Химия. Навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей вищих навчальних закладів
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
10 від загальної маси нуклеїнових кислоту організмі хребетних припадає 5 –10 %) містять комплементарні послідовності, здатні взаємодіяти з утворенням водневих зв'язків, що призводить до формування "шпильок" – специфічних петель на одноланцюговій молекулі РНК, утворення яких стабілізує просторову структуру молекули. Серед полімерних РНК найхарактернішу просторову структуру має т-РНК (транспортна РНК, крім якої виділяють ще два види: інформаційну, або матричну РНК і рибосомальну РНК, первинну структуру якої в 1965 р. установив Р. Холлі. Він же запропонував модель і її вторинної структури – "листок конюшини". Пізніше зусиллями дослідницьких груп А. Річа й А. Клуга було встановлено третинну структуру т-РНК. З'ясува- лось, що "листок конюшини" у просторі згинається, нагадуючи латинську літеру L. Подальшими лабораторними дослідженнями функціональних особливостей РНК було показано, що система її молекулу процесі штучного копіювання підлягає певному природному добору, за якого, залежно від конкретних умов, починає переважати та чи інша послідовність. Отже, молекула РНК має дві важливі властивості: закодована в її нук- леотидній послідовності інформація передається в процесі реплікації, а унікальна просторова структура зумовлює характер взаємодії з іншими молекулами та реакцію на зовнішні умови. Обидві ці властивості інфор- маційна та функціональна є необхідними передумовами еволюційного процесу. Нуклеотидна послідовність молекули РНК аналогічна спадковій інформації, або генотипу організму, а просторова упаковка фенотипу – сукупності ознак організму, які підлягають дії природного добору. Природній добір, як відомо, залежить від умов середовища. Для мо- лекули РНК, що реплікується, критичним компонентом середовища є набір інших молекул РНК у середовищі. Крім того, що ці молекули є матрицями у процесі власної реплікації, вони можуть каталізувати руйну- вання та утворення ковалентних зв'язків, у тому числі й зв'язків між нуклеотидами. Деякі спеціалізовані молекули РНК здатні каталізувати зміни в інших молекулах РНК, розрізаючи нуклеотидну послідовність у певній точці, інші типи молекул РНК здатні вирізати частину своєї власної нук- леотидної послідовності таз єднувати відрізані кінці (сплайсинг). Кожна реакція, що каталізується РНК, залежить від специфічного розташування атомів на поверхні каталітичної молекули РНК. Це призводить до того, що один або декілька нуклеотидів стають високоактивними. Таким чином, є досить імовірним, що 3,5–4 млрд років тому самореп- лікація молекул РНК започаткувала еволюційний процес. Системи з різ- ним набором послідовностей нуклеотидів конкурували за запаси попере- дників, необхідних їм для побудування копій (аналогічно тому, як конку- рують зараз організми за харчові ресурси). Успіх залежав від точності та швидкості копіювання, а також від стабільності копій. 11 Хоча структура полінуклеотидів добре пристосована для збереження й передачі (реплікації) інформації, каталітичні можливості молекул РНК є вочевидь обмеженими для забезпечення всіх функцій сучасної клітини. Більша універсальність притаманна поліпептидам, котрі складаються з амінокислот з хімічно різноманітними бічними ланцюгами та здатні утворювати різні просторові форми, насичені реакційно активними ділян- ками. Властивості поліпептидів роблять їх ідеальними для виконання численних структурних і функціональних завдань. Навіть поліпептиди з випадковою послідовністю, що виникають за дії добіотичних синтетич- них механізмів, очевидно, мали каталітичні властивості, як мінімум на- правлені на полегшення реплікації РНК. Полінуклеотиди, що сприяють синтезові корисних поліпептидів у своєму оточенні, повинні були отрима- ти більшу перевагу в еволюційній боротьбі. Але яким чином полінуклео- тиди могли здійснювати подібний контроль Як інформація, закодована в їхній послідовності, може визначати послідовність полімерів іншого типу Ясно, що полінуклеотиди