Вирусы не способны размножаться независимо от организма-хозяина. Для того чтобы вирус продолжил свое существование, ему необходимо проникнуть в клетку живого организма, чтобы использовать его механизмы для собственного размножения.
Вирусная частица проникает в клетку и разрушает ее оболочку, высвобождает генетический материал, который начинает контролировать клеточные механизмы и заставлять их производить компоненты вируса. После этого происходит сборка этих компонентов в новые вирусные частицы и их выход из клетки, разрушая ее. Таким образом, вирус использует клетку для размножения и распространения.
Таблица классификации вирусов по типу генетического материала:
| Тип генетического материала | Примеры вирусов |
|---|---|
| ДНК | Герпесвирусы, папилломавирусы, покупоконюнктивитные вирусы |
| РНК | Гриппа, гепатита, ВИЧ |
Вывод: Вирусы – это небольшие инфекционные агенты, которые используют клетки организма для своего размножения. Они характеризуются простым строением, обязательным внутриклеточным паразитизмом и разнообразными методами классификации. Понимание процесса заражения вирусов поможет в разработке методов профилактики и лечения инфекционных заболеваний.
Инфекция вирусами: процесс репликации
Данный процесс является достаточно сложным, однако мы рассмотрим его на самом простом уровне. Как было сказано ранее, вирус является неклеточной формой жизни и не способен размножаться самостоятельно. Для создания своих копий ему необходимо попасть в клетку живого организма.
Путь вируса в клетку и репликация
Попадание вируса в организм происходит различными путями, например, через дыхательные пути, с кровью при порезе, через укус насекомого и т.д. При взаимодействии белков вирусной оболочки (капсида) и протеинов клетки хозяина, происходит образование пути для проникновения генетического материала вируса внутрь клетки.
Затем при использовании рибосом живой клетки, белковых молекул (ферментов) и т.д. происходит репликация генетического материала вируса. Последовательность которой зависит от молекулы нуклеиновой кислоты вируса. На последнем этапе происходит сборка вирионов, путем упаковки вновь образовавшихся генетических последовательностей в белковую оболочку. Выход вирусной частицы за пределы пораженной клетки, не редко, сопровождается повреждением клеточной мембраны и гибелью хозяйской клетки.
РНК-содержащие вирусы
Вирусы, генетический материал которых представлен рибонуклеиновой кислотой, принято называть РНК-содержащими вирусами. Для распределения данной группы вирусов по классификации Балтимора, они делятся на несколько категорий.
Группы РНК-вирусов
- Однолинейные РНК-содержащие вирусы.
- Двухлинейные РНК-содержащие вирусы.
- Положительно-ориентированные РНК-содержащие вирусы.
- Отрицательно-ориентированные РНК-содержащие вирусы.
Ретровирусы
Шестая группа согласно классификации Балтимора – ретровирусы. Данные вирусы также содержат РНК, однако в процессе репликации используют молекулу ДНК.
Заключение
Вирусы играют важную роль в природе и для понимания их действия важно проводить лабораторные исследования. В случае подозрения на вирусное инфекционное заболевание, обратитесь в лабораторию ДЦЛИ в Москве для более подробной информации.
Подробности на нашем сайте.
Структура ДНК (двойная спираль), В-форма.
Структура и функции ДНК
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У прокариот и у низших эукариот (например дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.
Химическая структура ДНК
С химической точки зрения ДНК — длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в полимерной цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи).
Роль ДНК
Последовательность нуклеотидов позволяет кодировать информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и далее принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК содержит последовательности, выполняющие в клетках регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие генетическим паразитам, например транспозонам.
Образование спирали и связей в ДНК
У подавляющего большинства живых организмов ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Спираль стабилизирована водородными связями между обращёнными друг к другу азотистыми основаниями входящих в неё цепей. Эта спираль, чаще всего, правозакрученная. Направления от 3-конца к 5-концу в двух цепях противоположны (цепи антипараллельны). Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи, что важно для всех функций ДНК в живых организмах.
