Вы не вейтесь, Eiweisskörper, над моею головой (часть 4, завершительная?)
Примерно в то же время, когда Сидней Фокс запекал в тиглях аминокислоты, чтобы изготовить протеиноид - полимер, который имитировал продукт абиогенного синтеза на первичной Земле, из которого в свою очередь должны были образовываться предбиологические структуры, несколько ученых предложили гипотезу, которая, как им казалось, позволяет решить главную проблему моделей основанных на идее «вначале был белок».
Мы уже говорили о том, что каким бы белковоподобным ни был продукт абиогенных синтезов, и какими бы ферментативными активностями он ни обладал в результате случайных комбинаций аминокислот в его составе, оставалось неясно, почему удачные комбинации аминокислот будут сохраняться лучше неудачных. Неясно было каким вообще образом может сохраниться «память» о случайно образовавшейся структуре.
Дело в том, что в современных живых клетках информация о структуре белка закодирована в ДНК. Если безмерно упростить то, что нам известно, цепочка оснований ДНК (коих существует четыре вида: аденин, гуанин, цитозин и тимин) является текстом, который точно описывает цепочку аминокислот в некоем белке. Цепочка оснований ДНК, в которой записана структура белка, является геном. Три соседних основания кодируют одну аминокислоту. Так, например, текст ДНК ГЦАГГАААА переводится на язык белка как аланин-глицин-лизин (или Ала-Гли-Лиз). Правда тексты на языках и ДНК, и белка гораздо длиннее; каждый ген содержит сотни и тысячи оснований, а каждый белок содержит обычно сотни аминокислот - по числу их в три раза меньше, чем оснований в кодирующим этот белок гене, но все равно много. Понять это вам поможет серия картинок.
На этой картинке показаны "кирпичики" РНК. Nucleobases=азотистые основания. В соединении с сахаром рибозой они образуют нуклеозиды, а получив фосфатные "хвостики" - нуклеотиды. Последние и есть звенья цепочки РНК, показанной в нижней части картинки. ДНК выглядит похоже на РНК, только в ее состав входит не рибоза, а дезоксирибоза, и одно основание из четырех заменяется на другое. Одно из главных различий структур РНК и ДНК состоит в том, что ДНК обычно находится в составе двойной спирали, а у РНК двуспиральными обычно бывают только отдельные участки.
На следующих картинках схематически изображен перенос структурной информации от гена через РНК к белку. Система переноса и перевода информации с языка гена на язык белка представляет собой великолепную серию машин, каждая из которых состоит из огромного числа подогнанных друг к другу деталей.
Одна такая сложная машина занимается репликацией ДНК; используя существующую ДНК в качестве матрицы, она собирает на каждой цепоке ДНК комплементарную ей цепочку, т.е. новая цепь является как бы зеркальным отражением исходной и содержит всю информацию, хранившуюся в ней. Так количество ДНК удваивается для каждого удвоения клетки. Таким образом, каждая клетка получает полную информацию о всех белках, которые ей когда-либо могут понадобиться.
Вот так схематично выглядит репликация ДНК. Не берите в голову детали. Посмотрите, как расплетается ее двойная спираль и на каждой ее цепочке строится комплементарная ей новая цепочка. В результате получатся ДВЕ двойные спирали.
Другая молекулярная машина использует ДНК в качестве матрицы при транскрипции, т.е. для изготовления похожей на ДНК биомолекулы - РНК, которая содержит полностью соответствующую матрице ДНК последовательность оснований, но которая (обычно) используется не для длительного хранения информации о белке, а для ее передачи рибосоме - следующей в этой цепочке машине, занимающейся переводом с ДНКового языка на белковый. Рибосома связывается с РНК и при участии всех прочих элементов этой машины синтезирует белок, соответствующий исходному тексту гена, в ходе процесса, который называется трансляцией.
Вы видите двойную спираль ДНК, состоящую из двух взаимно комплементарных цепочек. Видите, что в одном месте двойную спираль расплелась и там идет синтез комплементарной цепочки РНК. Она связывается с рибосомами (справа вверху), которые и осуществляют перевод с языка ДНК и РНК на язык белка. Именно здесь устанавливается соответствие между тройками нуклеиновых оснований и аминокислотами белков (справа внизу).
