157. 1 БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ, МИР РНК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
158 ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ ДНК Репликация Транскрипция Обратная транскрипция РНК Трансляция 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик открыли принцип молекулярной организации ДНК БЕЛКИ Транскрипция и репликация РНК Белок никогда не может быть матрицей для нуклеиновых кислот Происхождение жизни в ее современной клеточной форме сводится к возникновению механизма наследуемого биосинтеза белков
159 БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ Функции РНК гораздо более разнообразны, чем быть только переносчиком информации от генов (ДНК) к белкам и служить матрицей для синтеза белков Типы РНК и их распространенность r. RNA, р. РНК ~80% t. RNA, т. РНК ~15% m. RNA, м. РНК, и. РНК <5% s. RNA, мя. РНК, мц. РНК <2% РНК - главная молекула в биосинтезе белка
160 РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Однотяжевой полимер РНК сворачивается на себя и скручивается в компактную структуру, подобно сворачиванию полипептидной цепи белка в компактную глобулу U d. T Остатки одного из рибонуклеотидов - уридиловой кислоты (U) и гомологичного ему дезоксирибонуклеотида тимидиловой кислоты (d. T) Уникальные нуклеотидные последовательности РНК могут формировать уникальные пространственные структуры
161 РНК. Макромолекулярная структура Сравнение контуров рибосомных субчастиц бактерий и их изолированных высокополимерных РНК в компактной форме по данным электронной микроскопии: вверху большая субчастица и ее РНК; внизу - малая субчастица и ее РНК
162 Минорные РНК Типы РНК и их распространенность r. RNA, р. РНК ~80% t. RNA, т. РНК ~15% m. RNA, м. РНК, и. РНК <5% s. RNA, мя. РНК, мц. РНК <2% Некоторые малые РНК, функции которых известны Удлинение теломерного повтора "малые РНК" содержат до 300 нуклеотидов, часто их функции неизвестны. Как правило, они ассоциированы с одним или несколькими белками и представлены в клетке в виде рибонуклеопротеидов - "малых РНП" Транспорт мембранных и секретируемых белков Сплайсинг м. РНК Функционирование живой клетки определяется не только многообразием синтезируемых в ней белков, но и присутствием богатого набора разнообразных РНК, из которых малые РНК в значительной мере имитируют компактность и размеры белков
163 Рибозимы - РНК-катализаторы Самосплайсинг интронов РНКаза Р Рибосома
164 Вирусные РНК В случае вирусных РНК реализуются процессы, которые подавлены или вовсе отсутствуют в нормальных клетках На вирусной РНК как на матрице синтезируется ДНК ("обратная транскрипция") При инфекции РНКсодержащими вирусами реализуется принципиальная способность РНК детерминировать воспроизведение своей собственной структуры, как это имеет место у ДНК На вирусной РНК синтезируется комплементарная цепь РНК, которая служит матрицей для синтеза (репликации) новых копий вирусной РНК
165 Мультифункциональность РНК Генетическая репликативная функция: структурная возможность копирования (репликации) линейных последовательностей нуклеотидов через комплементарные последовательности. Функция реализуется при вирусных инфекциях и аналогична главной функции ДНК в жизнедеятельности клеточных организмов - редупликации генетического материала. Кодирующая функция: программирование белкового синтеза линейными последовательностями нуклеотидов. Это та же функция, что и у ДНК. И в ДНК, и в РНК одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют 20 аминокислот белков, и последовательность триплетов в цепи нуклеиновой кислоты есть программа для последовательной расстановки аминокислот в полипептидной цепи. Структурообразующая функция: формирование уникальных трехмерных структур. Компактно свернутые молекулы малых РНК принципиально подобны трехмерным структурам глобулярных белков, а более длинные молекулы РНК могут образовывать и более крупные биологические частицы или их ядра. Функция узнавания: высокоспецифические пространственные взаимодействия с другими макромолекулами (в том числе белками и другими РНК) и с малыми лигандами. Эта функция, пожалуй, главная у белков. Она основана на способности полимера сворачиваться уникальным образом и формировать специфические трехмерные структуры. Функция узнавания является базой специфического катализа. Каталитическая функция: специфический катализ химических реакций рибозимами. Данная функция аналогична энзиматической функции белковферментов.
166 ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ АБИОГЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ ПОЛИПЕПТИДЫ, транспептидация БЕЛКИ с уникальными трехмерными структурами Образование надмолекулярных структур разделение фаз Каталитические активности, ФЕРМЕНТЫ Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белковокоацерватной теории А. И. Опарина (20 -е годы XX века) КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ КОАЦЕРВАТЫ Ассимиляция, рост, размножение КЛЕТКИ
167 Мир РНК как предшественник современной жизни Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых обеспечивает их репликацию. Поэтому только НК, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях. Именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал, так как: И в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов. В самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т. п. ). Репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК. Обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение - как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.
167. 5 Мир РНК как предшественник современной жизни Предполагаемый древний мир РНК - это самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы
168 Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК АБИОГЕННЫЕ РИБОНУКЛЕОТИДЫ ОЛИГОРИБОНУКЛЕОТИДЫ, трансэтирификация ПОЛИРИБОНУКЛЕОТИДЫ Каталитические активности (рибозимы) Самопроцессирующиеся и самореплицирующиеся молекуы РНК Синтез белка КОАЦЕРВАТЫ КЛЕТКИ
169 Схема эволюции и специализации молекул РНК в процессе перехода от древнего мира РНК к современному миру генетически детерминированного биосинтеза белков РЕКОМБИНИРУЮЩИЕСЯ РНК КАТАЛИТИЧЕСКИЕ РНК (РИБОЗИМЫ) МАТРИЧНЫЕ РНК (комплементарное связывание поли- и олигонуклеотидов) ЛИГАНДУЗНАЮЩИЕ РНК (специфическое связывание низкомолекулярных лигандов) ДВУХТЯЖЕВЫЕ РНК ВОЗНИКНОВЕНИЕ АППАРАТА БИОСИНТЕЗА БЕЛКА ПРО-РНК БОЛЬШОЙ СУБЧАСТИЦЫ РИБОСОМЫ ПРО-РНК МАЛОЙ СУБЧАСТИЦЫ РИБОСОМЫ ПРО-м. РНК ПРО-т. РНК ВОЗНИКНОВЕНИЕ АППАРАТА ЭНЗИМАТИЧЕКОЙ РЕПЛИКАЦИИ РНК И ДНК РИБОСОМА м. РНК т. РНК ДНК
Мона Лиза современной науки
LEGO model of the DNA double helix (in reverse!) by Eric Harshbarger (2001), who also used his mastery of the coloured units of LEGO to compose a ‘pixelated’ LEGO version of the Mona Lisa. Structure of DNA, drawn by Francis Crick’s wife Odile Crick, which was published as the sole figure in Watson and Crick’s seminal paper.
Portrait of a DNA sequence by Roger Berry (1998) at the Spirals Time — Time Spirals by Charles Jencks Life Sciences Addition (2000) at Cold Spring Harbor Laboratory building, University of California, Davis
Paintings of DNA models on a ‘Millennium Collection’ stamp, designed by Mark Curtis (1999– 2000), from the UK Royal Mail’s Scientists’ Tale collection Butterfly Landscape, The Great Masturbator in Surrealist Landscape with DNA by Salvador Dali, 1957 – 8. Private collection.
Здание Института молекулярной генетики Российской академии наук Москва пл. акад. И. В. Курчатова, 2 Построено в 1961 г.
