МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ лекция 1

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ лекция 1

• . . . - Холмс, как, черт побери, вы об этом узнали? - спросил я. • - Видите ли, дорогой мой Уотсон. . . Не так уж трудно построить серию выводов, в которой каждый последующий простейшим образом вытекает из предыдущего. Если после этого удалить все средние звенья и сообщить слушателю только первое звено и последнее, они произведут ошеломляющее впечатление. После взгляда на впадинку между большим и указательным пальцем вашей левой руки, мне было совсем нетрудно заключить, что вы не собираетесь вкладывать свой капитал в золотые россыпи. • - Но я не вижу никакой связи между этими двумя обстоятельствами! • - Вот опущенные звенья этой простейшей цепи. Во-первых. . . Вовторых. . . В- шестых. . . • - До чего просто! - воскликнул я. • - Конечно, - сказал он, слегка уязвленный, - всякая задача оказывается очень простой после того, как вам ее растолкуют. А вот вам задача еще не решенная. . . • Для нас эта нерешенная задача – происхождение жизни на Земле. 2

ГЛОБАЛЬНОЕ ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ДРЕВО ЖИЗНИ ПО ДАННЫМ СРАВНЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ р. ДНК 3

Древо жизни по данным гена р. РНК малой субъединицы рибосом, указывающее на ступенчатую модель происхождения эукариот. `1 - 4 эволюция ядер и микротрубочек, 2 - приобретение митохондрий

Сложная сеть жизни. Жирные линии представляют границы линий, серые - генные генеалогии, пунктирные - возможный горизонтальный перенос индивидуальных генов. 5

Молекулярная эволюция генетических систем (Колчанов и др. , 2003) муреин (гликопротеид) – основной компонент клеточной стенки прокариот 6

Жизнь на Земле существует около 4 млрд лет • По данным палеонтологической летописи жизнь на Земле возникла примерно через 4 млрд лет после ее образования, или 1020 млрд лет после того, как из космического хаоса сформировалась наша Вселенная, когда появились первые обитатели - бактерии и сине-зеленые водоросли. Достоверно известно, что бактерии существовали 3. 5 -3. 8 млрд лет назад, в то время как возраст земной коры составляет 3. 9 млрд лет. Но если это так, то становление генетического кода, формирование аппаратов репликации, транкрипции и трансляции произошло всего за сотню млн лет – ничтожно малый срок в геологическом масштабе. "Создается впечатление, что буквально сразу после остывания земной коры на нашей планете возникла жизнь. Как будто бы к планете стоило поднести спичку, чтобы на ней вспыхнуло пламя жизни" [Воронцов, 1999, С. 604]. Сотни миллионов лет назад сформировались беспозвоночные животные, панцирные и хрящевые рыбы, затем амфибии и рептилии, а около 60 млн лет назад - млекопитающие и птицы. 7

Когда на Земле возникла жизнь? Pод гидроидных кишечнополостных. Возможно, животные, жившие на Земле полтора миллиарда лет назад, выглядели похожим образом 8

Сегодня можно сказать, что переход от костной материи, как ее называл Вернадский, к живой, от нежизни к жизни, выходит за пределы геологической летописи. На Земле нет осадочных отложений, в которых отсутствовали бы признаки жизни. По крайней мере, 3 миллиарда 800 миллионов лет назад, когда сформировались осадочные породы, сохранившиеся до нашего времени, жизнь уже была. (А возраст Земли по сегодняшним оценкам составляет 4, 5 миллиарда лет). В более древние периоды земная кора была тонкой, точка плавления пород была высоко и поэтому кора все еще перерабатывалась. Земля все еще кипела и поэтому кора вздымалась и снова погружалась, переправлялась многократно. 9

10

Палеонтологическая летопись фауны Земли по В. Гранту Время, млн. Геологическая эпоха лет до нашей эры Таксоны 670 590 -438 Докембрий Кембрий, силур 408 360 300 -248 290 -65 286 -144 248 -2 65 -0 Девон Карбон Середина карбона-триас Поздний карбон-кайнозой Пермь-мел Триас-кайнозой Кайнозой Мягкотелые беспозвоночные Беспозвоночные с твердой раковиной Панцирные рыбы Хрящевые рыбы Амфибии Насекомые Рептилии Костные рыбы Млекопитающие и птицы 11

12

• Земля появилась около 4, 5 миллиардов лет назад, жизнь на ней возникла около 3, 8 млрдов лет назад. • Первые эукариоты появились около 2 миллиардов лет назад. По этому поводу существует несколько гипотез. Многоклеточных появились, видимо, более 600 миллионов лет назад, что же касается млекопитающих, то они появились в эволюционных масштабах недавно, всего 200 млн лет назад. • Ближайшим родственником человека, имеющий общего с нами предка, считается шимпанзе. Шимпанзе и человек имели общего предка 5, 4 миллиона лет назад, примерно в это время ветви, ведущие к человеку и шимпанзе, разделились. Около 2 миллионов лет назад у человека появились первые примитивные орудия труда. Предком человека соврменного типа был вид Homo erectus (человек прямоходящий). Человек соверменного анатомического типа появился примерно 100150 тысяч лет назад. 13

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ • Основные гипотезы: • Панспермия - жизнь витает в космосе и разносится по планетам. Жизнь зародилась абиогенно или нет? • Биогенез - живое только от живого. • Абиогенез - живое от неживого. 14

Луи Пастеру принадлежит первое прямое доказательство происхождения живого только от живого. В 1862 году он получил премию Французской академии наук за эту работу. • Суть опыта: в колбе с изогнутой трубкой находился прокипяченный сенный настой. В течение нескольких недель он стоял совершенно прозрачный. Как только колбу наклонили (сквозь трубку в колбу попали микроорганизмы) - настой забродил. Эксперимент правильный. Вывод - живое только от живого. Авторитет Пастера был столь велик, что к теории абиогенеза пришли лишь через 60 лет. • В 1924 году Александр Опарин высказал предположение, что ~4 млд. лет назад жизнь могла возникнуть абиогенно, в силу тех условий, которые существовали тогда на Земле. • Джон Холдейн рассчитал, какие условия и как долго должны были существовать, чтобы зародилась жизнь, каковы необходимые источники энергии для зарождения жизни. 15

Абиогенез • Идея о том, что жизнь возникла абиогенным путем, то есть из неживой материи, была сформулирована в 20 -х годах прошлого века А. И. Опариным и Дж. Холдейном почти одновременно и независимо. Они считали, что аминокислоты, нуклеотиды и другие молекулы, составляющие основу жизни, могли возникнуть абиогенно, в силу тех условий, которые существовали тогда на Земле. Концепция абиогенезе сейчас в научной среде считается принятой большинством ученых, хотя существуют и другие представления о происхождении жизни. Например, гипотеза о том, что споры первых появившихся на Земле организмов были занесены из Космоса. Однако это не снимает вопроса о происхождении жизни, просто переносит начальные события в другое, неизвестное место. В изучении происхождения жизни наиболее перспективным представляется сочетание подходов, учитывающие физические, геохимические и молекулярные процессы в атмосфере молодой Земли. 16

Теория биопоэза • Джон Бернал создал теорию биопоэза, включающую три стадии: • 1. Образование биомономеров. • 2. Образование биополимеров и их эволюция. Образование систем с обратной связью. • 3. Образование мембранных структур и пробионтов (первых клеток). 17

• Экспериментальное доказательство первой стадии - опыты Стенли Миллера. • Суть опыта: в колбе находилась смесь газов (H 2, NH 3, CH 4, CO, CO 2) при температуре ~ 100 0 C. Кипящая вода служила источником водяного пара, а с помощью обратного холодильника поддерживалась циркуляция газовой смеси через сосуд. Давали искровой разряд в 60 тыс. вольт, что энергетически эквивалентно 50 -и млн. лет на примитивной Земле. Результат был ошеломляющий: в колбе появились HCN, HCHO, HCOOH, несколько аминокислот, несколько азотистых оснований жирные кислоты, псирты, моносахара. Эксперимент повторяли много раз. Неперменное условие успеха - отсутствие в колбе свободного кислорода. В зависимости от p. H раствора и соотношения газов были получены разные наборы соединений. Если была H 3 PO 4, то образовывались даже нуклеотиды, а это уже гетерополимеры. • Таким образом была доказана первая стадия возникновения жизни. 4 млрд. лет тому назад с неизбежностью должны были возникнуть биомономеры. • Первичная атмосфера образующейся Земли кислород содержала, но он весь пошел на окисление. Свободного кислорода не было. Таким образом, возникновение биомономеров и биополимеров происходило во вторичной бескилородной среде. • У стадии 3 в принципе есть доказательства. Самая сложная и 18 неочевидная - стадия 2.

2 стадия биопоэза • Помимо 4 -х основных классов биополимеров, могли образовываться и не дошедшие до нас гетерополимеры. Видимо, эволюция химических соединений шла по принципу минимума свободной энергии. • Остановимся пока на белках и нуклеиновых кислотах. • Из разных комплексов белок-нуклеиновая кислота рассмотрим только те, в которых • нуклеиновая кислота сохраняется благодаря защите белком от ультрафиолетового излучения. • Накопим такие комплексы. Из их множества рассмотрим те, в которых белки способствуют увеличению количества защищенной нуклеиновой кислоты. То есть эти белки - ферменты. Из этих комплексов рассмотрим те, где нуклеиновые кислоты, количество которых возрастает под действием белков, способствуют увеличению количества белков благодаря, например, прямому кодированию. Возникают системы с обратной связью. Такие системы обладают некоторыми признаками живого. 19

• Другой вариант. • Первыми молекулами были РНК. • Они имеют третичную структуру и обладают каталитической активностью. Позже появились белки, поддерживающие "выгодные" конформации РНК и защищающие их от расщепления. Уже потом возникает ДНК, как более надежный хранитель генетической информации. Она имеет две цепи, что обеспечивает репарацию, репликация осуществляется за один шаг. Отсутствие ОН-группы в 2'-положении пентозы делает ДНК устойчивой в слабощелочных условиях, губительных для РНК. 20

Стадия 3 • Представим, что лужа покрыта жирной пленкой, а под ней - белки. Если оторвать каплю, то могут получиться пузырьки, содержащие нуклеопротеидные системы с обратной связью. Когда они падают на поверхность водоема, то покрываются вторым липидно-белковым слоем - и образуется современная биологическая мембрана. В мембранной капле диффузия уже не очень существенна. • Далее образуются пробионты - первые организмы, имеющие мембрану. 21

Эволюция пробиотов 22

• Пробионты были первичными гетеротрофами. Они получали энергию при расщеплении органических веществ абиогенного происхождения, в изобилии имевшихся в окружающей среде. Примером древнего способа обмена веществ, дошедшего до наших дней, является гликолиз - ферментативное бескислородное расщепление глюкозы. • По мере истощения запаса органического материала (а новый не образовывался из-за изменения условий на Земле) возникала жесткая конкурентная борьба за него, что ускорило процесс эволюции первичных гетеротрофов. 23

Эволюция пробиотов • Исключительным событием стало возникновение бактериального фотосинтеза, освободившего клетки от зависимости от доступности органики абиогенного происхождения. Скорее всего, фотосинтез возник у анаэробных бактерий, способных к азотофиксации. Побочным продуктом фотосинтеза является кислород. Его накопление в атмосфере привело к коренному изменению хода эволюции. Появление озонового экрана защитило первичные организмы от смертельного УФ-облучения и положило конец абиогенному синтезу органики. • Первые аэробные бактерии появились благодаря приобретению аппарата окислительного фосфорилирования. Продукты брожения подвергались дальнейшему окислению до СО 2 и Н 2 О. Аэробные (вторичные) гетеротрофы могли более эффективно, чем анаэробные (первичные) гетеротрофы, расщеплять органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза. • По-видимому, с ростом концентрации кислорода в атмосфере усложнялась жизнь первичных анаэробных гетеротрофов. Некоторые из них вымерли, другие нашли бескислородную среду. Примером могут служить дошедшие до наших дней метанобразующие бактерии или серные бактерии, живущие в горячих подземных источниках. • Некоторые первичные гетеротрофы пошли по пути, приведшему к образованию эукариотических клеток. Часть из них вступила в симбиоз с аэробными бактериями, способными к окислительному фосфорилированию. Поглотив вторичных гетеротрофов, первичные не расщепили их на молекулы, а сохранили в качестве энергетических станций, называемых сегодня митохондриями. • Такие симбионты дали начало царствам животных и грибов. 24

• Другая часть первичных гетеротрофов "заключила союз" не только с аэробными гетеротрофами, но и с первичными фотосинтетиками, сохранив последних в качестве хлоропластов. Такие симбионты дали начало царству растений. • В пользу симбиотической теории образования эукариот говорят следующие факты: - У митохондрий и хлоропластов две мембраны. Внутренняя - своя, наружняя образована клеткой-захватчиком. - Генетический код митохондрий идеален. Универсальный генетический код имеет два существенных отличия, касающихся инициации и терминации синтеза белка. • • Таким образом эукариоты отстранились от чужой генетической информации. Кроме того, они линеаризовали свою ДНК. Митохондрии и хлоропласты имеют кольцевую ДНК, хотя не очень понятно, для чего им нужна кольцевая ДНК, и бактериальные рибосомы. Однако понятно, почему у них такая ДНК и такие рибосомы. Потому, что их предки были бактериями. Сегодня часть генов митохондриальных белков и белков хлоропластов, в том числе их РНК- и ДНКполимераз, находятся в ядре. Вероятно, попали они туда с помощью мобильных элементов. • Все бактерии делятся на эубактерии (в том числе E. сoli) и археобактерии. Принципиальное отличие между ними в том, что гены археобактерий имеют экзон - интронное строение и сплайсинг. Эубактерии - результат эволюции ана- и аэробных гетеротрофов. Их эволюция шла в благоприятных условиях и они сменили больше поколений, избавившись от интронов. Археобактерии живут в экстремальных условиях: горячие, кислые, высокосолевые подземные воды. Эукариоты и археобактерии сохранили экзон - интронную структуру, что говорит о древнем происхождении экзонов и интронов. 25

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ • Белково-коацерватная теория Опарина. Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А. И. Опариным еще в 20 -х годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков - аминокислот - и белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и необыкновенно популярной. • Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном "бульоне" белковоподобные соединения объединялись" в коацерватные капли - обособленные коллоидные системы (золи), плавающие в более разбавленном водном растворе. • Однако теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. 26

• Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белковокоацерватной теории А. И. Опарина 27

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ • Мир РНК как предшественник современной жизни. Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о том, что все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом. 28

• По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал: • 1) и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов. • 2) в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозидполифосфатов (АТФ и т. п. ). 29

• 3) 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. • 4) 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. • После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни. 30

Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК 31

• Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента, кажущихся принципиальными. • Во-первых, постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической трансэстерификации, приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая начало их многообразию. • Во-вторых, первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической (полимеразной) репликации генетического материала - РНК и ДНК. • Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза, в которой постулируется, что репликация генетического материала и его трансляция - синтез белка - возникали и эволюционировали одновременно и сопряженно, начиная с взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-нуклеотидилатов 32 - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов

Схема эволюции и специализации молекул РНК в процессе перехода от древнего мира РНК к современному миру генетически детерминированного 33 биосинтеза белка

От мира РНК к ДНК-миру • Гипотеза о том, что РНК могла возникнуть раньше, чем ДНК и белки, была названа РНК-миром. • Сейчас это считается общепризнанным фактом, хотя, строго говоря, нельзя исключить другие сценарии развития жизни. • Гипотеза объясняет очень многое, гораздо больше, чем другие гипотезы. Гипотеза о том, что белки лежат у истоков жизни менее рациональная, так как надо искать еще и ответ на вопрос, почему белки, которые самореплицировались, утратили потом эту 34 способность?

35

• • • Как же возникли такие сложные молекулы, столь согласованно друг с другом работающие, обеспечивающие сопряженные метаболические процессы в клетке? На этот вопрос пока никто не может дать полный ответ. Однако некоторые детали известны. Известен путь, на котором можно найти ответ. Проведем следующую аналогию. Процитируем рассказ "Пляшущие человечки" Артура Конан Дойля, один из рассказов о Шерлоке Холмсе, в котором он в очередной раз поразил Уотсона своей проницательностью: . . . - Холмс, как, черт побери, вы об этом узнали? - спросил я. - Видите ли, дорогой мой Уотсон. . . Не так уж трудно построить серию выводов, в которой каждый последующий простейшим образом вытекает из предыдущего. Если после этого удалить все средние звенья и сообщить слушателю только первое звено и последнее, они произведут ошеломляющее впечатление. После взгляда на впадинку между большим и указательным пальцем вашей левой руки, мне было совсем нетрудно заключить, что вы не собираетесь вкладывать свой капитал в золотые россыпи. - Но я не вижу никакой связи между этими двумя обстоятельствами! - Вот опущенные звенья этой простейшей цепи. Во-первых. . . Во-вторых. . . В- шестых. . . - До чего просто! - воскликнул я. - Конечно, - сказал он, слегка уязвленный, - всякая задача оказывается очень простой после того, как вам ее растолкуют. А вот вам задача еще не решенная. . . Для нас эта нерешенная задача – это происхождение жизни на Земле. Мы видим последнее звено этой цепи – жизнь существует. И по результатам многочисленных исследований мы можем представить себе атмосферу молодой Земли, процессы, которые на ней происходили. Жизни тогда еще не было. То есть, у нас есть первое и последнее звено, но у нас нет промежуточных этапов. Если мы не видим промежуточных звеньев, нам кажется это чудом. Это «чудо» истолковывают по-разному: одни говорят, что жизнь была занесена из Космоса, другие считают, что жизнь кто-то создал; но мало кто представляет, что эти звенья можно реконструировать. На данный момент восстановить все эти звенья никто не может, но мы попытаемся представить некоторые из них, показать, каким способом можно реконструировать этапы возникновения жизни на Земле и ее развитие. 36