Это другая попытка изобразить то же самое. Может быть она вам понравится больше.
Игнорируя механические детали, схему кодирования, передачи и декодирования генетической инфомации можно изобразить вот так. Вверху изображена двойная спираль ДНК, а под ней схематично (и увеличенно) небольшой участок одной из ее цепей. Под ним показан участок цепочки РНК, который будет синтезирован на этом участке ДНК-матрицы, а совсем уже внизу показано, как эта последовательность оснований в ДНК и РНК будет переведена в последовательность аминокислот в белке. Кодоны это группы из трех оснований, соответствующие некой аминокислоте в белке.
Все это было сказано исключительно с целью объяснить, что даже самая выгодная для протоклетки комбинация аминокислот в белковоподобной молекуле может сохраниться только в случае, если такой белок будет способен (а) воспроизводить сам себя (чего не может делать ни один современный белок) или (б) передать информацию о своей структуре специализированной молекуле, где она будет храниться (в современных клетках это ДНК, от которой информация передается к РНК, а затем к белку, но не в противоположном направлении).
Иными словами, система передачи генетической информации в современной клетке основана на взаимодействии ДНК и РНК - специализированных информационных молекул с множеством белков, выполняющих хорошо определенные задачи, структура которых закодирована в этих самых информационных молекулах. Объяснить постепенное усложнение системы от случайно возникших белковоподобных соединений до возникновения генетического кода, т.е. против течения «информационного потока», не получилось. Поэтому новая гипотеза вначале пришлась как нельзя кстати.
Эта гипотеза была выдвинута одновременно несколькими известными молекулярными биологами, среди которых пальму первенства обычно отдают Френсису Крику, который расшифровал структуру ДНК. Заключается она в следующем. В наше время биомакромолекулы специализированы (см. текст и картинки выше): ДНК хранит информацию о структуре белков, РНК ее передает и переводит, белки работают на тысячах разных работ, не заботясь об оставлении «потомства».
А что если первые РНК могли осуществлять и функции современных белков (по крайней мере, некоторые), и воспроизводить самих себя, осуществляя, таким образом, и хранение информации? Такую гипотетическую примитивную жизнь на основе единственного типа молекул стали называть «миром РНК». В соответствии с этой идеей, жизнь, основанная на РНК уже потом обзавелась другими биомакромолекулами.
Слева схематично изображен поток генетической информации в современном мире от ДНК к РНК и затем к белку (эта схема, кстати, вполне официально называется центральной догмой молекулярной биологии), а справа - в гипотетическом мире РНК, в котором РНК играет в театре одного актера.
Прежде чем продолжить рассказ замечу, что факт принятия идеи «мира РНК» в качестве жизни означает последний гвоздь в определение жизни как способа существования белковых тел. Подобные воззрения потеряли популярность еще в первой половине 20 века, а спокойное, без надрыва допущение, что жизнь может быть основана только на РНК, переводит всю эту монеру про айвайсскёрпер'ы в разряд куриозных взглядов натурфилософов далекого прошлого.
Разумеется, если бы у Энгельса был шанс ответить, то он сказал бы, что под белковыми телами он подразумевал биомакромолекулы вообще, о тонком химическом устройстве которых он еще не знал. В этом и состоит разница между философией и наукой; некоторые горячие головы, в числе которых состою и я, считают утверждение научным только в том случае, если его в принципе можно опровергнуть. *
Но вернемся к тому, что называют миром РНК. Существуют ли факты, которые поддерживают эту идею? Да, существуют. Как уже было сказано, РНК может хранить и передавать генетическую информацию. В клетках длительное ее хранение обеспечивает ДНК, но во многих вирусах эту роль играет РНК. Более того, РНК может быть и катализатором, как белковые ферменты; несколько рибозимов, т.е. РНК-энзимов (энзим=фермент), существуют в современных клетках. Они катализируют очень небольшое число очень специфичных биохимических реакций, но они существуют.
Более того, в лаборатории удалось получить рибозимы, которые катализируют реакцию синтеза РНК на РНК-матрице, т.е. именно ту реакцию, которая необходима для использования РНК в качестве носителя генетической информации. Если РНК может катализировать свое собственное удвоение (репликацию), то «мир РНК» в принципе возможен.
Естественно, между гипотетическим миром РНК и жизнью, как мы ее знаем, лежит зияющая пропасть. Появление ДНК как специализированной молекулы, хранящей информацию, и белков как «рабочих пчел», являющихся конечным продуктом информационного потока от ДНК через РНК, требуется объяснить и в том случае, если «вначале была РНК». Требуется объяснить и постепенную утрату этих функций молекулами РНК, и возникновение молекулярных машин, осуществляющих «перевод» с ДНКового языка на белковый. В этой части отличий «мира РНК» от идеи «вначале был белок» нет. И тем не менее РНК отличается от белка тем, что в принципе можно представить и как она реплицируется, и как осуществляет ферментативные функции, поэтому «мир РНК» считают принципиально возможным, в отличии от предбиологического мира, где существовали одни лишь белки.
Однако у «мира РНК», как и у всех прочих концепций в этой области, есть немалые проблемы. Посмотрим на рибозим, способный реплицировать РНК. Вот так он выглядит; разные буквы означают разные основания в составе этого рибозима. А видите ли вы две цепочки РНК посередине, состоящие из оснований, обозначенных буквой "икс"? Это субстрат, т.е. вещество, на которое действует этот рибозим. "Иксы" означают любые основания.
Это не берите в голову; просто я показываю источник для trombicula и прочих желающих.
Вот так эта схема выглядит попроще. Рибозим представлен просто линией. Только субстрат показан в деталях. На этот раз показан конкретный субстрат с определенной последовательностью (в качестве примера). Посмотрим из чего он состоит. Внизу мы видим короткую цепочку РНК из девяти звеньев, с которой спарена комплементарная цепочка из шести звеньев (сверху), которая называется затравкой. Рибозим может достраивать отсутствующие звенья; верхняя цепь при этом будет расти. В целом именно так происходит матричный синтез в современных клетках, хотя сейчас он осуществляется весьма сложной системой белков, действующих очень согласованно.
А вот и другие субстраты, испытанные авторами в работе, из которой я беру эти картинки. Последовательности разные, но принцип один; рибозим достраивает комплементарную цепочку РНК на РНК-матрице.
И тут же у рибозима начинаются проблемы. Он работает крайне медленно; добавить к затравке 10 звеньев занимает у него около суток, в то время как у современных белковых ферментов на это ушло бы меньше секунды. Разумеется, мы хорошо помним про то, что должны пройти миллионы лет и твердо знаем, что предбиологической эволюции некуда было спешить. Она, де, двигалась медленно, но верно. Ан нет! Дело в том, что РНК и в рибозиме, и в субстрате может расщепляться под действием воды, что она и делает в условиях описанного выше эксперимента. Реакцию в нем вели не долее суток, потому что по прошествии суток в реакционной смеси уже не оставалось неповрежденного рибозима. При таком соотношении скоростей распада и синтеза этот рибозим не имел возможности сохраниться, поскольку длина цепочки РНК, составляющей рибозим, была почти что 200 звеньев.
Было проведено немало и других экспериментов, в которых искусственные рибозимы осуществляли реакции, имеющие потенциальное значение для «мира РНК». Но каждый из них был не без какого-либо важного изъяна. Например, был изготовлен рибозим, способный соединять две цепочки РНК, которые соединившись образуют комплементарную этому рибозиму цепь РНК. Образовавшаяся цепь, в свою очередь, способна делать то же самое.
Слева на картинке внизу показана схема работы этого рибозима, справа - структура этого рибозима и его субстратов. Е' соединяет А и В. Соединившись, А и В образуют Е (тоже рибозим). Е соединяет А' и В'. И т.д.
И опять не берите в голову картинку под этой строчкой, если вам не требуется источник.
Таким образом рибозим способен воспроизводить самого себя со скоростью быстрее своего распада в водной среде (одно соединение цепочек-субстратов происходило за час с небольшим). Однако делает он это только при наличии субстратов; т.е. рибозим (РНК длиной свыше 60 звеньев) и его субстраты (два фрагмента комплементарной рибозиму цепи - один длиной около 50, а другой около дюжины звеньев) должны самопроизвольно образоваться и встретиться с рибозимом для того, чтобы такое «воспроизведение» заработало.
Но образование цепочек РНК такой длины в условиях примитивной Земли есть дело совсем нетривиальное. Так же как и связи между аминокислотами в белках, о которых шла речь в предыдущей части, связи между нуклеотидами - звеньями РНК - самопроизвольно только распадаются, но не образуются. В современной клетке и в экспериментах, подобных описанному выше, для синтеза РНК и ДНК используются соединения, которые не просто являются звеньями этих биополимеров, но и имеют хвостик из трех фосфатных групп. Отщепление этих групп в ходе реакции и дает ту энергию, которая может двигать реакцию в правильном направлении. Но эти вещества - нуклеозидтрифосфаты - еще менее способны к самопроизвольному возникновению в водной среде. Более того, даже их ядро - нуклеозид, состоящее из азотистого основания и сахара не образуется самопроизвольно и не было получено в модельных экспериментах для всех азотистых оснований.
Некоторые исследователи считают, что несмотря на все эти трудности демонстрация предбиологического синтеза РНК уже за углом. Другие считают необходимым для решения этой проблемы постулировать образование пре-РНК. Одна из идей о "мире пре-РНК" заключается в том, что могли существовать полимеры, включающие в себя те же азотистые основания, что включает современная РНК, но с другим "полимерным хребтом". Сейчас этот хребет состоит из остатков пятиуглеродного сахара рибозы, соединенных с соседними рибозами через фосфат (см. картинки выше). Но вместо рибозы мог бы стоять четырехуглеродный сахар треоза, который образуется в условиях, моделирующих предбиологические, проще, чем рибоза. Впоследствии, разумеется, эта пре-РНК была замещена современной РНК в процессе, ход которого науке еще предстоит успешно установить.
Каждый раз, когда персонаж голливудского фильма оказывается в таком положении, к нему приходит Подмога в виде кавалерии, Супермена или черепашек-ниндзя. У исследователей в этой области есть свой супергерой - Эрнст Геккель (хотя, разумеется, ему приходится оставаться безымянным по причинам весьма понятным), который безотказно приходит им на выручку! Ну, вы помните... Хотя никто не наблюдал пока еще с определенностью... условия на примитивной Земле были иные... способствуя спонтанному образованию всего, что требовалось... и нет ничего невозможного для произведения белковых и иных необходимых для текущей теории тел синтетическим путем.
Скажете, что это никуда не годное, ходульное, обидное для Геккеля сравнение? Ну, если находятся энтузиасты ношения вот такой татуировки, то и Геккель в качестве супергероя ничем не плох.
Вулканы, молоньи, первичный бульон и двуспиральная ДНК или РНК, плавающая в нем. Все это во многих цветах, но на одном, отдельно взятом плече.
Так что сейчас в фаворе теория мира РНК, которая несомненно должна решить старую проблему если не сегодня, так завтра. Не забудем, однако, что это завтра не наступает уже полтора столетия, если считать от Геккеля. Но это не беда, поскольку потребовались миллиарды лет, чтобы из газово-пылевой туманности и искры возгорелось пламя образовались простейшие биомолекулы, из них - пре-РНК, из нее - РНК, а из нее в свою очередь - коацерваты, Геккель и советская наука. А следовательно нет такого ожидания научного решения этой проблемы, которое было бы слишком долгим. Думаю, что на этой ноте будет уместно завершить рассказ об этой изумительно интересной области исследований, не делая никаких грандиозных заключений.
Возможно, я еще поделюсь с вами разрозненными соображениями на эту тему. Если есть какие-либо пожелания о дополнениях к этой истории, дайте мне знать. Я обязательно учту их.
Продолжение следует
* Тут пожалуй будет уместен анекдот про проректора по финансовой части, который объясняет декану биофака, что таких огромных сумм на оборудование и расходные материалы университет выделить биологам ну никак не может
- Вы бы учились у математиков; они спрашивают деньги только на карандаши и ластики. А еще лучше у философов; они даже на ластики не просят.
Мы уже говорили о том, что каким бы белковоподобным ни был продукт абиогенных синтезов, и какими бы ферментативными активностями он ни обладал в результате случайных комбинаций аминокислот в его составе, оставалось неясно, почему удачные комбинации аминокислот будут сохраняться лучше неудачных. Неясно было каким вообще образом может сохраниться «память» о случайно образовавшейся структуре.
Дело в том, что в современных живых клетках информация о структуре белка закодирована в ДНК. Если безмерно упростить то, что нам известно, цепочка оснований ДНК (коих существует четыре вида: аденин, гуанин, цитозин и тимин) является текстом, который точно описывает цепочку аминокислот в некоем белке. Цепочка оснований ДНК, в которой записана структура белка, является геном. Три соседних основания кодируют одну аминокислоту. Так, например, текст ДНК ГЦАГГАААА переводится на язык белка как аланин-глицин-лизин (или Ала-Гли-Лиз). Правда тексты на языках и ДНК, и белка гораздо длиннее; каждый ген содержит сотни и тысячи оснований, а каждый белок содержит обычно сотни аминокислот - по числу их в три раза меньше, чем оснований в кодирующим этот белок гене, но все равно много. Понять это вам поможет серия картинок.
На этой картинке показаны "кирпичики" РНК. Nucleobases=азотистые основания. В соединении с сахаром рибозой они образуют нуклеозиды, а получив фосфатные "хвостики" - нуклеотиды. Последние и есть звенья цепочки РНК, показанной в нижней части картинки. ДНК выглядит похоже на РНК, только в ее состав входит не рибоза, а дезоксирибоза, и одно основание из четырех заменяется на другое. Одно из главных различий структур РНК и ДНК состоит в том, что ДНК обычно находится в составе двойной спирали, а у РНК двуспиральными обычно бывают только отдельные участки.
На следующих картинках схематически изображен перенос структурной информации от гена через РНК к белку. Система переноса и перевода информации с языка гена на язык белка представляет собой великолепную серию машин, каждая из которых состоит из огромного числа подогнанных друг к другу деталей.
Одна такая сложная машина занимается репликацией ДНК; используя существующую ДНК в качестве матрицы, она собирает на каждой цепоке ДНК комплементарную ей цепочку, т.е. новая цепь является как бы зеркальным отражением исходной и содержит всю информацию, хранившуюся в ней. Так количество ДНК удваивается для каждого удвоения клетки. Таким образом, каждая клетка получает полную информацию о всех белках, которые ей когда-либо могут понадобиться.
Вот так схематично выглядит репликация ДНК. Не берите в голову детали. Посмотрите, как расплетается ее двойная спираль и на каждой ее цепочке строится комплементарная ей новая цепочка. В результате получатся ДВЕ двойные спирали.
Другая молекулярная машина использует ДНК в качестве матрицы при транскрипции, т.е. для изготовления похожей на ДНК биомолекулы - РНК, которая содержит полностью соответствующую матрице ДНК последовательность оснований, но которая (обычно) используется не для длительного хранения информации о белке, а для ее передачи рибосоме - следующей в этой цепочке машине, занимающейся переводом с ДНКового языка на белковый. Рибосома связывается с РНК и при участии всех прочих элементов этой машины синтезирует белок, соответствующий исходному тексту гена, в ходе процесса, который называется трансляцией.
Вы видите двойную спираль ДНК, состоящую из двух взаимно комплементарных цепочек. Видите, что в одном месте двойную спираль расплелась и там идет синтез комплементарной цепочки РНК. Она связывается с рибосомами (справа вверху), которые и осуществляют перевод с языка ДНК и РНК на язык белка. Именно здесь устанавливается соответствие между тройками нуклеиновых оснований и аминокислотами белков (справа внизу).
Это другая попытка изобразить то же самое. Может быть она вам понравится больше.
Игнорируя механические детали, схему кодирования, передачи и декодирования генетической инфомации можно изобразить вот так. Вверху изображена двойная спираль ДНК, а под ней схематично (и увеличенно) небольшой участок одной из ее цепей. Под ним показан участок цепочки РНК, который будет синтезирован на этом участке ДНК-матрицы, а совсем уже внизу показано, как эта последовательность оснований в ДНК и РНК будет переведена в последовательность аминокислот в белке. Кодоны это группы из трех оснований, соответствующие некой аминокислоте в белке.
Все это было сказано исключительно с целью объяснить, что даже самая выгодная для протоклетки комбинация аминокислот в белковоподобной молекуле может сохраниться только в случае, если такой белок будет способен (а) воспроизводить сам себя (чего не может делать ни один современный белок) или (б) передать информацию о своей структуре специализированной молекуле, где она будет храниться (в современных клетках это ДНК, от которой информация передается к РНК, а затем к белку, но не в противоположном направлении).
Иными словами, система передачи генетической информации в современной клетке основана на взаимодействии ДНК и РНК - специализированных информационных молекул с множеством белков, выполняющих хорошо определенные задачи, структура которых закодирована в этих самых информационных молекулах. Объяснить постепенное усложнение системы от случайно возникших белковоподобных соединений до возникновения генетического кода, т.е. против течения «информационного потока», не получилось. Поэтому новая гипотеза вначале пришлась как нельзя кстати.
Эта гипотеза была выдвинута одновременно несколькими известными молекулярными биологами, среди которых пальму первенства обычно отдают Френсису Крику, который расшифровал структуру ДНК. Заключается она в следующем. В наше время биомакромолекулы специализированы (см. текст и картинки выше): ДНК хранит информацию о структуре белков, РНК ее передает и переводит, белки работают на тысячах разных работ, не заботясь об оставлении «потомства».
А что если первые РНК могли осуществлять и функции современных белков (по крайней мере, некоторые), и воспроизводить самих себя, осуществляя, таким образом, и хранение информации? Такую гипотетическую примитивную жизнь на основе единственного типа молекул стали называть «миром РНК». В соответствии с этой идеей, жизнь, основанная на РНК уже потом обзавелась другими биомакромолекулами.
Слева схематично изображен поток генетической информации в современном мире от ДНК к РНК и затем к белку (эта схема, кстати, вполне официально называется центральной догмой молекулярной биологии), а справа - в гипотетическом мире РНК, в котором РНК играет в театре одного актера.
Прежде чем продолжить рассказ замечу, что факт принятия идеи «мира РНК» в качестве жизни означает последний гвоздь в определение жизни как способа существования белковых тел. Подобные воззрения потеряли популярность еще в первой половине 20 века, а спокойное, без надрыва допущение, что жизнь может быть основана только на РНК, переводит всю эту монеру про айвайсскёрпер'ы в разряд куриозных взглядов натурфилософов далекого прошлого.
Разумеется, если бы у Энгельса был шанс ответить, то он сказал бы, что под белковыми телами он подразумевал биомакромолекулы вообще, о тонком химическом устройстве которых он еще не знал. В этом и состоит разница между философией и наукой; некоторые горячие головы, в числе которых состою и я, считают утверждение научным только в том случае, если его в принципе можно опровергнуть. *
Но вернемся к тому, что называют миром РНК. Существуют ли факты, которые поддерживают эту идею? Да, существуют. Как уже было сказано, РНК может хранить и передавать генетическую информацию. В клетках длительное ее хранение обеспечивает ДНК, но во многих вирусах эту роль играет РНК. Более того, РНК может быть и катализатором, как белковые ферменты; несколько рибозимов, т.е. РНК-энзимов (энзим=фермент), существуют в современных клетках. Они катализируют очень небольшое число очень специфичных биохимических реакций, но они существуют.
Более того, в лаборатории удалось получить рибозимы, которые катализируют реакцию синтеза РНК на РНК-матрице, т.е. именно ту реакцию, которая необходима для использования РНК в качестве носителя генетической информации. Если РНК может катализировать свое собственное удвоение (репликацию), то «мир РНК» в принципе возможен.
Естественно, между гипотетическим миром РНК и жизнью, как мы ее знаем, лежит зияющая пропасть. Появление ДНК как специализированной молекулы, хранящей информацию, и белков как «рабочих пчел», являющихся конечным продуктом информационного потока от ДНК через РНК, требуется объяснить и в том случае, если «вначале была РНК». Требуется объяснить и постепенную утрату этих функций молекулами РНК, и возникновение молекулярных машин, осуществляющих «перевод» с ДНКового языка на белковый. В этой части отличий «мира РНК» от идеи «вначале был белок» нет. И тем не менее РНК отличается от белка тем, что в принципе можно представить и как она реплицируется, и как осуществляет ферментативные функции, поэтому «мир РНК» считают принципиально возможным, в отличии от предбиологического мира, где существовали одни лишь белки.
Однако у «мира РНК», как и у всех прочих концепций в этой области, есть немалые проблемы. Посмотрим на рибозим, способный реплицировать РНК. Вот так он выглядит; разные буквы означают разные основания в составе этого рибозима. А видите ли вы две цепочки РНК посередине, состоящие из оснований, обозначенных буквой "икс"? Это субстрат, т.е. вещество, на которое действует этот рибозим. "Иксы" означают любые основания.
Это не берите в голову; просто я показываю источник для trombicula и прочих желающих.
Вот так эта схема выглядит попроще. Рибозим представлен просто линией. Только субстрат показан в деталях. На этот раз показан конкретный субстрат с определенной последовательностью (в качестве примера). Посмотрим из чего он состоит. Внизу мы видим короткую цепочку РНК из девяти звеньев, с которой спарена комплементарная цепочка из шести звеньев (сверху), которая называется затравкой. Рибозим может достраивать отсутствующие звенья; верхняя цепь при этом будет расти. В целом именно так происходит матричный синтез в современных клетках, хотя сейчас он осуществляется весьма сложной системой белков, действующих очень согласованно.
А вот и другие субстраты, испытанные авторами в работе, из которой я беру эти картинки. Последовательности разные, но принцип один; рибозим достраивает комплементарную цепочку РНК на РНК-матрице.
И тут же у рибозима начинаются проблемы. Он работает крайне медленно; добавить к затравке 10 звеньев занимает у него около суток, в то время как у современных белковых ферментов на это ушло бы меньше секунды. Разумеется, мы хорошо помним про то, что должны пройти миллионы лет и твердо знаем, что предбиологической эволюции некуда было спешить. Она, де, двигалась медленно, но верно. Ан нет! Дело в том, что РНК и в рибозиме, и в субстрате может расщепляться под действием воды, что она и делает в условиях описанного выше эксперимента. Реакцию в нем вели не долее суток, потому что по прошествии суток в реакционной смеси уже не оставалось неповрежденного рибозима. При таком соотношении скоростей распада и синтеза этот рибозим не имел возможности сохраниться, поскольку длина цепочки РНК, составляющей рибозим, была почти что 200 звеньев.
Было проведено немало и других экспериментов, в которых искусственные рибозимы осуществляли реакции, имеющие потенциальное значение для «мира РНК». Но каждый из них был не без какого-либо важного изъяна. Например, был изготовлен рибозим, способный соединять две цепочки РНК, которые соединившись образуют комплементарную этому рибозиму цепь РНК. Образовавшаяся цепь, в свою очередь, способна делать то же самое.
Слева на картинке внизу показана схема работы этого рибозима, справа - структура этого рибозима и его субстратов. Е' соединяет А и В. Соединившись, А и В образуют Е (тоже рибозим). Е соединяет А' и В'. И т.д.
И опять не берите в голову картинку под этой строчкой, если вам не требуется источник.
Таким образом рибозим способен воспроизводить самого себя со скоростью быстрее своего распада в водной среде (одно соединение цепочек-субстратов происходило за час с небольшим). Однако делает он это только при наличии субстратов; т.е. рибозим (РНК длиной свыше 60 звеньев) и его субстраты (два фрагмента комплементарной рибозиму цепи - один длиной около 50, а другой около дюжины звеньев) должны самопроизвольно образоваться и встретиться с рибозимом для того, чтобы такое «воспроизведение» заработало.
