Введение в биологию (VIIId)
Тема VIIId
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (продолжение)
В чем смысл химических отличий между ДНК и РНК?
Напомню, что главное из этих отличий выражено в самом названии: в состав РНК входит рибоза, а в состав ДНК - дезоксирибоза. Добавив к этому факту кое-что еще, мы получим следующую картину:
● РНК гораздо легче синтезируется, потому что реакция синтеза дезоксирибозы требует более сложных ферментных систем, чем реакция синтеза рибозы.
● Ликвидация 2'-гидроксильной группы резко уменьшает химическую активность ДНК, в том числе ее подверженность реакциям гидролиза (распада с участием воды).
● ДНК практически никогда не бывает одноцепочечной, а в двуцепочечной форме она очень устойчива из-за огромного количества водородных связей и - дополнительно - из-за стэкинг-взаимодействия между плоскими кольцами азотистых оснований.
Создается явное впечатление, что ДНК была “специально придумана” как долговременное надежное хранилище информации.
Есть и другое важное отличие. Некоторые РНК способны вести себя как ферменты, катализируя определенные химические реакции (например, разрезание или синтез других РНК). Такие РНКовые аналоги ферментов называются рибозимами. Эта способность не является редкостью, не требует большой длины РНК или какой-то уникальной нуклеотидной последовательности. Рибозимы часто бывают длиной в 100-200 нуклеотидов или меньше. Самый маленький известный рибозим имел длину всего 13 нуклеотидов (Jeffries, Symons, 1989). Это означает, что химическая эволюция могла создать рибозимы очень легко. Даже при совершенно случайном переборе последовательностей РНК рибозимы обязательно появятся, причем довольно быстро.
У ДНК каталитическая способность резко ослаблена все той же потерей 2'-гидроксильной группы. Таким образом предотвращается, например, случайное возникновение саморазрезающихся рибозимов - в РНК бывает даже такое. Живым организмам совершенно не нужна каталитическая способность ДНК; наоборот, чем она инертнее, тем лучше. Для редактирования генетической информации есть другие молекулы, главным образом специальные белки. ДНК должна ее просто хранить.
Открытие рибозимов вызвало к жизни так называемую гипотезу РНК-мира: первоначально живые системы состояли в основном из молекул РНК, которые “работали” и носителями информации, и катализаторами всевозможных реакций. Только потом специализированными катализаторами стали белки, а специализированными хранителями информации - молекулы ДНК. За самой РНК остались функции, связанные с передачей генетической информации и частично с регуляцией работы генов.
Теперь вспомним еще одно отличие, уже нам известное: в состав ДНК вместо урацила входит тимин. Напомним, что тимин отличается от урацила всего лишь одной дополнительной метильной группой (-CH3). Дело тут, скорее всего, вот в чем. Есть еще одно азотистое основание - цитозин - которое входит и в РНК, и в ДНК, и при этом является химически довольно неустойчивым. Цитозин легко подвергается спонтанному дезаминированию - потере аминогруппы, вместо которой присоединяется гидроксил (на самом деле он превращается в кетогруппу, но это в данном случае несущественно). А цитозин с гидроксилом вместо аминогруппы - это не что иное, как урацил. Получается, что если хранить генетическую информацию на РНК, то она будет неизбежно постепенно "засоряться" урацилом, образующимся из-за спонтанного дезаминирования цитозина.
А вот из ДНК урацил исключен вообще. Всеобщая замена урацила на тимин дает возможность легко исправлять ошибку дезаминирования, “настроив” соответствующие ферменты на вырезание любых нуклеотидов с урацилом как заведомо ошибочных. Но такая замена имеет смысл только в том случае, если ДНК уже используется для хранения генетической информации! Получается сильный чисто химический аргумент за то, что ДНК была выбрана живыми системами на роль долговременного хранилища информации “специально”.
Есть гипотеза, что ДНК как таковая была “изобретена” ДНК-содержащими вирусами, которые потом инфицировали РНК-содержащие клетки и передали им свою технологию хранения информации (Pina et al., 2011). Если это верно - значит, современная клетка, содержащая ДНК, возникла путем симбиоза примитивной РНК-содержащей клетки с крупным ДНК-содержащим вирусом. Более того, есть подкрепленное кое-какими молекулярно-биологическими данными предположение, что этот симбиоз произошел трижды независимо в трех главных эволюционных ветвях клеточных организмов - у предков бактерий, архей и эукариот (Forterre, 2006). Если и это окажется правдой, то эволюционное древо земной жизни будет выглядеть довольно неожиданно.
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (продолжение)
В чем смысл химических отличий между ДНК и РНК?
Напомню, что главное из этих отличий выражено в самом названии: в состав РНК входит рибоза, а в состав ДНК - дезоксирибоза. Добавив к этому факту кое-что еще, мы получим следующую картину:
● РНК гораздо легче синтезируется, потому что реакция синтеза дезоксирибозы требует более сложных ферментных систем, чем реакция синтеза рибозы.
● Ликвидация 2'-гидроксильной группы резко уменьшает химическую активность ДНК, в том числе ее подверженность реакциям гидролиза (распада с участием воды).
● ДНК практически никогда не бывает одноцепочечной, а в двуцепочечной форме она очень устойчива из-за огромного количества водородных связей и - дополнительно - из-за стэкинг-взаимодействия между плоскими кольцами азотистых оснований.
Создается явное впечатление, что ДНК была “специально придумана” как долговременное надежное хранилище информации.
Есть и другое важное отличие. Некоторые РНК способны вести себя как ферменты, катализируя определенные химические реакции (например, разрезание или синтез других РНК). Такие РНКовые аналоги ферментов называются рибозимами. Эта способность не является редкостью, не требует большой длины РНК или какой-то уникальной нуклеотидной последовательности. Рибозимы часто бывают длиной в 100-200 нуклеотидов или меньше. Самый маленький известный рибозим имел длину всего 13 нуклеотидов (Jeffries, Symons, 1989). Это означает, что химическая эволюция могла создать рибозимы очень легко. Даже при совершенно случайном переборе последовательностей РНК рибозимы обязательно появятся, причем довольно быстро.
У ДНК каталитическая способность резко ослаблена все той же потерей 2'-гидроксильной группы. Таким образом предотвращается, например, случайное возникновение саморазрезающихся рибозимов - в РНК бывает даже такое. Живым организмам совершенно не нужна каталитическая способность ДНК; наоборот, чем она инертнее, тем лучше. Для редактирования генетической информации есть другие молекулы, главным образом специальные белки. ДНК должна ее просто хранить.
Открытие рибозимов вызвало к жизни так называемую гипотезу РНК-мира: первоначально живые системы состояли в основном из молекул РНК, которые “работали” и носителями информации, и катализаторами всевозможных реакций. Только потом специализированными катализаторами стали белки, а специализированными хранителями информации - молекулы ДНК. За самой РНК остались функции, связанные с передачей генетической информации и частично с регуляцией работы генов.
Теперь вспомним еще одно отличие, уже нам известное: в состав ДНК вместо урацила входит тимин. Напомним, что тимин отличается от урацила всего лишь одной дополнительной метильной группой (-CH3). Дело тут, скорее всего, вот в чем. Есть еще одно азотистое основание - цитозин - которое входит и в РНК, и в ДНК, и при этом является химически довольно неустойчивым. Цитозин легко подвергается спонтанному дезаминированию - потере аминогруппы, вместо которой присоединяется гидроксил (на самом деле он превращается в кетогруппу, но это в данном случае несущественно). А цитозин с гидроксилом вместо аминогруппы - это не что иное, как урацил. Получается, что если хранить генетическую информацию на РНК, то она будет неизбежно постепенно "засоряться" урацилом, образующимся из-за спонтанного дезаминирования цитозина.
А вот из ДНК урацил исключен вообще. Всеобщая замена урацила на тимин дает возможность легко исправлять ошибку дезаминирования, “настроив” соответствующие ферменты на вырезание любых нуклеотидов с урацилом как заведомо ошибочных. Но такая замена имеет смысл только в том случае, если ДНК уже используется для хранения генетической информации! Получается сильный чисто химический аргумент за то, что ДНК была выбрана живыми системами на роль долговременного хранилища информации “специально”.
Есть гипотеза, что ДНК как таковая была “изобретена” ДНК-содержащими вирусами, которые потом инфицировали РНК-содержащие клетки и передали им свою технологию хранения информации (Pina et al., 2011). Если это верно - значит, современная клетка, содержащая ДНК, возникла путем симбиоза примитивной РНК-содержащей клетки с крупным ДНК-содержащим вирусом. Более того, есть подкрепленное кое-какими молекулярно-биологическими данными предположение, что этот симбиоз произошел трижды независимо в трех главных эволюционных ветвях клеточных организмов - у предков бактерий, архей и эукариот (Forterre, 2006). Если и это окажется правдой, то эволюционное древо земной жизни будет выглядеть довольно неожиданно.