мають діяти як каталізатори для збирання віді- браних амінокислот. У сучасних організмів узгоджена система молекул РНК направляє синтез поліпептидів, тобто синтез білка, однак цей про- цес відбувається за участю інших білків, синтезованих попередньо. Гадаємо, що молекули РНК на самому початку направляли перший синтез білка без допомоги інших білків, взаємодіючи між собою за принципом комплементарності (відповідності). Сьогодні збирання нових білків у клітині відбувається за участю рибосом, що містять декілька молекул РНК і понад 50 різних типів білків. Але саме рибосомальній РНК належить роль головного каталізатора в про- цесі синтезу білка: ензиматично компетентні ділянки рибосомальної РНК мають пептидил-трансферазну активність і здатні каталізувати реакції транспептидації (нарощування поліпептидного ланцюга амінокислот) у процесі трансляційного білкового синтезу. Більш того, транспептидація каталізується виключно рибосомальними структурами, а сама реакція проходить із зниженням вільної енергії, тобто каталітично активні центри РНК здатні й без факторів елонгації у вигляді специфічних білків- каталізаторів до повільної неензиматичної трансляції і навіть без додат- кових ГТФ- чи АТФ-джерел енергії. Досить ймовірно, що РНК свого часу примітивним чином направляла первинний синтез білків. Але для ефективнішого біосинтезу треба було створити набір "інструментів", імовірно білків, для полегшення як самої реплікації, так і синтезу самих "інструментів" Синтез специфічних білків "під управлінням РНК" вимагав створення певного коду, за допомогою якого полінуклеотидна послідовність зумов- лювала б послідовність амінокислот білка. Цей генетичний код, вибраний, найімовірніше, випадково, залишається практично однаковим у всіх живих 12 організмів. Існує думка, що всі сучасні клітини є нащадками однієї примітив- ної лінії клітин, що зуміла "розробити" ефективний механізм синтезу білка. Як тільки еволюція нуклеїнових кислот просунулась до кодування ферментів, що забезпечують їхнє власне відновлення, поширення реплі- кативної системи повинно було різко прискоритися. 1.2. Формування зовнішньої мембрани як ключовий момент в еволюції клітинних форм Але якщо розвиток еволюційних подій за наведеним сценарієм є до- сить прийнятним, то далеким від розуміння залишається питання, на якому ж етапі хімічної еволюції починається власне виникнення життя та яким міг бути механізм цього процесу. Так чи інакше, найвагомішим фактором виникнення життя стало забезпечення умов для перебігу "необ- хідних" реакцій. Бо зрозуміло, що в незамкнутій, відкритій системі мож- ливості для сприятливих хімічних трансформацій часто відсутні у зв'язку з певними кінетичними й термодинамічними обмеженнями. Та навіть в умовах необмеженого простору, дев добіологічних умовах, як припус- кають, відбувалася спонтанна полімеризація (тих же нуклеотидів чи амі- нокислот), стан новоутворених форм мав бути дуже нестійким. Причиною цього мало бути "намагання" зовнішнього середовища, скоріш за все йо- го водної фази, досягти максимальної ентропії. Вирішити проблему ство- рення оптимальних умов для біогенезу можна було шляхом досягнення повної молекулярної комплементарності системи, що посилило б енергію зв'язування в ній. Але для багатьох молекулярних структура особливо для полімерів пептидної та нуклеотидної природи, це виявилось неприй- нятним, на заваді стали особливості просторової організації їхніх молекул, зумовлені слабкими водневими зв'язками. І природа "використала" іншу, можливо, єдину правильну альтернативу – створення "індивідуаль- них" умов для тривалого існування "потрібних" для біогенезу молекул, ізоляцію їх від агресивного довкілля. Дійсно, білки, що синтезувалися під контролем певного типу РНК, не могли б полегшити репродукцію саме цих молекул РНК, якщо б не утри- мувалися б поблизу них. Більш того, доти, поки білки вільно дифундува- ли в популяції РНК-реплікантів, вони рівною мірою сприяли б розмно- женню будь якого з конкуруючих видів РНК. Якщо виникла РНК, що кодує "поліпшений" тип ферменту, новий фермент не