Формы ДНК
В зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы, двойная спираль ДНК существует в разных формах. На рисунке представлены формы A, B и Z (слева направо).
Вплоть до 50-х годов XX века точное строение и функции ДНК оставались загадкой, но сегодня мы хорошо понимаем его значимость для жизни на Земле.
Части молекул ДНК, которые из-за их функций должны быть легко разделяемы, например, ТАТА последовательность в бактериальных промоторах, обычно содержат большое количество А и Т.
Химические модификации азотистых оснований
Структура цитозина, 5-метилцитозина и тимина. Тимин может возникать путём деаминирования 5-метилцитозина.
Структуры на концах хромосом
ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов — наследственность и изменчивость.
В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, отсюда следует, что образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.
Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).
Последовательность нуклеотидов кодирует информацию о различных типах РНК: информационных, или матричных (мРНК), рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на основе ДНК в процессе транскрипции. Роль их в биосинтезе белков (процессе трансляции) различна.
Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, рибосомальные РНК служат основой для рибосом (сложных нуклеопротеиновых комплексов, основная функция которых — сборка белка из отдельных аминокислот на основе иРНК), транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков — в активный центр рибосомы, ползущей по иРНК.
DNA генома бактериофага:
- Фотография под просвечивающим электронным микроскопом
Последовательности генома, не кодирующие белок
Генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть прочитана и в конечном итоге выражена в синтезе различных биополимеров, из которых состоят клетки. Последовательность оснований в цепочке ДНК напрямую определяет последовательность оснований в РНК, на которую она «переписывается» в процессе, называемом транскрипцией. В случае мРНК эта последовательность определяет аминокислоты белка. Соотношение между нуклеотидной последовательностью мРНК и аминокислотной последовательностью определяется правилами трансляции, которые называются генетическим кодом. Генетический код состоит из трёхбуквенных «слов», называемых кодонами, состоящих из трёх нуклеотидов (то есть ACT, CAG, TTT и т. п.). Во время транскрипции нуклеотиды гена копируются на синтезируемую РНК РНК-полимеразой. Эта копия в случае мРНК декодируется рибосомой, которая «читает» последовательность мРНК, осуществляя спаривание матричной РНК с транспортными РНК, которые присоединены к аминокислотам. Поскольку в трёхбуквенных комбинациях используются 4 основания, всего возможны 64 кодона (4³ комбинации). Кодоны кодируют 20 стандартных аминокислот, каждой из которых соответствует в большинстве случаев более одного кодона. Один из трёх кодонов, которые располагаются в конце мРНК, не означает аминокислоту и определяет конец белка, это «стоп» или «нонсенс» кодоны — TAA, TGA, TAG.
Взаимодействие с белками
Взаимодействие фактора транскрипции STAT3 с ДНК (показана в виде синей спирали)
Все функции ДНК зависят от её взаимодействия с белками. Взаимодействия могут быть неспецифическими, когда белок присоединяется к любой молекуле ДНК, или зависеть от наличия особой последовательности. Ферменты также могут взаимодействовать с ДНК, из них наиболее важные — это РНК-полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК на РНК в транскрипции или при синтезе новой цепи ДНК — репликации.
Структурные и регуляторные белки
В клетке ДНК находится в компактном, т. н. суперскрученном состоянии, иначе она не смогла бы в ней уместиться. Для протекания жизненно важных процессов ДНК должна быть раскручена, что производится двумя группами белков — топоизомеразами и хеликазами.
Нуклеазы и лигазы
ДНК-лигаза I (кольцеобразная структура, состоящая из нескольких одинаковых молекул белка, показанных разными цветами), лигирующая повреждённую цепь ДНК
Рекомбинация происходит в результате физического разрыва в хромосомах (М) и (F) и их последующего соединения с образованием двух новых хромосом (C1 и C2)
Эволюция метаболизма, основанного на ДНК
1. ДНК и РНК являются крупными органическими молекулами с высокой молекулярной массой. В состав этих веществ входят химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор.
2. ДНК и РНК являются биологическими полимерами нерегулярного строения – их мономеры повторяются без определенной последовательности.
3. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, пятиуглеродного сахара и остатка фосфорной кислоты. Соединяются мономеры с помощью ковалентной полярной связи.
1. ДНК в отличие от РНК представляет собой молекулу, состоящую их двухполинуклеотидных цепей, закрученных в двойную спираль (РНК представ-лено одной полинуклеотидной цепью, уложенной в пространстве в слож-ную форму).
2. ДНК в отличие от РНК в составе нуклеотида имеет пятиуглеродный сахар – дезоксирибоза. Азотистые основания ДНК представлены – аденином, тимином, гуанином, цитозином.
3. ДНК в отличие от РНК способна к матричной реакции удвоения (репликации). Этот процесс лежит в основе размножения организмов.
1. ДНК и белки являются крупными органическими молекулами с большой молекулярной массой. В их состав входят биогенные элементы: углерод, водород, кислород и азот.
2. ДНК и белки являются биологическими полимерами нерегулярного строения – их мономеры повторяются без определенной последовательности. Мономеры связаны ковалентными полярными связями.
3. ДНК и белки имеют сложную пространственную конфигурацию, поддерживаемую различными химическими связями. Под действием различных факторов эти связи могут разрушаться, и наступает денатурация. При сохранении первичной структуры эти молекулы могут ренатурировать – возвращаться к исходному строению.
1. С помощью биохимического анализа изучают особенности строения и химические свойства различных веществ. Поэтому проведение различных реакций позволит установить различия строении ДНК и РНК, содержащихся в вирусах.
2. ДНК в отличие от РНК будет иметь в своем составе пятиуглеродныйсахар – дезоксирибозу (РНК – рибоза).
3. РНК вирусы имеют фермент до обратной транскрипции (синтеза ДНК на матрице РНК).
1)Открыл молекулу ДНК Ф.Мишер Определи структуру ДНК (двойная спираль) Дж.Уотсон и Ф.Крик
2)Для определения структуры ДНК использовали методы:
Метод рентгеноструктурного анализа – делалирентгеновский снимок ДНК, получали изображениекристаллической решетки
- Метод моделирования – воссоздавали пространсвенную модель двойной спирали ДНК
ВОПРОС НА ДРУГОЙ СТОРОНЕ
1. На рисунке РНК (рибонуклеиновая кислота), так как есть азотистое основание урацил2. А – азотистое основание урацилБ – пятиуглеродный моносахарид (пентоза) = рибозаВ – Остаток фосфорной кислоты (фосфат)3. Этот мономер может входить в состав РНК.рРНК (рибосомная) входит в сосоатв рибосом,иРНК (информационная) – перенос информации из ядра к месту синтеза белка – будет служить матрицей для синтеза белка в цитоплазме на рибосомахтРНК (транспортная) – транспортирует аминокислоыт к месту синтеза белка
1. Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) 2. Так как заметная двойная спираль и две цепи соединяются не хаотично, а в определеннлм порядке (круг с ромбом, квадрат с треугольником) – по принципу комплементарности.3. В состав мономера ДНК (нуклеотида ДНК) входит пятиуглеродный моносахарид (углевод- пентоза) дезоксирибоза, остаток фосфорной ксилоты и один из 4 возможных азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин, цитозин.4. На риснуке разными фигурами отображены разные азотистые основании, соединяющиеся по принципу комплементарности (А с Т двумя водородными связями, Г с Ц тремя водородными связями)
Рибонуклеи́новая кислота́ (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и экспрессии генов.
Медиафайлы на Викискладе
Пре-мРНК со стеблем-петлёй. Атомы азота в основаниях выделены синим, кислорода в фосфатной основе молекулы — красным
Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.
Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так, малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и других процессах.
Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы), у отдельных РНК обнаружена собственная ферментативная активность: способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.
Химический состав и модификации мономеров
Химическое строение полинуклеотида РНК
Разные формы нуклеиновых кислот. На рисунке (слева направо) представлены A (типична для РНК), B (ДНК) и Z (редкая форма ДНК)
Вторичная структура РНК-компонента теломеразы инфузории Tetrahymena termophila
Многие типы РНК, например, рРНК и малая ядерная РНК (мяРНК) в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновыми комплексами или рибонуклеопротеидами.
Сравнение с ДНК
Между ДНК и РНК есть три основных отличия:
Транскрипция РНК из ДНК с участием фермента РНК-полимеразы II
Структура молоточкового (hammerhead) рибозима, который расщепляет РНК
Участвующие в трансляции
Роль разных типов РНК в синтезе белка (по Уотсону)
Информация о последовательности аминокислот белка содержится в мРНК. Три последовательных нуклеотида (кодон) соответствуют одной аминокислоте. В эукариотических клетках транскрибированный предшественник мРНК или пре-мРНК преобразуется в зрелую мРНК. Такое преобразование (процессинг) включает удаление некодирующих белок последовательностей (интронов). После этого мРНК экспортируется из ядра в цитоплазму, где к ней присоединяются рибосомы, транслирующие мРНК с помощью соединённых с аминокислотами тРНК.
Участвующие в регуляции генов
Жизненный цикл вируса с РНК геномом на примере полиовируса: 1 — присоединение исходного вириона к рецептору; 2 — вирион попадает в клетку; 3 — трансляция белков вируса с его РНК с образованием полипептида; 4 — полимеразы вируса размножают его РНК
Как и ДНК, РНК может хранить информацию о биологических процессах. РНК может использоваться в качестве генома вирусов и вирусоподобных частиц. РНК-геномы можно разделить на те, которые не имеют промежуточной стадии ДНК и те, которые для размножения копируются в ДНК-копию и обратно в РНК (ретровирусы).
Многие вирусы, например, вирус гриппа, на всех стадиях содержат геном, состоящий исключительно из РНК. РНК содержится внутри обычно белковой оболочки и реплицируется с помощью закодированных в ней РНК-зависимых РНК-полимераз. Вирусные геномы, состоящие из РНК разделяются на
Ретровирусы и ретротранспозоны
Мир РНК — гипотетический этап эволюционной истории жизни на Земле, в котором самореплицирующиеся молекулы РНК размножались до эволюции ДНК и белков.
Что такое РНК
РНК (рибонуклеиновая кислота) — это такая же нуклеиновая кислота, как и ДНК, и во многом она очень похожа на свою более известную родственницу. В отличие от ДНК РНК обычно не формирует двойные спирали, хотя и они, и другие сложные структуры у нее иногда встречаются. Состоит РНК из почти тех же самых «единиц», или азотистых оснований: если в ДНК встречаются аденин, гуанин, тимин и цитозин, то в РНК тимин заменяется на урацил. Кроме этого отличаются сахара: в РНК это рибоза (отсюда и буква Р в аббревиатуре), а в ДНК дезоксирибоза. Азотистое основание и сахар (их совокупность называется сахаро-фосфатным остовом) составляют своего рода кирпичик для построения нуклеиновой кислоты, и они, соединяясь друг с другом через остаток фосфорной кислоты, формируют итоговую полимерную цепь.
История изучения РНК походит то на мелодраму, то на детектив. Впервые она была выделена в далеком 1868 году. Тогда швейцарский физиолог Иоганн Фридрих Мишер выделил ее вместе с ДНК в виде непонятного нового вещества, которое он назвал нуклеином — в честь клеточного ядра (по-латински nucleus). Первоначально ученые вообще не считали ДНК и РНК хоть как-то связанными друг с другом — вплоть до того, что ДНК называли нуклеином тимуса, а РНК нуклеином дрожжей. Потом удалось выяснить состав сахаров, и РНК получила свое современное название.