Но образование цепочек РНК такой длины в условиях примитивной Земли есть дело совсем нетривиальное. Так же как и связи между аминокислотами в белках, о которых шла речь в предыдущей части, связи между нуклеотидами - звеньями РНК - самопроизвольно только распадаются, но не образуются. В современной клетке и в экспериментах, подобных описанному выше, для синтеза РНК и ДНК используются соединения, которые не просто являются звеньями этих биополимеров, но и имеют хвостик из трех фосфатных групп. Отщепление этих групп в ходе реакции и дает ту энергию, которая может двигать реакцию в правильном направлении. Но эти вещества - нуклеозидтрифосфаты - еще менее способны к самопроизвольному возникновению в водной среде. Более того, даже их ядро - нуклеозид, состоящее из азотистого основания и сахара не образуется самопроизвольно и не было получено в модельных экспериментах для всех азотистых оснований.
Некоторые исследователи считают, что несмотря на все эти трудности демонстрация предбиологического синтеза РНК уже за углом. Другие считают необходимым для решения этой проблемы постулировать образование пре-РНК. Одна из идей о "мире пре-РНК" заключается в том, что могли существовать полимеры, включающие в себя те же азотистые основания, что включает современная РНК, но с другим "полимерным хребтом". Сейчас этот хребет состоит из остатков пятиуглеродного сахара рибозы, соединенных с соседними рибозами через фосфат (см. картинки выше). Но вместо рибозы мог бы стоять четырехуглеродный сахар треоза, который образуется в условиях, моделирующих предбиологические, проще, чем рибоза. Впоследствии, разумеется, эта пре-РНК была замещена современной РНК в процессе, ход которого науке еще предстоит успешно установить.
Каждый раз, когда персонаж голливудского фильма оказывается в таком положении, к нему приходит Подмога в виде кавалерии, Супермена или черепашек-ниндзя. У исследователей в этой области есть свой супергерой - Эрнст Геккель (хотя, разумеется, ему приходится оставаться безымянным по причинам весьма понятным), который безотказно приходит им на выручку! Ну, вы помните... Хотя никто не наблюдал пока еще с определенностью... условия на примитивной Земле были иные... способствуя спонтанному образованию всего, что требовалось... и нет ничего невозможного для произведения белковых и иных необходимых для текущей теории тел синтетическим путем.
Скажете, что это никуда не годное, ходульное, обидное для Геккеля сравнение? Ну, если находятся энтузиасты ношения вот такой татуировки, то и Геккель в качестве супергероя ничем не плох.
Вулканы, молоньи, первичный бульон и двуспиральная ДНК или РНК, плавающая в нем. Все это во многих цветах, но на одном, отдельно взятом плече.
Так что сейчас в фаворе теория мира РНК, которая несомненно должна решить старую проблему если не сегодня, так завтра. Не забудем, однако, что это завтра не наступает уже полтора столетия, если считать от Геккеля. Но это не беда, поскольку потребовались миллиарды лет, чтобы из газово-пылевой туманности и искры возгорелось пламя образовались простейшие биомолекулы, из них - пре-РНК, из нее - РНК, а из нее в свою очередь - коацерваты, Геккель и советская наука. А следовательно нет такого ожидания научного решения этой проблемы, которое было бы слишком долгим. Думаю, что на этой ноте будет уместно завершить рассказ об этой изумительно интересной области исследований, не делая никаких грандиозных заключений.
Возможно, я еще поделюсь с вами разрозненными соображениями на эту тему. Если есть какие-либо пожелания о дополнениях к этой истории, дайте мне знать. Я обязательно учту их.
Продолжение следует
* Тут пожалуй будет уместен анекдот про проректора по финансовой части, который объясняет декану биофака, что таких огромных сумм на оборудование и расходные материалы университет выделить биологам ну никак не может
- Вы бы учились у математиков; они спрашивают деньги только на карандаши и ластики. А еще лучше у философов; они даже на ластики не просят.