Шпаргалка "Молекулярная биология"

 Таким образом, биологические  системы резко отличаются от  объектов неживой природы своей  исключительной сложностью и  высокой структурной и функциональной  упорядоченностью. Эти отличия придают  жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую  ступень развития материи. Характеризуя  жизнь как явление, следует  учитывать ее разнообразие и  многокачественность, поскольку  она представлена на нашей  планете биологическими системами  различной сложности.

 

9. Мир древних  РНК

 НЕКОДИРУЮЩАЯ РНК

Исследования химической специфичности РНК бактерий вскрыли  неожиданный факт: при громадных вариациях состава ДНК  
нуклеотидный состав тотальной РНК клетки мало менялся от вида к виду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эти результаты были первым экспериментальным свидетельством того, что преобладающая доля тотальной  клеточной РНК не отражает генную специфику видов  и скорее всего является некодирующей РНК.

Так как ранее было показано, что основную массу клеточной РНК составляет  РНК рибосомных частиц,  
то полученные данные указывали на рибосомную РНК  
как  некодирующую  нуклеиновую кислоту.                                          

 ПРЕДСКАЗАНИЕ  И ОТКРЫТИЕ АДАПТОРНОЙ,  
ИЛИ ТРАНСПОРТНОЙ РНК (тРНК)

Ввиду отсутствия явного стереохимического  соответствия между аминокислотами синтезируемого белка и нуклеотидами матричной РНК была предсказана  необходимость адапторов в виде коротких РНК, способных присоединять к себе аминокислоты и комплементарных кодонам матричной РНК (F. Crick, 1955).

РНК с предсказанными свойствами были открыты, выделены и названы transfer RNA (транспортные РНК, тРНК).

   Древний мир РНК

• Возникновение и существование мира РНК на Земле требовало жидкой водной среды с нейтральной рН и растворенными солями одновалентных металлов (в первую очередь K⁺ и Na⁺) и Mg²⁺.
• Скорее всего, мир РНК мог возникнуть и существовать в мелких водоемах (лужах, «дарвиновских прудах»), где могли концентрироваться абиогенно возникающие органические вещества (океанские просторы едва ли годились для этого).
• Появление и присутствие РНК-репликазной активности в водной среде РНК-содержащей лужи или пруда должно было давать в результате эффект амплификации всех олиго- и полирибонуклеотидов этого водоема, т.е. рост общей популяции молекул РНК.

Зарождение и  эволюция в первобытном «дарвиновском  пруду»  
или луже?

Полирибонуклеотидные цепи (РНК) в растворе при температурах от 5° до 37°C обладают внутренне присущим им свойством время от времени обмениваться частями своих последовательностей.

В результате

(1) некоторые полирибонуклеотидные  цепи удлиняются за счет укорочения других , и

(2) происходит непрерывная  генерация вариантов нуклеотидных  последовательностей. 

Достаточная длина полирибонуклеотидов и непрерывная генерация вариантов –

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Появление полирибонуклеотидов-рибозимов  с различными каталитическими активностями, включая:

• рибозимы, катализирующие реакции синтеза предшественников  нуклеотидов и самих нуклеотидов (нуклеозидтрифосфатов), и
• рибозимы, катализирующие комплементарную репликацию полирибонуклеотидов 
  (РНК-полимеризующие рибозимы).

Реплицирующаяся («размножающаяся») популяция разнообразных и разнообразящихся полирибонуклеотидов – «прудовая коммуна РНК».

Проблемы:        

• Прудовая коммуна полирибонуклеотидов! («РНК-Солярис»). 
            «От каждого – по способностям, каждому – по потребностям»!        
• Удержание «гена» и «признака» - рибозима и его продукта-  
   вместе?

Идентификация функционально  лучших?   
Отсев «негодных»? отбор нужных и лучших? дальнейшая эволюция? 

Компартментализация как необходимое условие естественного  отбора и эволюции

Чтобы естественный отбор  начал работать, необходима какая-то форма компартментализации - обособления  отдельных ансамблей РНК, в которых  
рибозимы и их продукты удерживались бы вместе.

Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей  продукт лучше,  
и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга.

Лучшие обособленные ансамбли РНК – первозданные особи – должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших.

 Смешанные колонии на твердых средах

Если различные молекулы РНК и РНК-реплицирующий рибозим оказываются в одном месте на влажной твердой поверхности в результате подсыхания лужи, то, при наличии необходимых органических и энергетических субстратов для их синтеза на поверхности или вокруг, они могут начать амплифицироваться и формировать смешанные колонии РНК.

Такая смешанная колония-ансамбль должна включать молекулы РНК, обладающие различными, необходимыми друг для  друга активностями, а именно:

-Лиганд-связывающие молекулы РНК для избирательной адсорбции необходимых веществ из окружающей среды и их накопления (концентрирования) в колонии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-Набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза предшественников  нуклеотидов и самих нуклеотидов (нуклеозидтрифосфатов).

-Рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии (РНК-полимеризующий рибозим).

  КОЛОНИИ РНК  КАК ПЕРВИЧНЫЕ ОСОБИ 

Смешанные колонии  РНК на твердых или полутвердых поверхностях могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции (репликацию молекул РНК всего ансамбля), а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования (например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК.

Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами – своим генетическим материалом.

Сценарий первобытного SELEX’a

Когда функционально различные  молекулы РНК, включая РНК-реплицирующий  рибозим, оказываются в одной  луже, вся популяция РНК количественно увеличивается, а благодаря реакциям спонтанной трансэстерификации (реакция Четверина) и ошибкам репликации увеличивается и разнообразие молекул.