Вплоть до 1940-х годов многие считали, что РНК — это нуклеиновая кислота растений и одноклеточных, тогда как ДНК можно найти только у животных. Когда экспериментально было показано, что это не так, тут же начались разговоры о том, зачем вообще она нужна.
Уже в середине века стала складываться концепция молекулярной догмы, когда было обнаружено, что РНК участвует в синтезе белка, связываясь с микросомами — теперь мы знаем эти органеллы под названием рибосом.
Постепенно РНК заняла свою позицию в догме — она работает как агент, связывающий ДНК и белок, параллельно с этим выполняя ряд других функций: от переноски аминокислот до регуляции генов. И чем больше открывали у РНК возможностей, тем больше было вопросов к ее реальному месту в жизненном цикле клетки и организма в целом.
Предпосылки развития гипотезы
РНК — уникальная молекула. Основная ее функция — это связь между геном и белком, она выражена в центральной догме молекулярной биологии: ДНК — РНК — белок. Нужный для синтеза ген, представленный в виде двухцепочечной ДНК, служит матрицей для создания одноцепочечной РНК, точно повторяющей структуру этого гена и способной перенести инструкцию по сборке белка из ядра в цитоплазму клетки. В цитоплазме РНК «находит» рибосому — молекулярную «машину» для синтеза белка. Рибосома, «читая» нуклеотиды в РНК, подбирает для будущего белка аминокислоты согласно генетическому коду — почти каждому триплету (то есть трем нуклеотидам) соответствует какая-то аминокислота (есть еще несколько стоп-кодонов, прерывающих синтез белка, и старт-кодон, с которого всё начинается). Так, нанизывая аминокислоту за аминокислотой, рибосома формирует белок. И если раньше считалось, что РНК — это просто помощник, то за последние годы появилось много данных, опровергающих ее подчиненное положение. Вполне возможно, что РНК не серая мышь рядом со своей куда более известной сестрой, а серый кардинал за ее троном.
Оказалось, что РНК не только играет роль посредника между ДНК и синтезом белка, но и обладает каталитической активностью, то есть может работать как фермент.
Долгое время считалось, что ферментами могут быть исключительно белки, и открытие рибозимов — РНК-ферментов — перевернуло представления науки о функциях РНК.
Простыми словами интерференцию можно объяснить так: маленькие молекулы РНК комплементарны тем генам, которые нужно заглушить или каким-то другим образом повлиять на их активность, и благодаря таким РНК-«ориентировкам» ферменты-киллеры могут найти уже синтезированную матричную РНК, то есть копию гена, по которой будет работать рибосома, и уничтожить ее. На самом деле механизм, конечно, сложнее, но смысл один — регуляция работы ДНК.
Особенно часто такие РНК проявляют себя в различных процессах, направленных на защиту организма, — они устраняют опасность, уничтожая нуклеиновые кислоты патогенов. Причем этот механизм достаточно древний — он есть у растений и даже, судя по всему, у одноклеточных, по крайней мере микроРНК у некоторых из них уже обнаружили.
Итак, мы знаем, что РНК сама по себе крайне загадочна — она может и хранить информацию, и катализировать реакции, и буквально держать саму ДНК на поводке. Однако для возникновения мира РНК сама РНК тоже должна была как-то возникнуть. Но как, если вокруг нет ничего, хотя бы отдаленно напоминающего нуклеиновые кислоты?
Но возникает следующий вопрос: допустим, в мире появилась РНК и первые аминокислоты — как перейти от этого супового набора к созданию чего-то более значимого?
В начале была РНК
Университет Иллинойса, 1967 год. Молодой, ему всего 39 лет, профессор Карл Вёзе занимается делом всей своей жизни — молекулярной эволюцией. В какой-то момент Вёзе заметил, что маленькие РНК, участвующие в создании рибосом («машин» по сборке белка на основе генетического кода), — очень удобный материал для изучения мутаций и изменений, возникающих от вида к виду. Это своеобразные хронометры, и Вёзе решил прибегнуть к ним для изучения филогенетических, то есть эволюционных, деревьев.
Вообще-то Вёзе хотел опровергнуть довлеющую теорию о том, что археи суть изменившиеся бактерии. Он считал, что всё живое можно разделить на три независимых домена — археи, бактерии и животные — и что археи не просто «странные бактерии», а целое отдельное царство, развивающееся по собственному пути. В конце концов, ему это удалось, но параллельно с открытием доменной структуры жизни Вёзе, всю жизнь изучавший РНК, пришел к неожиданному выводу.
«Мои эволюционные интересы были сосредоточены в первую очередь на бактериях и археях, эволюция которых охватывает большую часть истории планеты. Используя последовательность рибосомной РНК в качестве единицы измерения эволюции, мы реконструировали филогенетическое древо обеих групп и, таким образом, предоставили обоснованную систему классификации безъядерных организмов. Открытие архей фактически было продуктом этих исследований».
И вот накопленные знания об РНК, ее свойствах и способности изменяться наталкивают Вёзе на мысль, что именно РНК была тем «посредником» между миром неорганических молекул и жизнью. В этом ему сильно помогает открытие у РНК способности к катализу — то, что раньше считалось только белковой привилегией, оказывается вовсе не редкостью для маленьких нуклеиновых кислот.
Вёзе приходит к идее РНК-мира — всё началось с РНК, которая самокопировалась в воде и в какой-то момент начала самостоятельно создавать пептиды (небольшие белки). Но тогда это была всего лишь гипотеза.
Обрастать плотью доказательств гипотеза стала позже, с приходом на мировую научную арену новых молекулярных биологов, в частности Уолтера Гилберта. Он занимался разработкой методов секвенирования — расшифровки нуклеотидной последовательности и за это в 1980 году получил Нобелевскую премию вместе с Полом Бергом. Но, как любой крупный ученый, Гилберт интересовался многим и в 1986 году опубликовал статью, развивающую идеи Вёзе, — «Происхождение жизни. РНК-мир». Именно Гилберт придумал для гипотезы емкое название — РНК-мир.
Все полученные данные об РНК неплохо укладывались в эту теорию. Даже организмы, содержащие только РНК без присутствия ДНК, нашлись — РНК-вирусы, обширная группа, включающая и представителей семейства коронавирусов. Нашлись и косвенные подтверждения гипотезы в самой молекулярной догме и процессах репликации (то есть удвоения) ДНК. Дело в том, что если рассматривать всех участников молекулярной догмы, то можно заметить одну важную деталь: рибосомы для синтеза белка есть у всех и в целом очень похожи по строению — не важно, у кого мы будем брать рибосому, у архей, бактерий или эукариот. Та же ситуация с процессом снятия копии, то есть синтеза матричной РНК. А вот участники процесса репликации ДНК немного разнятся у разных царств, хотя процесс идейно похож. Из этого наблюдения у ряда ученых родилось любопытное предположение: репликация ДНК появилась позже рибосом и системы синтеза РНК, хотя четких доказательств пока нет.
Нечто крупное и неповоротливое, что удобно хранить, поднимая время от времени нужные гены.
Возможно даже, что в какой-то период развития существовали и РНК-ДНК-гибриды. Так мир РНК постепенно превращался в мир ДНК, став тем, что мы знаем сегодня. Превратить РНК в ДНК в целом не так уж сложно — существует процесс обратной транскрипции, как раз его и используют в своем жизненном цикле РНК-вирусы. Впрочем, оказалось, что РНК способна и к самокопированию, и даже к изменчивости, то есть накоплению мутаций и некоторого рода эволюции. Эксперименты, показавшие эти ее свойства, были проведены еще в прошлом веке и тоже стали кирпичиком новой гипотезы. Одним из первых их провел британский молекулярный биолог Лесли Орджел, который, помимо своих научных исследований, известен забавным «правилом Орджела»: «Эволюция умнее, чем ты».
К началу нового века гипотеза РНК-мира сформировалась окончательно. Многократно самокопирующаяся РНК действительно могла породить всё живое на Земле, постепенно отграничив себя от пространства и сформировав протоклетку. Но, как это обычно случается в науке, возникли новые вопросы. В первую очередь ко второй части молекулярной догмы: как именно появилась крепкая связь между РНК и аминокислотами и как, наконец, появилась система синтеза белка?
Предполагаемая схема «первоклетки» — РНК, окруженная билипидным мембранным слоем. Источник
Но есть нюанс
Гипотеза РНК имеет обширную доказательную базу и по праву считается одной из самых логичных и подходящих для объяснения формирования жизни. Но и у нее есть недостатки, или, вернее, вопросы, ответы на которые в рамках самой гипотезы найти сложно.
Во-первых, РНК очень нестабильна, а время ее жизни крайне ограничено. Сложно представить себе «начало начал», способное распасться при малейших изменениях в окружающей среде. РНК нуждается в ионах двухвалентных металлов, в основном в магнии, но при этом распадается при их слишком большой концентрации. РНК любит кислую среду, но практически не выдерживает щелочной.
Во-вторых, много вопросов и к самому «случайному» синтезу. Да, сахара действительно могли быть занесены извне, и да, протонуклеотиды действительно могли быть синтезированы из «того, что было». Но вот представить себе синтез итоговой молекулы РНК сложно — слишком много условий должно было совпасть для этого (та же рибоза если и была занесена из космоса, то явно в очень малых количествах). Экспериментально, впрочем, возможность соединения сахара и нуклеотида уже была показана, но ведь есть и третий участник — остаток фосфорной кислоты, и о его ранней судьбе данных пока нет. Всё это привело к тому, что из гипотезы РНК-мира возникла подгипотеза — пре-РНК-мира: в начале появились первичные метаболические компартменты-протоклетки, а потом уже в них пошел синтез реплицирующихся молекул РНК, где возникали все возможные варианты соединения трех участников, пока не был найден единственный верный.
В-третьих, возникает вопрос о формировании протоклетки. Да, мембрана очень полезна — она защищает хрупкую РНК, позволяя ей «жить» чуть дольше, чем просто в обычном растворе. Но точно так же она отделяет РНК от необходимых ей элементов — нуклеотидов и ионов. То есть для формирования первых бислоев с включенной в них РНК уже должны были появиться какие-то простые системы закачки или хотя бы связывания нужных элементов, своего рода первичные челночные системы. Даже это в целом представить можно, но каким образом РНК координировала их работу?
Из предыдущего вопроса вполне логично вытекает следующий: каким образом эти белки оказались встроены в мембрану, а главное — как появился генетический код, позволяющий синтезировать эти белки?
Есть предположения, основанные на данных эксперимента, что в самом начале РНК-мира транспортных РНК, которые доставляли аминокислоты к рибосоме, было всего две и синтез шел путем проб и ошибок. В любом случае вопросов всё еще много, но главный недостаток гипотезы РНК-мира — это, конечно, большое количество необходимых совпадений.
Конкретных ответов на вопросы о связи РНК с белком и генетическим кодом до сих пор нет, хотя, учитывая скорость развития науки в целом и молекулярной биологии в частности, можно ожидать хоть каких-то проблесков в ближайшее время. В любом случае РНК-мир определенно предлагает относительно стройную гипотезу, в которую укладывается множество самых разных фактов. Человечество вряд ли когда-нибудь сможет со стопроцентной вероятностью сказать, как всё было «на самом деле» — слишком долгим, хаотичным и древним был этот процесс, но почему бы не попытаться?