О молекулярной биологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В биологии XX века произошла революция: родилась новая наука - молекулярная биология.

Бесспорно, начало этой революции следует приурочить к определению структуры ДНК. Крик назвал это событие «концом начала». Когда устанавливали структуру генетического кода, Крик сказал, что это - «начало конца». Он имел здесь в виду, что главное в молекулярной биологии уже сделано. С этим вряд ли можно согласиться.

Величайшая загадка молекулярной эволюции еще ждет своего решения. Сегодняшний день в проблеме происхождения жизни - начало начал.

15 миллиардов лет развивалась Вселенная. Из протокапли родились частицы, элементы, звезды, галактика.

Мысль человека сумела объяснить многие процессы, происходящие в неживой природе. Конечно, и в физике элементарных частиц, и в планетной космогонии, и в космологии остаются еще не решенные вопросы. В рамках этой проблемы наибольшее число вопросов вызывают эволюция генетического кода и процесс матричного синтеза белка. Видимо, именно на матричном синтезе замыкается весь круг проблем, связанных с происхождением живых систем.

За многие миллионы лет эволюции живого мира в составе идентичных белков произошли определенные изменения.

Мы видели, что первый этап этого процесса - редупликация генетического материала клетки, молекул ДНК.

Чтобы получилось полноценное потомство, недостаточно просто снять копию с ДНК. Нужно, чтобы дочерняя клетка имела такой же полный запас белков, мембрану, все необходимые клеточные органеллы, как и ее родитель.

В одной клетке кишечной палочки три тысячи типов различных белков. Именно в молекулах ДНК зашифрована вся информация, как их нужно делать. Поэтому-то великое таинство жизни - рождение потомства - и начинается с редупликации ДНК и передачи копии генофонда «по эстафете», от родителей к детям.

Итак, клетке потребовалось построить какой-либо белок. И вот наша молекулярная фабрика берется за дело. По строгому правилу, которое называется центральной догмой, или центральным постулатом молекулярной биологии, последовательно начинают работать отдельные цехи фабрики.

Что же это такое - центральная догма, сформулированная впервые Ф. Криком?

Догма указывает путь передачи информации в живых системах от ДНК до белка. Она (догма) утверждает, что информация о синтезе белков хранится в ДНК. Поток информации начинается тогда, когда информация с ДНК «переписывается» на молекулу РНК. Этот процесс называется транскрипцией, а одноцепочная молекула РНК, которая образуется, как на матрице, на молекуле ДНК, называется матричной, или информационной.

В принципе этот процесс похож на процесс редупликации ДНК, но в случае транскрипции с ДНК считывается лишь определенный, нужный в данный момент клетке участок (ген).

Далее уже на матричной РНК с участием рибосом, определенных ферментов, специальных так называемых транспортных РНК и происходит сборка белковой молекулы. Этот последний этап процесса синтеза белка называется трансляцией.

Центральный постулат утверждает, таким образом, что поток информации во всех живых организмах идет только в одном направлении - от ДНК через РНК к белку. Другими словами, ДНК «знает» о белке все. Белок «не знает» о ДНК и не может повлиять на последовательность нуклеотидов в ДНК. Более того, если бы нашелся организм, функционирующий по принципу белок -> ДНК, это заставило бы нас пересмотреть основные положения молекулярной генетики и биологии. Казалось бы, все просто: есть матрица, а па ней строится белок. Но простоты здесь нет никакой.

Разберем более подробно, каким же образом происходит синтез белковых молекул.

Так же как и при описании репликации ДНК, мы постараемся подчеркнуть нерешенные вопросы в процессах матричного синтеза, чтобы сделать более контрастной стержневую идею о глубине разрыва между макромолекулами и функционирующей клеткой.

Сегодня на основании большого числа опытных данных можно считать твердо установленным, что план построения клеточных белков записан в молекуле ДНК.

К такому выводу ученые пришли, конечно, не сразу, хотя проблема передачи наследственной информации возникла еще во времена Ф. Мишера и Г. Менделя.

Следует отметить, что проблему генетического кода можно рассматривать просто как проблему перевода текста с одного алфавита на другой.

Молекула ДНК тоже текст. Но текст, в алфавите которого используется лишь четыре буквы. В мире живого белковый текст кодируется нуклеиновым.

Рассмотрим процесс кодирования более подробно.

