аминокислоты. Позднее было показано, что, если добавить в реакционную смесь цианиды, среди продуктов появляются азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот.



Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее