история исследования нуклеиновых кислот

История изучения нуклеиновых кислот. Доказательства генетической роли нуклеиновой кислоты

dark fb.4725bc4eebdb65ca23e89e212ea8a0ea dark vk.71a586ff1b2903f7f61b0a284beb079f dark twitter.51e15b08a51bdf794f88684782916cc0 dark odnoklas.810a90026299a2be30475bf15c20af5b

caret left.c509a6ae019403bf80f96bff00cd87cd

caret right.6696d877b5de329b9afe170140b9f935

История изучения нуклеиновых кислот начинается с 1869 г., когда швейцарский химик И.Ф. Мишер обнаружил в клеточном ядре осо­бые вещества, обладающие свойствами кислот. Он дал им название нуклеиновых кислот (от лат. nukleus — ядро) (рис. 5.1).

image094

Рис. 5.1. Мишер Иоганн Фридрих (1844-1895)

В 1889 г. немецкий гистолог Рихард Альтман обозначил кислый компонент нуклеина термином «нуклеиновая кислота». В конце XIX в. немецкий биохимик Альбрехт Коссель (1853-1927) (рис. 5.2)расшифровал химический состав нуклеиновой кислоты, показав, что она содержит фосфорную кислоту, углевод и азотистые основания (пурины и пиримидины).

Ф. Левен, Д. Гулланд с сотрудниками (в 1900-1932 гг.) установили, что фосфорная кислота, углевод и азотистое основание соединены в блоки в виде мономеров – нуклеотидов.

Нуклеиновая кислота, выделенная из ядер клеток, в качестве углевода содержит D-дезоксирибозу. Поэтому она получила название дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК. Наряду с ядерной была выделена цитоплазматическая нуклеиновая кислота, содержащая в качестве углевода D-рибозу; она получила название рибонуклеиновой кислоты – РНК.

image095

Рис. 5.2. Альбрехт Коссель (1853-1927)

А.Н. Белозерский и И.И. Дубровская в 1936 г. выделили ДНК из ростков конского каштана. Это показало, что ДНК входит в состав клеток и животных и растений. ДНК была обнаружена и в клетках бактерий.

Современные взгляды на химическое строение нуклеиновых кислот сформировались в 40-50-х гг. прошедшего века.

Впервые прямые доказательства того, что молекулы ДНК являются носителями наследственности, были получены при исследовании у бактерий явления трансформации и позже подтверждены результатами исследования трансдукции. Вкратце эти исследования состояли в следующем.

Долгое время нуклеи­новые кислоты не привлекали внимания исследователей. И только после того как в опытах английского бактериолога Ф. Гриффита (1928) была продемонстрирована способность пневмококков к трансформации, было выдвинуто предположение о том, что «транс­формирующий агент», отождествляемый с «веществом наследствен­ности», находится в ядре.

Суть эксперимента Гриффита заключа­лась в следующем. При введении мышам непатогенных штаммов пневмококков (рис. 5.3) животные не заболевали. При введе­нии патогенных штаммов мыши гибли, однако при введении патогенных микробов, убитых нагреванием, мыши оставались здо­ровыми.

Гриффит показал, что при одновременном введении живых непатогенных и убитых патогенных микробов мыши погибали. Гриффит заключил, что живые микробы непатогенного штамма в присутствии клеток штамма патогенного приобретают наследственно закрепленные свойства патогенности (трансформируются).

image096

Рис. 5.3. Эксперимент Ф. Гриффита

Трансформирующая способность ДНК была подтверждена специальным экспериментом. Фермент дезоксирибонуклеаза разрушает молекулы ДНК. После обработки ДНК дезоксирибонуклеазой, трансформирующая фракция теряла способность вызывать трансформацию.

В 1952 г. А.Херши и М.Чейз проводили эксперименты с бактерио­фагом Т2 — особым видом вируса, убивающим зараженную бакте­риальную клетку (рис. 5.4).

Бактериофаг, проникая в кишечную палочку Еscherichia coli (Е. соli), быстро в ней размножается. Эксперимента­торы размножали бактериофаги в клетках Е. соli, которые росли на двух различных средах: на среде, содержащей радиоактивный изо­топ серы ( 35 S), и на среде, содержащей радиоактивный изотоп фосфора ( 32 Р).

Фаги, которые размножились на клетках, выросших на среде с радиоактивным изотопом серы, включали 35 S только в свои белковые оболочки. Фаги, размножившиеся на клетках, ко­торые выросли на среде с радиоактивным фосфором, содержали ДНК, меченную 32 Р. Затем полученными бактериофагами заража­ли клетки Е. соli, выращенные на обычной среде.

Оказалось, что бактерии, зараженные фагами, выросшими на 35 S, не содержали радиоактивной метки, в то вре­мя как бактерии, зараженные фагами, размножившимися на 32 Р, были радиоактивными.

640 1

Полученные результаты позволили авторам сделать два принципиальных вывода:

1) в бактериальную клетку проникает только фаговая ДНК, которая, размножаясь в клетке Е. соli, дает начало многочисленному потомству;

2) наследствен­ным материалом является ДНК, которая определяет не только струк­туру и свойства ДНК потомства, но и свойства фаговых белков.

image097

Рис. 5.4. Эксперимент А.Херши и М.Чейз

Позже, в 1956 г. было показано, что у РНК-содержащих вирусов генетическая информация также представлена нуклеиновой кислотой, а не белком. Доказано это было в экспериментах с вирусом табачной мозаики.

Источник

Нуклеиновые кислоты: история исследования, описание

В живом организме присутствуют три основные макромолекулы: белки и нуклеиновые кислоты двух видов. Благодаря им поддерживается жизнедеятельность и правильное функционирование всего организма. Что такое нуклеиновые кислоты? Для чего они необходимы? Об этом – далее в статье.

405138

Общая информация

Нуклеиновая кислота – это биополимер, органическое соединение с высокой молекулярностью, которое образовано остатками нуклеотидов. Передача от поколения к поколению всей генетической информации – главная задача, которую выполняют нуклеиновые кислоты. Презентация, которая представлена ниже, раскроет данное понятие более подробно.

История исследования

Первый изученный нуклеотид был выделен из мышц быка в 1847-м году и назван «инозиновая кислота». В результате изучения химического строения было выявлено, что она является рибозид-5′-фосфатом и хранит в себе N-гликозидную связь. В 1868-м году было обнаружено вещество под названием «нуклеин». Открыл его швейцарский химик Фридрих Мишер во время исследований некоторых биологических субстанций. В состав этого вещества входил фосфор. Соединение обладало кислотными свойствами и не подвергалось разложению под влиянием протеолитических ферментов.

405137

405136

Классификация

Нуклеиновые кислоты бывают двух видов: ДНК и РНК. Их присутствие обнаруживается в клетках всех живых организмов. ДНК в основном содержится в ядре клетки. РНК находится в цитоплазме. В 1935 году, в ходе мягкого фрагментирования ДНК, были получены 4 ДНК-образующих нуклеотида. Эти компоненты представлены в состоянии кристаллов. В 1953 году Уотстон и Крик определили, что у ДНК существует двойная спираль.

Методы выделения

405135

Разработаны различные способы получения соединений из естественных источников. Главными условиями этих методик являются результативное разделение нуклеиновых кислот и белков, наименьшая фрагментация веществ, полученных в ходе процесса. На сегодняшний день широко используется классический способ. Суть этого метода заключается в разрушении стенок биологического материала и дальнейшей их обработке анионным детергентом. В результате получается осадок из белка, а нуклеиновые кислоты остаются в растворе. Используется и другой метод. В этом случае нуклеиновые кислоты могут оседать в гелевом состоянии с помощью использования этанола и солевого раствора. При этом следует соблюдать определенную осторожность. В частности, добавлять этанол нужно с большой аккуратностью в солевой раствор для получения гелевого осадка. В какой концентрации выделилась нуклеиновая кислота, какие примеси в ней присутствуют, можно определить спектрофотометрическим методом. Нуклеиновые кислоты с легкостью подвергаются деградации с помощью нуклеазы, представляющей особый класс ферментов. При таком выделении необходимо, чтобы лабораторное оборудование прошло обязательную обработку ингибиторами. К ним относится, например, ингибитор DEPC, который применяется при выделении РНК.

Физические свойства

Нуклеиновые кислоты обладают хорошей растворимостью в воде, а в органических соединениях почти не растворяются. Кроме того, они особо восприимчивы к показателям температуры и уровня рН. Молекулы нуклеиновых кислот, обладающие высокой молекулярной массой, могут фрагментироваться нуклеазой под влиянием механических сил. К таковым относятся перемешивание раствора, его взбалтывание.

Нуклеиновые кислоты. Строение и функции

405134

В клетках встречаются полимерные и мономерные формы рассматриваемых соединений. Полимерные формы называются полинуклеотидами. В таком виде цепочки нуклеотидов связываются остатком фосфорной кислоты. Из-за содержания двух видов гетероциклических молекул, называемых рибозой и дезоксорибозой, кислоты, соответственно, бывают рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые. С их помощью происходит хранение, передача и реализация наследственной информации. Из мономерных форм нуклеиновых кислот наиболее популярная аденозинтрифосфорная кислота. Она участвует в передаче сигналов и обеспечении запасов энергии в клетке.

Дезоксирибонуклеиновая кислота является макромолекулой. С ее помощью происходит процесс передачи и реализации генетической информации. Эти сведения необходимы для программы развития и функционирования живого организма. У животных, растений, грибов ДНК входит в состав хромосом, находящихся в ядре клетки, а также находится в митохондриях и пластидах. У бактерий и архей молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты цепляется за клеточную мембрану с внутренней стороны. В таких организмах присутствуют в основном кольцевые молекулы ДНК. Они получили название «плазмиды». По химическому строению дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой полимерную молекулу, состоящую из нуклеотидов. Эти компоненты, в свою очередь, имеют в своем составе азотистое основание, сахар и фосфатную группу. Именно за счет двух последних элементов образуется связь между нуклеотидами, создавая цепи. В основном макромолекула ДНК представлена в виде спирали из двух цепей.

Читайте также:  ледниковый период главные герои имена персонажей

405133

Рибонуклеиновая кислота представляет собой длинную цепь, состоящую из нуклеотидов. В их составе присутствуют азотистое основание, сахар рибозы и фосфатная группа. Генетическая информация кодируется с помощью последовательности нуклеотидов. РНК используется для программирования синтеза белков. Рибонуклеиновая кислота создается в ходе транскрипции. Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. Он происходит при участии специальных ферментов. Называются они РНК-полимеразами. После этого матричные рибонуклеиновые кислоты участвуют в процессе трансляции. Так происходит осуществление синтеза белка на матрице РНК. Активное участие в этом процессе принимают рибосомы. Остальные РНК в завершение транскрипции проходят химические преобразования. В результате происходящих изменений образуются вторичная и третичная структуры рибонуклеиновой кислоты. Они функционируют в зависимости от типа РНК.

Источник

Нуклеиновые кислоты

Урок 39. Химия 10 класс (ФГОС)

20210413 vu tg sbscrb2

39

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

20210706 unblock slide1

20210706 unblock slide2

20210706 unblock slide3

Конспект урока «Нуклеиновые кислоты»

Открытие нуклеиновых кислот связано с именем Фридриха Мишера. Свою деятельность он начал с изучения гноя. Из гнойных клеток он получил вещество ядерного происхождения. Вскоре методику Мишера стали применять для выделения нуклеина из тканей.

Впервые термин «нуклеиновые кислоты» был предложен в 1889 году. Нуклеиновыми их стали называть потому, что впервые они были открыты в ядрах клеток (nucleus – «ядро»), а кислотами, так как в их составе есть остатки фосфорной кислоты. Как известно, нуклеиновые кислоты встречаются во всех живых клетках.

Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).

Позже было доказано, что нуклеиновые кислоты состоят из множества нуклеотидов (от нескольких десятков до сотен миллионов), которые связаны фосфодиэфирными связями, а в состав каждого нуклеотида входит азотистое основание, углевод (пентоза) и остаток фосфорной кислоты.

image001

Азотистое основание может быть пиримидиновое и пуриновое. Пиримидиновые основания являются производными пиримидина, а пуриновые основания – производные пурина. К пиримидинам относятся урацил, тимин, цитозин, к пуринам – аденин, гуанин. В состав нуклеиновых кислот входят такие моносахариды, как рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав рибонуклеиновой кислоты, а дезоксирибоза – в состав дезоксирибонуклеиновой кислоты. Это отличие ДНК от РНК.

image002

В состав ДНК входят тимин, цитозин, аденин и гуанин, в состав РНК – те же основания, только вместо тимина входит урацил. Это второе отличие ДНК от РНК.

image003

Азотистое основание связывается с углеводом за счет гликозидного гидроксила. Образуется нуклеозид. Нуклеозид, связанный с остатком фосфорной кислоты, называется нуклеотидом.

image004

Нуклеиновые кислоты имеют различные структуры. Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой чередование нуклеотидов в полимерной цепи.

Вторичная структура ДНК и РНК также различается. В 1953 году была расшифрована вторичная структура ДНК. За это открытие в 1962 году была присуждена Нобелевская премия Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу.

image005

То есть РНК представляет собой одинарную цепь полимеров, а ДНК – двойную. Эта двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности: напротив аденинового нуклеотида всегда расположен тиминовый другой полимерной цепи, а напротив гуанинового – цитозиновый нуклеотид. Этот порядок расположения обусловлен водородными связями между нуклеотидами.

ДНК находится в основном в хромосомах (99 %), а также митохондриях и хлоропластах. РНК же входит в состав ядрышек, рибосом, митохондрий, пластид и цитоплазмы. Это ещё одно отличие ДНК от РНК.

ДНК хранит генетическую информацию, которая передаётся из поколения в поколение. В её составе закодирован состав всех белков организма, хотя молекула ДНК не принимает участие в синтезе белка.

Всю эту функцию выполняет и-РНК. Этот процесс состоит из двух стадий. На первой стадии происходит считывание информации, этот процесс называют транскрипцией, а вторая стадия – это синтез белка – трансляция.

image006

Важным свойством ДНК является её способность к самоудвоению – репликации. Если водородные связи между комплементарными основаниями разрываются, то спираль раскручивается, но затем синтезируется новая нить из нужных нуклеотидов. В результате образуется две абсолютно одинаковые молекулы ДНК, в каждой из которых одна нить взята от исходной ДНК, а вторая нить образовалась в результате биосинтеза.

image007

Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях, очень чувствительны к действию температуры и критических значений уровня pH.

Молекулы ДНК, которые имеют большое значение молекулярной массы, можно разделить на фрагменты механическим способом, например, перемешивания раствор.

Молекулы ДНК – самые крупные молекулы. Молекула ДНК E.coli состоит примерно из 4 000 000 пар нуклеотидов, её относительная масса равна 26 000 000 000. Чтобы записать нуклеотидную последовательность ДНК человека, потребуется около 1 000 000 страниц.

Нуклеиновые кислоты делят на фрагменты такими ферментами, как нуклеазы.

Молекулы РНК химически очень уязвимы. При действии кислот и щелочей фрагменты полимерной цепи легко гидролизуются (Р(О) – О – СН2) и фрагменты А, У, Г и Ц легко отщепляются. Например, при действии фермента рибонуклеазы можно получить мономерные фрагменты и химически связанные при этом гетероциклы.

Что касается химических свойств ДНК, то в воде эта молекула образует вязкие растворы, при нагревании этих растворов или при действии щелочей двойная спираль распадается на две цепи, которые вновь могут объединиться, если вернуть прежние условия.

В слабой кислотной среде происходит гидролиз ДНК, при этом расщепляются фрагменты Р(О) – О – СН2 и образуются мономерные, димерные или тримерные кислоты, из которых была построена молекула ДНК.

Что же касается РНК, то по выполняемым ими функциям различают:

· информационные РНК (и-РНК) осуществлляют синтез белка;

· рибосомные РНК (р-РНК) входят в состав рибосом и выполняют структурную функцию;

· транспортные РНК (т-РНК) обеспечивают доставку аминокислот к месту синтеза белка – к рибосомам.

В качестве генетического материала РНК входят в состав ряда вирусов. Например, вирусы, вызывающие такие опасные заболевания, как грипп и СПИД, являются РНК-содержащими.

Таким образом, к нуклеиновым кислотам относятся ДНК и РНК. ДНК и РНК – это природные биополимеры, построенные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты состоят из множества нуклеотидов. При определённых условиях для нуклеиновых кислот характерны реакции гидролиза. Основными функциями ДНК и РНК является синтез белков. В 1953 году была расшифрована структура ДНК.

Источник

Жизнь начиналась с РНК

Исследования нуклеиновых кислот являются одной из самых «горячих точек» в биологии. Благодаря уникальным свойствам РНК находят все более широкое применение в медицине и технике. Но знает об этом пока лишь узкий круг специалистов.

Рибонуклеиновой кислоте, иначе – РНК – не повезло. Она не пользуется такой широкой известностью, как ее близкий «родственник» – ДНК, несмотря на большое химическое сходство. Однако открытия последних двадцати лет радикально поменяли наши взгляды на роль и функции этих, как выяснилось, очень «умелых» молекул. Плодом этих открытий стала принципиально новая идея о том, что современной жизни предшествовал совершенно самодостаточный древний «мир РНК».

Как это обычно бывает, новое знание, расширяя горизонт, породило и массу новых вопросов. Каковы были механизмы «эволюции» в мире РНК? Зачем, откуда и как появились ДНК и белки? Как произошел переход от «мира РНК» к современному миру? О поисках, которые ведутся в этом направлении, читателям рассказывают академик Валентин Викторович Власов и его сын, кандидат химических наук, Александр Власов.

Почему в цикле статей, посвященных проблеме возникновения жизни, появляется статья об РНК, а не о других, более известных органических молекулах — ДНК или белках? Возможно, наши читатели слышали и об РНК, но вот что? Уверены, ничего примечательного — по одной простой причине: пока лишь специалисты-биологи знают, что именно РНК яв­ляют­ся «волшебными» молекулами, давшими начало жизни. Что когда-то в древности, на только что остывшей Земле, возник и существовал загадочный «мир РНК»…

Прежде чем отправиться к «началу начал», давайте запасемся необходимыми знаниями о строении нуклеи-новых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой). По своему химическому составу РНК является двойняшкой, хотя и не полным близнецом, ДНК, основного хранителя генетической информации в живой клетке. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимерные макромолекулы, состоящие из отдельных звеньев — нуклеотидов. Скелетом макромолекулы являются молекулы пятиуглеродного сахара, соединенные остатками фосфорной кислоты. К каждой молекуле сахара присоединяется одно азотистое основание. Нуклеотиды, которые различаются между собою только разными азотистыми основаниями, обозначаются буквами A, U, G, C (в РНК) и A, T, G, C (в ДНК).

Читайте также:  лесной царь аудиокнига слушать

Честно говоря, насчет РНК никто не задумывался долгие годы. Существовала догма, что вот есть клетка, есть хромосомы, в которых есть ДНК — хранитель генетической информации.
В конце концов, на рибосомах синтезируются белки. А РНК — она где-то в промежутке, переносчик информации от ДНК — и только. А потом посыпались открытия, которые заставили совершенно по-другому взглянуть на РНК Главное отличие нуклеиновых кислот заключается в их углеводной компоненте. В РНК сахар — рибоза, а в ДНК — дезоксирибоза: там, где у ДНК имеется атом водорода (Н), у РНК стоит оксигруппа (ОН). Результаты таких незна­чительных, на неискушенный взгляд, различий поражают. Так, ДНК существуют в основном в форме всем известных жестких спиралей, в которых две цепи ДНК удерживаются вместе за счет образования водородных связей между комплементарными нуклеотидами.

РНК также могут формировать спирали из двух цепочек, похожие на спирали ДНК, однако в большинстве случаев РНК существуют в виде сложных структур-клубков. Структуры эти формируются не только за счет образования упомянутых водородных связей между разными участками РНК, но и благодаря оксигруппе рибозы, которая может образовывать дополнительные водородные связи и взаимодействовать с фосфорной кислотой и ионами металлов. Глобулярные структуры РНК не только внешне напоминают белковые структуры, но и приближаются к ним по свойствам: они могут взаимодействовать с самыми разными молекулами, как маленькими, так и полимерными.

Кого Считать «Живым»?

Почему же именно РНК мы называем праматерью ныне существующей жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, где проходит граница между живым и неживым.

Поскольку над проблемой происхождения жизни работают ученые из разных областей, каждый оперирует терминами близкой ему науки. Химики обязательно вспомнят слово «катализатор», математики — «информация». Биологи будут считать живой систему, содержащую вещество (генетическую программу), которое может копироваться (или, по-простому, размножаться). При этом необходимо, чтобы в ходе такого копирования могли происходить некоторые изменения наследственной информации и возникать новые варианты систем, т. е. должна существовать возможность эволюции. Еще биологи обязательно заметят, что такие системы должны быть пространственно обособлены. Иначе возникшие более прогрессивные системы не смогут воспользоваться своими преимуществами, поскольку их более эффективные катализаторы и другие продукты будут беспрепятственно «уплывать» в окружающую среду.

Каким же образом первые молекулярные системы были обособлены от окружающей среды? Колонии молекул могли, например, удерживаться вместе за счет адсорбции на какой-нибудь минеральной поверхности или пылевых частицах. Однако возможно, что уже самые примитивные системы располагали, подобно современным живым клеткам, настоящей мембранной оболочкой. Дело в том, что такая «протоклетка» с липидной мембраной может образоваться очень про­сто. Многие молекулы с заряженными группами (напри­мер, жирные кислоты) в водной среде образуют микроскопические пузырьки — липосомы. Это слово должно быть хорошо известно прекрасной половине наших читателей: липосомы широко используются в косметических кремах — крохотные жировые капсулы начиняются витаминами и другими биологически активными веществами. А вот чем были наполнены древние «протоклетки»? Оказалось, что на роль «начинки» претендуют именно РНК.

РНК умеет все?

Жизнь, без сомнения, должна была начаться с образования «умелых» молекул, которые могли бы сами себя размножать и выполнять все другие «хозяйственные работы», необходимые для существования клетки. Однако на роль таких умельцев не подходит ни ДНК, ни белок. ДНК — отличный хранитель генетической инфор­мации, но сама себя размножать не умеет. Белки — непревзойденные катализаторы, но не могут работать в качестве «генетических программ». Возникает парадокс курицы и яйца: ДНК не может образоваться без белка, а белок — без ДНК. И только РНК, как выяснилось, может ВСЕ. Но не будем забегать вперед.

Рассмотрим давно известные функции РНК, связанные с работой (экспрессией) гена в клетке. При включении гена сначала происхо­дит локальное расплетение ДНК и синтези­руется РНК-копия генетической программы. В результате сложных обработок ее специальными белками получается матричная РНК (мРНК), которая и явля-ется программой для синтеза белка. Эта РНК переносится из яд­ра в цитоплазму клетки, где она связывается со специальными клеточными структурами — рибосомами, настоящими молекулярными «машинами» для синтеза белка. Белок син­тезируется из активированных аминокислот, присо­единенных к особым транспортным РНК (тРНК), причем каждая из аминокислот присоединена к своей специфической тРНК. Благодаря тРНК аминокислота фиксируется в каталитическом центре рибосомы, где она «пришивается» к синтезируемой белковой цепи. Из рассмотренной последовательности событий видно, что молекулы РНК играют ключевую роль в декодировании генетической информации и биосинтезе белка.

Чем больше углублялись в изучение различных био­синтетических процессов, тем чаще обнаруживали ранее неизвестные функции РНК. Оказалось, что кроме процесса транскрипции (синтеза РНК путем копирования участка ДНК) в ряде случаев, наоборот, может происходить синтез ДНК на РНК-матрицах. Этот процесс, названный обратной транскрипцией, используют в ходе своего развития многие вирусы, в том числе печально известные онкогенные вирусы и ВИЧ-1, вызывающий СПИД.

Таким образом, выяснилось, что поток генетической информации не является, как первоначально считалось, однонаправленным — от ДНК к РНК. Роль ДНК как изначально главного носителя генетической информации стала подвергаться сомнению. Тем более что многие вирусы (гриппа, клещевого энцефалита и другие) вообще не используют ДНК в качестве генетического материала, их геном построен исключительно из РНК. А далее посыпались одно за другим открытия, которые заставили совершенно по-другому взглянуть на РНК.

На Все «Молекулы» Мастер

Наиболее удивительным было открытие каталитической способности РНК. Прежде считалось, что катализировать реакции умеют только белки, ферменты. Ученые, например, никак не могли выделить ферменты, осуществляющие разрезание и сшивание некоторых РНК. После длительных исследований выяснилось, что РНК прекрасно справляются с этим сами. Структуры РНК, действующие подобно ферментам, назвали рибозимами (по аналогии с энзимами, белками-катализаторами). Вскоре было обнаружено множество разнообразных рибозимов. Особенно широко их используют для манипулирования своими РНК вирусы и другие простые инфекционные агенты. Таким образом, РНК оказались мастерами на все руки: они могут выступать в роли носителей наследственной информации, могут служить катализаторами, транспортными средствами для аминокислот, образовывать высокоспецифичные комплексы с белками.

Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Ученые рассчитывали обнаружить там белок, катализирующий сшивание аминокислот в белковую последовательность. Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в каталитическом центре рибосом белковых структур нет совсем, что он полностью построен из РНК! Оказалось, что все ключевые стадии биосинтеза белка осуществляются молекулами РНК. Точка в дискуссии о возможности существования «мира РНК» как особой стадии биологической эволюции была поставлена.

Конечно, полную картину еще предстоит реконструировать — осталось много нерешенных вопросов. Например, в современной клетке активацию аминокислот и их присоединение к соответствующим тРНК осуществляют специфичные белки-ферменты. Возникают вопросы: могла ли эта реакция осуществляться без участия белков, только с помощью РНК? Могли ли сами РНК катализировать синтез РНК из нуклеотидов или присоединение азоти­стых оснований к сахару? В общем-то, после открытия рибозимов такие потенциальные способности РНК уже не вызывали особых сомнений. Но наука требует, чтобы гипотезы экспериментально подтверждались.

Дарвиновская Эволюция в Пробирке

Хороший метод зачастую позволяет осуществить революцию в науке. Именно так можно сказать о методе полимеразной цепной реакции (ПЦР), который позволяет размножать нуклеиновые кислоты в неограниченных количествах. Кратко опишем суть метода. Для размножения ДНК в методе ПЦР используются ферменты ДНК- полимеразы, т. е. те самые ферменты, которые при размножении клеток синтезируют из активированных мономеров-нуклеотидов комплементарные цепочки ДНК.

При методе ПЦР в пробирку с ДНК вносят смесь активированных нуклеотидов, фермент ДНК-полимеразу и так называемые праймеры — олигонуклеотиды, комплементарные концам размножаемой ДНК. При нагре­вании раствора цепи ДНК расходятся. Затем, при охлаждении, с ними связываются праймеры, образуя короткие фрагменты спиральных структур. Фермент при­соединяет к праймерам нуклеотиды и собирает цепочку, комплементарную цепочке исходной ДНК. В результате реакции из одной двуцепочечной ДНК получается две. Если повторить процесс, получится четыре цепочки, а после n повторений — 2 n молекул ДНК. Все очень просто.

Читайте также:  история беларуси грюнвальдская битва

Изобретение ПЦР и разработка методов химического синтеза ДНК позволили создать потрясающую технологию молекулярной селекции. Принцип молекулярной селекции тоже прост: сначала синтезируется множество молекул, обладающих разными свойствами (так называемая молекулярная библиотека), а затем из этой смеси отбираются молекулы с желаемым свойством.

Библиотеки нуклеиновых кислот — это смеси молекул, имеющих одинаковую длину, но отличающихся последовательностью нуклеотидов. Получить их мож­но в том случае, если при химическом синтезе на авто-матическом синтезаторе добавлять на каждой стадии удлинения нуклеотидной последовательности одно-временно все четыре нуклеотида. Каждый из них будет включаться в растущую нуклеиновую кислоту с рав­ной вероятностью, в результате чего на каждом этапе присоединения будет получаться 4 варианта последо­вательностей. Если таким образом синтезировать нуклеиновую кислоту длиной в n звеньев, то разнообра­зие полученных молекул составит 4 в степени n. Поскольку обычно используются участки длиной 30—60 мономеров, то в результате синтеза получается от 4 30 до 4 60 разных молекул! Цифры, привычные разве что для астрономов.

Так как в зависимости от состава нуклеиновые кислоты сворачиваются в разные пространственные струк­туры, синтез статистических последовательностей дает огромное множество молекул, различающихся по свойствам. С образовавшихся ДНК — с помощью фермента РНК-полимеразы — считывается РНК. В результате получается библиотека уже одноцепочечных РНК. Далее производится процедура отбора: раствор РНК пропускается через колонку, в которой находится нерастворимый носитель с химически присо­единенными молекулами-мишенями, чтобы «выловить» так называемый будущий аптамер, т. е. РНК, способную связывать определенные молекулы. Затем колонку промывают для удаления несвязав­шихся РНК, а затем смывают РНК, задержавшиеся на колон­ке за счет связывания с целевыми молекулами (это мож­но сделать, например, нагревая колонку).

С выделенных РНК с помощью обратной транскрип­ции делают ДНК-копии и получают из них обычные двуцепочечные молекулы ДНК. С последних же можно считывать искомые РНК-аптамеры, а затем — размножать их методом ПЦР в неограниченных количествах. Конечно, так происходит в идеальном случае, на практике все получается сложнее. Обычно исходный препарат РНК содержит огромный избыток «по-сторонних» молекул, избавиться от которого трудно. Поэтому полученную РНК вновь и вновь пропу­скают через колонку, чтобы выделить РНК, образующие самые прочные комплексы с целевыми молекулами.

С помощью такого метода были получены тысячи разных РНК-аптамеров, которые образуют специфические комплексы с различными органическими соединениями и молекулами.

Рассмотренная схема молекулярной селекции может быть применена для получения молекул с любыми свойствами. Например, были получены РНК, способные катализировать реакции синтеза РНК и бел­ков: присоединение азоти­стых оснований к рибозе, полимеризацию активированных нуклеотидов на цепочках РНК, присоединение аминокислот к РНК. Эти исследования еще раз подтвердили, что в условиях предбиологической эволюции из слу­чайных полимеров могли возникать молекулы РНК
со специфическими структурами и функциями.

Делайте Ваш Заказ!

Метод молекулярной селекции обладает очень большими возможностями. С его помощью можно решать задачи поиска нужных молекул даже в том случае, если исходно нет идеи, как такие молекулы должны быть устроены. Однако, если придумать процедуру отбора, их можно выделить по принципу требуемых свойств, а затем уже заняться и вопросом, как эти свойства достигаются. Продемонстрируем это на примере выделения РНК, способных связываться с клеточными мембранами и модулировать их проницаемость.

Древние рибоциты должны были поглощать «питательные» вещества из окружающей среды, удалять продукты метаболизма и делиться в ходе размножения.
И все эти процессы требуют управления проницаемостью мембран. Поскольку мы полагаем, что никаких других функциональных молекул, кроме РНК, в рибоцитах не было, какие-то РНК обязательно должны были взаимодействовать с мембранами. Однако с химической точки зрения они совершенно не подходят для роли регуляторов проницаемости мембран.