1. Загадка кода

молекулярный биология эволюция код клетка

Итак, первая ступень кодирования - транскрипция. Клетке, чтобы выполнить задачу образования «оттиска» гена - мРНК необходимо для начала расплести двойную спираль ДНК, затем подтащить к одной из расплетенных нитей необходимые нуклеиновые основания и сделать оттиск, реплику с гена. Все, молекула мРНК готова отправиться из ядра клетки к рибосомам.

Разумеется, последовательность аминокислот любого клеточного белка записана в ДНК - на этом правиле зиждется вся современная молекулярная биология.

Итак, чтобы «запустить» процесс транскрипции, клетке нужны определенные белки: репликазы и синтетазы. Эти белки клетка должна сначала построить сама. Она их не может получить непосредственно из пищи. Следовательно, для образования синтетазы клетке нужна та же самая синтстаза.

Какой-то начальный запас синтетаз клетка передаст потомству при своем делении, а дальше уже потомок будет работать сам. У него есть родительские синтетазы и репликазы, а он сможет «запустить» свой матричный синтез. По мере развития потомки «наработают» некий резерв синтетаз и передадут его своим потомкам.

В процессе трансляции ключевую роль играют специальные ферменты, способные «выбирать» из смеси определенную аминокислоту для присоединения к соответствующей тРНК. Структура этого фермента, в свою очередь, определяется (как структура любого белка) последовательностью оснований на некотором участке ДНК.

На заключительной стадии синтеза белка на сцене появляются рибосомы и тРНК, структура которых, в свою очередь, определяется некоторым участком ДНК.

Мы видим в этой схеме неразрешимый в эволюционном плане парадокс. Его можно назвать парадоксом курицы и яйца (что было раньше, курица или яйцо) на молекулярном уровне.

Действительно, для синтеза какого-либо белка необходимо несколько специальных ферментов. Но для синтеза любого фермента нужен другой такой же фермент и так далее. Приходится признать, что эта схема не может удовлетворительно объяснить возникновение процесса матричного синтеза, так как получается замкнутый круг, и мы снова и снова приходим к вопросу о том, как возникли гены.

2. Загадка кода-2

Нужно сказать, что современное представление о роли тРНК выработалось не сразу и первоначально основная роль отводилась мРНК как непосредственной матрице для синтеза. Казалось, что пространственные химические связи, или, как говорят химики, стереохимическое соответствие между кодоном и аминокислотой, решают вопрос об аминокислотной последовательности белка.

Адапторная гипотеза Крика явилась первым этапом на пути к выяснению истинной роли тРНК в процессе матричного синтеза. Крик предположил, что аминокислота взаимодействует с матричной РНК не непосредственно, а при помощи некоторых малых молекул, которые он предложил называть адаптерами. Он считал, что адаптеры представляют собой тринуклеотиды, с которыми аминокислота соединяется при помощи ферментативного механизма.

Сейчас ясно, что адаптеры - это не что иное, как транспортные РНК, которые переносят активированные аминокислоты на рибонуклеиновую матрицу и рибосому. Адаптером транспортная РНК названа потому, что она обеспечивает возможность специфического взаимодействия между аминокислотой и матричной РНК.

Основным свойством, определяющим дальнейший механизм сборки аминокислот, является специфическое взаимодействие транспортной и матричной РНК. Аминокислота, связанная с транспортной РНК, уже никак не влияет на дальнейший механизм синтеза. Все последующие процессы определяются только взаимодействием антитикодона транспортной РНК, кодона информационной РНК и рибосомы.

Для нормальной работы любой машины, в том числе и молекулярной машины - клетки, необходимы команды на включение определенных механизмов. Хорошо известно, что молекулы ДНК, РНК и белков существенно различаются по своей длине. Короткие пептиды-белки содержат иногда десятки аминокислотных остатков, а молекула ДНК - миллионы нуклеотидов, матричная РНК - тысячи.

Совершенно ясно, что какой бы этап репликации генетического материала или синтеза белка мы ни взяли необходимым звеном в этом этапе являются весьма специализированные ферменты. Их можно назвать операторными, сигнальными, управляющими белками в широком смысле этого слова. В рамках центральной догмы биологии появление этих ферментов объяснить невозможно. Действительно, если мы не хотим иметь дело, как принято говорить в математике, с бесконечностями, надо признать, что, по всей видимости, существовали еще какие-то механизмы синтеза белка в клетке, которые в настоящее время неизвестны.

Здесь мы подходим к наиболее трудному и принципиальному вопросу - проблеме эволюции кода.