(2)  Когда лужа подсыхает, молекулы РНК оказываются на влажной поверхности глины или другого минерального субстрата, и при наличии в данном месте молекулы РНК-реплицирующего рибозима и нескольких других молекул РНК, обеспечивающих связывание нужных веществ и катализ нужных реакций, образуется и растет смешанная колония РНК; наиболее успешные колонии (т.е. колонии с наиболее активными и лучше всего дополняющими друг друга молекулами РНК) растут быстрее других.

(3)  Последующее затопление подсушенного водоема или его части растворяет колонии, и в общем водоеме опять начинается общая амплификация, но уже в популяции, обогащенной «хорошими», т.е. активными и функционально дополняющими друг друга молекулами.

Таким путем чередующиеся затопления и подсушивания РНК-содержащих водоемов (луж) обеспечивают систематическое обогащение популяции РНК функционально лучшими молекулами («систематическая эволюция путем экспоненциального обогащения»).

Возникновение и  эволюция мира РНК:

АБИОГЕННЫЕ РИБОНУКЛЕОТИДЫ

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           

¯ 

ОЛИГОРИБОНУКЛЕОТИДЫ, ТРАНСПЕПТИДАЦИЯ 

                              ¯

ПОЛИРИБОНУКЛЕОТДЫ, РЕКОМБИНАЦИИ                                              

                             ¯

КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ  МОЛЕКУЛЫ РНК (РИБОЗИМЫ)

 Высокая скорость  эволюции древнего мира РНК 

Эволюционный процесс  должен был быть исключительно быстрым  благодаря трем обстоятельствам.

1. Непрерывные спонтанные рекомбинации и перестройки молекул РНК, а также низкая точность примитивных механизмов репликации, обеспечивали широчайшее поле вариантов для отбора.
2. Свободный латеральный перенос и обмен молекулами РНК между колониями через воду и атмосферу делал любые полезные инновации достоянием всех и позволял колониям быстро совершенствоваться в течение короткого времени их существования.
3. Экспоненциальное обогащение всей популяции «лучшими» молекулами РНК в циклах амплификации-селекции создавало мощный эволюционный двигатель для всего коммунального мира РНК в целом.

 Две ипостаси древнего мира РНК

Именно таким путем  чередования стадий размножения  и селекции  
мог развиваться и эволюционировать древний мир РНК.

Две ипостаси этого мира РНК сосуществовали и переходили друг в друга:   
коммунальные сообщества размножающихся и разнообразящихся индивидуальных молекул РНК, растворенных в водной среде луж, где реализовался принцип «от каждого по способностям, каждому по потребностям», и

конкурирующие особи в виде смешанных колоний РНК, временно существующих и растущих на влажных поверхностях.

Колонии РНК как  универсальный коммунальный предшественник  мира живых существ 

Отсутствие клеточной  стенки (внешней мембраны).

Отсутствие трансляции (синтеза  белков).

Поле вариантов РНК  благодаря спонтанным перестройкам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Латеральный перенос молекул  РНК –  

Быстрое распространение  любых инноваций;

Очень высокий темп эволюции.

Коммунальное сообщество, эволюционирующее как целое.

Именно это  сообщество, а не отдельная колония  или возникшая из нее клетка, было универсальным предшественником, из которого выросли разные филогенетические ветви клеточных организмов, с  универсальным генетическим кодом.

              От колоний РНК к ограниченным  оболочкой ансамблям РНК («рибоцитам») 

Колонии РНК, которые приобрели  свойство синтезировать или адсорбировать  на себе какие-то гидрофобные вещества, покрывающие их снаружи и удерживающие весь ансамбль вместе в водной среде  даже во взвешенном, оторванном от поверхности  состоянии, получали колоссальные преимущества, сохраняя свои эффективные функциональные наборы молекул после затоплений. Это уже был прообраз клеточной  организации. Такие ограниченные оболочкой ансамбли молекул РНК, обладающих разными адсорбирующими и каталитическими функциями, были названы рибоцитами (M. Yarus).

В первичных рибоцитах отсутствовала ДНК и белки – это были так называемые «одно-полимерные системы» (single-polymer systems). Благодаря многообразию функций РНК и самодостаточности РНК как омнипотентного полимера, рибоциты могли жить, размножаться, конкурировать друг с другом и эволюционировать.

  Появление аппарата белкового синтеза в рибоцитах:

 Возникновение рибосомы

Решающим моментом в эволюции рибоцитов было возникновение аппарата синтеза белка. Белки гораздо эффективнее РНК и как структуро-образующие полимеры, и как катализаторы. «Изобретение» аппарата белкового синтеза (трансляции) на основе РНК значительно усовершенствовало структуру и метаболизм рибоцитов и, тем самым, дало им громадный эволюционный импульс.

Аппарат белкового синтеза  строится на основе рибосомы, которая является универсальной белок-синтезирующей машиной во всем живом мире. Ее универсальность доказывает, что вся современная жизнь началась с рибосомы.

Имеются все основания  предполагать, что первобытная рибосома состояла  
только из РНК. 

 

 

10. Гипотезы возникновения  жизни.

• Панспермия - жизнь витает в космосе и разносится по планетам. 
  Жизнь зародилась абиогенно или нет?
• Биогенез - живое только от живого.
• Абиогенез - живое от неживого.
• Происхождение жизни по А.И. Опарину (1924)