Мембраны современных клеток и липосом, построенные из жирных кислот, несут отрицательный заряд. Поскольку РНК также заряжены отрицательно, то по закону Кулона они должны отталкиваться от липидной поверхности и тем более не могут проникать в глубь липидного слоя. Един­ственный известный способ взаимодей­ствия нукле­иновых кислот с поверхностью мембран — через двухзарядные ионы металлов. Эти положительно заряженные ионы могут играть роль мостиков, располагаясь между отрицательно заряженными группами на поверхности мембраны и фосфатными группами нуклеиновой кислоты. По­скольку такие мостиковые взаимодействия достаточно слабые, с мембраной может связаться только очень большая нуклеиновая кислота благодаря множеству слабых связей с поверхностью мембраны. Так маленькие враги привязали Гулливера к земле множеством тоненьких веревок.

Тут и помог исследователям метод молекулярной селекции. Из библиотеки РНК удалось выделить не-сколько молекул, которые очень успешно связывались с мембранами, а при достаточно высокой концентрации — даже разрывали их! Эти РНК обладали необычными свойствами. Они как бы помогали друг другу: смесь молекул разных сортов связывалась с мембранами гораздо лучше, чем молекулы одного сорта. Все стало ясным после изучения вторичных структур этих РНК. Оказалось, что в них имеются петли с комплементарными участка­ми. За счет этих участков «мембран­ные» РНК могут формировать комплексы-сообщества, которые способны образовывать множественные контакты с мембраной и делать то, что одной молекуле РНК не под силу.

Этот селекционный эксперимент подсказал, что у РНК есть дополни­тельный способ приобретения новых свойств путем образования сложных надмолекулярных комплексов. Этот механизм мог использоваться и для удерживания эволюционирующих систем РНК в виде колоний на поверхностях еще до того, как эти системы обзавелись изолирующей мембраной.

«Мир РНК»: Был, Есть и Будет!

Множество данных свидетельствует о том, что «мир РНК» действительно существовал. Правда, не совсем ясно — где. Некоторые специалисты полагают, что начальные этапы эволюции происходили не на Земле, что на Землю были занесены уже функционально активные системы, которые приспособились к местным условиям. Однако с химической
и биологической точки зрения это не меняет сути дела. В любом случае остается загадкой — в результате каких процессов в окружающей среде рибоциты образовались и за счет каких компонентов существовали. Ведь требуемые для жизни рибоцитов нуклеотиды — сложные молекулы. Трудно представить, что эти вещества могли образовываться в условиях пребиотического синтеза.

Вполне возможно, что древние РНК значительно отличались от современных. К сожалению, следов этих древних РНК экспериментально обнаружить нельзя, речь идет о временах, удаленных от нас на миллиарды лет. Даже скалы тех времен давно «рассыпались в песок». Поэтому речь может идти только об экспериментальном моделировании процессов, которые могли протекать на самых ранних стадиях молекулярной эволюции.

Почему произошел переход от «мира РНК» к современному миру? Белки, располагающие гораздо большим набором химических групп, чем РНК, являются лучшими катализаторами и структурными элементами. По-видимому, некоторые древние РНК стали использовать белковые молекулы в качестве «орудий труда». Такие РНК, способные к тому же синтезировать для своих целей полезные молекулы из окружающей среды, получали преимущества в размножении. Есте­ственным путем отбирались соответ­ствующие аптамеры и рибозимы.
А затем эволюция сделала свое дело: возник аппарат трансляции, и постепенно ответственность за катализ перешла к белкам. Орудия ока­зались столь удобными, что вытеснили своих «хозяев» из многих сфер деятельности.

Читатель вправе спросить: а зачем вообще нужно исследовать эволюцию РНК, ведь древний «мир РНК» исчез? Неужели только ради «чистого искусства», удовлетворения интересов фанатичных исследователей? Однако, не зная прошлого, нельзя понять настоящее. Изучение эволюции и возможностей РНК может подсказать новые направления поиска процессов, протекающих в современных живых клетках. Например, совсем недавно были обнаружены мощные системы регуляции активности генов с участием двуцепочечных РНК, с помощью которых клетка защищает себя от вирусных инфекций. Эта древняя система клеточной защиты, вероятно, скоро найдет применение в терапии.

Поэтому неудивительно, что в наше время исследования нуклеиновых кислот продолжают оставаться одной из самых «горячих точек» в молекулярной биологии. Благодаря уникальным свойствам РНК находят все более широкое приме­нение в медицине и технике. Возникший в незапамятные времена «мир РНК» будет не только продолжать незримо существовать
в наших клетках, но и возрождаться в виде новых биотехнологий.

Редакция благодарит сотрудников Института химической биологии и фундаментальной медицины
СО РАН к. х. н. В. В. Коваля, к. х. н. С. Д. Мызину и к. х. н. А. А. Бондаря за помощь в подготовке статьи

Источник

Поделиться с друзьями
Моря и океаны
Adblock
detector