И здесь тем более интересно ознакомиться с глубоким анализом проблемы возникновения и эволюции кода, предпринятым Ф. Криком и Л. Оргелом еще в 1968 году.

Работы Крика и Оргела особенно отчетливо демонстрируют неразрывную связь проблемы кода и проблемы возникновения жизни.

Рассматривая структуру кода, Крик в первую очередь подчеркивает основное свойство кода, не зависящее ни от каких второстепенных деталей: его практическую универсальность.

Для объяснения универсальности кода Крик рассмотрел две гипотезы, хотя возможны различные промежуточные случаи.

На первый взгляд наиболее естественной выглядит так называемая теория стереохимического соответствия. Согласно этой теории аминокислота имеет химическое «сродство» к соответствующему кодону молекулы матричной РНК. Были проделаны работы с использованием пространственных моделей молекул для подтверждения этой гипотезы. Однако Крик считает эти попытки малоубедительными, так как в построении моделей были допущены ошибки.

3. Загадка кода-3

Более привлекательной выглядит идея о стереохимическом соответствии между аминокислотой и антикодоном на молекуле транспортной РНК. Следует отметить, что экспериментальные данные здесь очень противоречивы, и на основании этого Крик делает вывод, что стереохимическое соответствие не является общим механизмом в процессе трансляции, а наблюдается в нескольких особых случаях. По крайней мере, в сегодняшнем механизме матричного синтеза стереохимическое соответствие между аминокислотой и антикодоном тРНК играет заметную роль, хотя для некоторых аминокислот оно могло иметь определенное значение в прошлом.

При обсуждении возможных примитивных механизмов синтеза белка прежде всего возникает вопрос о роли неинформационных, транспортной и рибосомальной, РНК и активизирующих ферментов.

Крик предполагал, что транспортные РНК и рибосомальная РНК играли центральную роль в примитивном механизме синтеза белка. Прарибосомы согласно этой гипотезе состояли полностью из РНК. Синтез белка мог вначале идти не столь точно, как сейчас.

Однако эта схема также не решает вопроса с происхождением активизующих ферментов (синтетаз и репликаз), хотя можно предположить, что именно на этой стадии стереохимическое соответствие имело существенное значение. Можно также предположить, что примитивные транспортные РНК являлись собственными активирующими ферментами, и первичная машина синтеза работала только на основе нуклеиновых кислот.

Однако стоит отметить, что вопрос о происхождении самих нуклеиновых кислот с нужной для синтеза белка последовательностью оснований и судьбе образовавшихся белков в схеме Крика остается открытым, хотя ученый считает возможным случайное образование таких последовательностей.

Что же касается самого кода, то трудно предположить, что код с самого начала не был триплетным. Ведь в этом случае любые изменения в размере кодона делают всю предыдущую информацию бессмысленной. Более правдоподобна идея о том, что в примитивном коде читались лишь два первых основания из триплета и по-настоящему кодировались только несколько аминокислот, по-видимому, глицин, аланин, серии и аспарагиновая кислота. Можно предположить также, что кодоны работали на группы аминокислот.

В плане этой проблемы исключительно важен вопрос о числе оснований в примитивных нуклеиновых кислотах. Крик, так же как и Оргел, рассматривает примитивную прануклеиновую кислоту, состоящую лишь из двух оснований.

Центральная идея заключается в том, что кодируется лишь несколько аминокислот, один кодон используется для кодирования группы аминокислот. Кодон для аланина, например, мог кодировать также глицин и тай далее.

На этой стадии мог быть создан не очень хороший белок, нескольку в белке использовались не все 20 аминокислот. В этой схеме эволюция состояла в увеличении точности и включении в белок все новых и новых аминокислот.

4. Загадка кода-4

Таким образом, пебиологическая полимеризация аминокислот, по-видимому, предшествовала появлению нуклеиновых кислот.

Именно на основании этого предположения Оргел строит модель жизни без нуклеиновых кислот.

Абиотически синтезированные полимеры аминокислот по мнению Оргела, не могли достичь высокой степени специализации и организации и проявить свойства ферментативной активности. Репликация с помощью белков не могла быть точной, и для построения каждого «сорта» цепи аминокислот требовался новый фермент.

Это не совсем верное предположение, потому что вполне было возможно возникновение неспецифичсского катализа, что снимает основные возражения Оргела против чисто белковой жизни. Во всяком случае, мысль Оргела о неспособности чисто полипептидной системы к направленной эволюции следует считать справедливой, поскольку нет структурной основы для точной репликации.

В качестве второй возможности Оргел предлагает модель жизни, основанной на нуклеиновых кислотах без «белкового кода». При этом он указывает на необходимость анализа двух ключевых процессов: репликации без белков (ферментов) и эволюции без белков.

Комплементарная репликация постулируется Оргелом как свойство внутреннее, присущее молекулам нуклеиновых кислот и зависящее только от их структуры. Доказательство этого положения можно найти в физико-химических свойствах оснований нуклеиновых кислот и их производных - правиле Чаргаффа. Сравнительно недавно биохимики продемонстрировали, что полинуклеотидная цепочка работает как матрица для ориентации мононуклеотидов.

Постулируя нуклеиновую схему, легко получить реплицирующиеся системы, используя, например, полиматрицу аденин-цитозин, которая будет направлять синтез полинуклеотида урацил-гуанин в соответствии с правилом Чаргаффа, и наоборот.

Очень интересен вопрос о том, какого уровня организации может достичь система без синтеза белка и соответственно репликации нуклеиновых кислот.

Здесь Оргел выдвигает ряд интересных идей. Он подчеркивает, что одноцепочечные нуклеиновые кислоты, имея определенную пространственную структуру, могли бы обладать каталитическими функциями. С другой стороны, кажется весьма вероятным, что полинуклеотидные цепи могли осуществлять некоторый отбор среди аминокислот, образуя с ними стереоснецифические комплексы. Но это тоже своего рода тупик, потому что без белков все-таки жить нельзя.

Таким образом, возможность протеиновой жизни ограничена невозможностью достижения уровня генетического механизма, а нуклеиновая жизнь ограничена собственной химической инертностью.

Центральная проблема - возникновение кода, в котором тесно связаны генетический нуклеиновый и функциональный белковый аппараты клетки.

Оргел указывает на очень интересную возможность пути возникновения эволюционирующей системы. Если гипотетический полипептид, состоящий из аминокислот: глицин, аланин, глицин, аланин... и так далее, ускоряет матричную репликацию полимеров, содержащих, например, аденин и урацил, то система, содержащая полиматрицу аденин-урацил, аминокислоты и транспортные РНК, способна развиваться, могут образовываться новые полипептиды.

Таким образом, основная ценность работ Крика и Оргела состоит в том, что ни тот, ни другой не оставляют места необоснованному оптимизму в решении проблемы происхождения жизни. Грандиозная трудность проблемы возникновения кода и его эволюции исключительно наглядно и убедительно продемонстрирована в этих работах.

Удивительное свойство универсальности кода и приводит нас к выводу, что современный механизм наследственности сформировался за поразительно короткий промежуток времени (по сравнению с «возрастом» живых систем) - менее одного миллиарда лет. Этот факт сильно затрудняет решение проблемы происхождения жизни.

Как бы то ни было, сейчас уже видно несколько направлений для работ в области молекулярной эволюции.

Именно теоретическое и экспериментальное моделирование динамических клеточных процессов - самое важное направление в работах по проблеме происхождения жизни.

Вряд ли кто-нибудь, даже самый большой оптимист, считает, что в ближайшее время удастся синтезировать живой организм, однако в полнее возможно, что именно усилия в изучении эволюции механизмов репликации и синтеза уже в ближайшее время, несомненно, принесут большие открытия.

Таким образом, стратегическое направление исследований - изучение возникновения динамической организации - сейчас на начальной стадии. Слишком много сегодня нерешенных вопросов в этой области.

Список используемых источников

1. Гинатулин A.A. Структура, организация и эволюция генома позвоночных. М.:"Наука". 1984, 293 с.

2. Доувер Г., Браун С, Коэн Э., Даллас Дж., Стрэчен Т., Трик М. Динамика эволюции генома и дифференцировка видов// В кн. "Эволюция генома" (под ред. Г. Доувера и Р.Флайвелла). М.: "Мир". 1986. С.329-356.

3. Кимура М. Молекулярная эволюция: Теория нейтральности. М.: "Мир". 1985. 398 с.

4. Левонтин Р. Генетические основы эволюции. М.: "Мир". 1978. 263 с.

5. Ли Ч. Введение в популяционную генетику. М.: Мир. 1978. 555 с.

6. Льюин Б. Гены. М.: Мир. 1987. 544 с.

Размещено на Allbest.ru