здатний був би вибірково забезпечити виживання саме цієї РНК. Відбір молекул РНК за якістю біл- ків, які вони кодують, не міг початися раніше, ніж з'явився замкнутий об'єм (компартмент), що замкнув у собі білки, утворені молекулою РНК. Таким чином, ці білки стають доступні лише для РНК, що їх породила. Викладене вище робить зрозумілим той факт, що однією з вирішаль- них подій, які призвели до формування першої клітини, вважають нині 13 формування зовнішньої мембрани. І найважливіша роль в еволюції клі- тинних мембран належить, очевидно, класу амфіпатичних молекул, які мають одну гідрофобну (нерозчинну у воді), а іншу гідрофільну (розчинну у воді) частини. Коли такі молекули потрапляють уводу, вони розташо- вуються так, що їхні гідрофобні частини тісно контактують одна з одною, а гідрофільні – з водою. Амфіпатичні молекули здатні спонтанно агрегу- вати, утворюючи двошарові структури у вигляді замкнутих пухирців, що ізолюють водний вміст від зовнішнього середовища. За своєю просторовою організацією така замкнута сферична форма мембрани, основу якої складають ліпіди, є термодинамічно вигідною в порівнянні з іншими можливими варіантами розташування молекул. Крім того, конформаційна специфіка бішарової ліпідної мембрани передбачає автономність щодо зовнішнього середовища та одночасно селективний і контрольований зв'язок з ним. Зрозуміло, що утворена вдала форма закрі- пилася в процесі еволюції та створила передумови для формування ме- ханізмів гомеостазу, що стали одним з головних принципів феномену жит- тя. Усі нині існуючі клітини оточені плазматичною мембраною, яка склада- ється з таких амфіпатичних молекул, головним чином фосфоліпідів і білків. Фосфоліпіди – одна з груп ліпідів, що є похідними жирних кислот, спиртів і альдегідів. Гідрофобні властивості сполук цієї групи (як і класу ліпідів у цілому) зумовлені, здебільшого, наявністю в їхніх молекулах за- лишків вищих жирних кислот. До складу природних жирів, як правило, входять жирні кислоти з парним числом атомів карбону, оскільки вони синтезуються з двокарбонових одиниць, які утворюють нерозгалужений ланцюг карбонових атомів. Ланцюг може бути насиченим (не мати по- двійних зв'язків) і ненасиченим (містити один чи більше подвійних зв'язків. Молекули фосфоліпідів (або фосфогліцеридів) є похідними гліцеролу, і містять крім гідрофобних залишків гідрофільні компоненти, до яких на- лежать фосфорна кислота та спирти (холін, етаноламін), амінокислоти й багатоатомні спирти. Саме гідрофільні замісники визначають структурну різноманітність природних гліцерофосфоліпідів. Крім того, полярні угру- повання надають молекулам фосфоліпідів здатності до взаємодії з вод- ними розчинами електролітів. Фосфоліпіди, як і нейтральні ліпіди, існу- ють у різних поліморфних формах, перехід між якими за фізіологічних умов здійснюється у разі зміни температури. При зростанні температури фосфоліпіди "плавляться" (проходячи через рідинно-кристалічний стан, гідрофобні ділянки молекули, які містять ацильні або алкільні залишки, "плавляться" при цьому за більш низької температури, ніж уся молекула фосфоліпіду. Зазначимо, що здатність молекул фосфоліпідів до термот- ропних переходів має велике значення для регулювання функціональної активності білково-ліпідних комплексів у сучасних мембранах. Незважаючи нате, що закони співіснування білків і ліпідів у сучасній мембрані та її штучних аналогах є досить добре вивченим, залишається й сьогодні не зовсім ясним, в який саме момент еволюції біологічного 14 каталізу були сформовані перші клітини. Вони могли з'явитися, коли мо- лекули фосфоліпідів добіотичного бульйону випадково зібралися в мем- бранну структуру, яка замкнула в собі суміш каталітичних молекул РНК, що реплікувалися. Однак прийнято вважати, що синтез білків відбувався до появи клітин. У будь-якому випадку, як тільки молекули РНК опинили- ся заточеними в мембрану, вони почали еволюціонувати не лишена ос- нові своєї власної структури: нуклеотидні послідовності РНК могли тепер впливати на ознаки цілої клітини, впливаючи на інші молекули в тому ж компартменті, які, усвою чергу, "редагували" вихідні послідовності РНК. В існуючих нині клітинах крім РНК присутній інший полінуклеотид – ДНК. Нуклеїнові кислоти, виділені вперше у 1869 р, були власне ДНК. Але аж до середини ХХ століття їхня будова та просторова організація залишались невідомими. У 1944 р. у експериментах, проведених О. Евері, К. Мак-Леодом і М. Мак-Карті, було продемонстровано, що здат- ність до утворення капсули у мутантного безкапсульного штаму пневмо- коків може бути відновлена шляхом уведення в його клітини очищеної ДНК пневмококів, здатних до синтезу капсули. Автори назвали агент, що відповідає за цю зміну, "трансформуючим фактором. Пізніші досліди Д. Херші та М. Чейза із застосуванням радіоактивних міток не залишили сумніву, що саме ДНК є молекулярним носієм спадкової інформації в живих системах. Значний вкладу визначенні будови нуклеїнових кислот вніс американський біохімік Е. Чаргафф. Аналізуючи ух рр. склад нуклеїнових кислот різної природи, він виявив, що співвідношення суми аденінів з тимінами до суми гуанінів з цитозинами є однаковим у ДНК різних клітин. Ця закономірність, що стала відомою як правило Чаргаф- фа, лежить в основі будови вторинної структури нуклеїнових кислот. Ба- зуючись на даних рентгеноструктурного аналізу ДНК і правилі Чаргаффа, Дж. Уотсон та Ф. Крік запропонували на початку х років модель три- вимірної структури ДНК у вигляді "подвійної спіралі" (за що в 1962 р. були нагороджені Нобелевською премією в галузі фізіології та медицини). Два ланцюги "подвійної спіралі" в молекулі ДНК утримуються разом за рахунок водневих зв'язків, які утворюються між пуриновими й піримідиновими основами. Утворення комплементарних пар при цьому є специфічним (АТ, ГЦ. У дволанцюговій молекулі обмеження, зумовлені загальмованістю обертання між фосфодіефірним зв'язком (що з'єднує мономерні одиниці ДНК – пуринові й піримідинові нуклеотиди – в одиничний ланцюг), перева- жна "анти"-конфігурація глікозидних зв'язків і домінуючі таутомерні форми чотирьох основ складають умови, за яких А може утворювати міцну пару лише з Та Г – з Ц. Саме це й пояснює правило Е. Чаргаффа. У ході еволюції полінуклеотиди спеціалізувалися і тепер працюють спільно. Хімічні відмінності між цими двома типами молекул робить їх пристосованими до різних завдань. Так, ДНК використовується для збе- реження генетичної інформації, оскільки її молекула стабільніша за РНК. Частково це зумовлюється тим, що в ДНК відсутня гідроксильна група 15 цукру (її наявність у РНК робить молекулу чутливішою до гідролізу). Крім того, ДНК існує переважно у дволанцюговій формі, що дозволяє їй легко реплікуватися та репаруватися. Саме молекула ДНК стала молекуляр- ним носієм спадковості в живих системах. Після встановлення факту, що саме молекула ДНК зберігає генетичну інформацію, виникло питання про зміст цієї інформації та механізми її реалізації. Ще в х рр. ХХ століття Дж. Бідл і Е. Татум висунули теорію "один ген – один фермент. Ф. Крік у 1958 р. припустив, що молекула РНК є проміжним передавачем інформації про білки-ферменти. А в 1961 р. Ф. Жакоб і М. Мано показали, що посередником між місцем зберігання спадкової інформації (ДНК) в ядрі та її реалізацією в цитоплазмі в проце- сі біосинтезу білка є матрична, або інформаційна РНК. Дослідженнями Ф. Кріка та С. Бреннера було встановлено, що генетична інформація ре- алізується через триплетний код – послідовність трьох нуклеотидів, яка відповідає одному амінокислотному залишкові. Першу спробу розшиф- рувати генетичний код здійснили в 1961 р. М. Ніренберг і Г. Маттеї, які показали, що триплет з трьох урацилів на інформаційній РНК відповідає амінокислоті фенілаланіну. Сьогодні генетичний код повністю розшифрований, установлені його базові властивості (триплетність, лінійність, виродженість і універсаль- ність). У молекулі ДНК за допомогою триплетного коду була розшифро- вана система генетичного кодування окремих білків. Був визначений ген як ділянка ДНК, що несе інформацію про один поліпептидний ланцюг або про одну молекулу РНК. Сьогодні гіпотеза "один ген – один фермент" зазнала уточнень: з'ясувалось, що складні білки з четвертинною структурою кодуються декількома генами. Крім того, було виявлено, що гени еукаріотів є складною мозаїкою з екзонів (ділянок, які несуть генетичну інформацію) та інтронів (ділянок, які не несуть генетичної інформації). Так, ген - ланцюга гемоглобіну має два інтрони та три екзони. Усі гени відомих нині білків ссавців і птахів містять інтрони (крім генів, що кодують білки гістони, білки, що формують так званий гістоновий кор, навкруги якого закручується молекула ДНК. Припускають, що екзони відповідають первісним білкам, котрі утворилися в ході еволюції сучасних білків, а ін- трони залучаються до регуляції експресії (вираження) генів у еукаріот. Підводячи підсумок, підкреслимо, що генетичні та каталітичні власти- вості РНК дозволяють припустити, що саме ці молекули першими вклю- чилися в еволюцію. Після виникнення ефективного синтезу білка ДНК прийняла на себе генетичну функцію, білки стали основними каталізато- рами, а РНК залишилась, головним чином, як проміжний ланцюг між ними. ДНК стала необхідною лише тоді, коли будова клітини ускладнилася й зросла кількість необхідної для неї генетичної інформації, і вона стала значно більшою, ніж та, яку могли стабільно підтримувати молекули РНК. 16 1.3. Від клітини прокаріотичної до еукаріотичної Першою клітинною формою, що сформувалася у процесі еволюції, була прокаріотична, представлена найпростішими організми розміром декілька мікрометрів, які часто мали додатково сформовану клітинну стінку. Їхня плазмолема оточувала один цитоплазматичний компартмент, що містив ДНК, РНК, білки й малі молекули, виступаючи всередину з утво- ренням мезосом. Їхня цитоплазма мала вигляд матриксу різної щільності без явно виражених організованих внутрішніх структур. Розщеплення поживних речовин відбувалося в цитозолі, часто за участю мезосом. Існуючі прокаріотичні форми дають нам сьогодні практично повне уяв- лення стосовно структурно-функціональних особливостей своїх предків. Розмноження відбувалося шляхом бінарного поділу з частотою 1 по- діл на 20 хв. Висока швидкість поділу сприяла надзвичайно високій адап- тивній спроможності прокаріотичних форм до змін довкілля. Утворилися форми, що використовували практично будь-які органічні молекули – поліпептиди, полісахариди, вуглеводи, жири й амінокислоти для отри- мання хімічної енергії та вуглецю, необхідного для синтезу власної орга- ніки. Подібний синтез є комплексом складних ланцюгових ферментатив- них перетворень. Саме з ускладненням і вдосконаленням таких метабо- лічних шляхів пов'язаний подальший прогрес клітинної форми життя. Зауважимо, що спочатку в метаболічних реакціях потреби не було – клі- тини використовували примітивну органіку первісного бульйону. Зрозуміло, що за умови його виснаження перевагу мали отримати організми, здатні утворювати ферменти для синтезу органічних молекул. Це, як прийнято вважати, і направило еволюційний процес у бік збільшення клітинного комплекту ферментів і, як результат, до формування метаболічних шляхів. Вважають, що формування ферментативних шляхів могло відбувати- ся у двох напрямках. По-перше, через залучення нових хімічних сполук для утворення необхідного хімічного комплексу (за умови його висна- ження в довкіллі) з наступним поліпшенням процесу синтезу шляхом фо- рмування ферментативного апарату. Подруге, через утворення нових хімічних форм, необхідних клітині, з однієї вихідної форми (нестачі якої клітина не відчуває) з наступним поліпшенням процесу синтезу шляхом формування ферментативного апарату. Але в будь якому разі еволюція метаболічних шляхів, як вважають, відбувалася через послідовне додавання нових ферментативних реакцій до тих, що вже існували. А це означає, що реакції, які є найпоширеніши- ми, фундаментальними, і є найдавнішими. Таку прадавню позицію в іс- торії біохімії клітини посідають реакції за участю фосфатів цукрів, реакції гліколізу. Найдавніші з метаболічних перетворень мали бути анаеробни- ми, оскільки вони формувалися в безкисневому оточенні. На користь |