Если Вселенная изобилует инопланетянами… Где все? - Уэбб Стивен - Страница 89

Вместо того, чтобы увязнуть в деталях LUCA, мы можем рассмотреть подход «снизу вверх» к вопросу происхождения жизни. Мы можем спросить: как возникли универсальные химические вещества жизни — нуклеиновые кислоты и белки? Если мы сможем это понять, то, возможно, сможем заполнить пробел между подходами «снизу вверх» и «сверху вниз». Возможно, мы сможем понять, как неодушевленная материя стала живой.

Нуклеиновые кислоты

Если какая-либо молекула заслуживает звания «молекулы жизни», то это, безусловно, должна быть дезоксирибонуклеиновая кислота[347] — ДНК. Согласно определению, представленному ранее, два ключевых аспекта жизни заключаются в том, что она обладает метаболизмом и передает информацию через процесс размножения. Молекула ДНК является центральной для обоих этих аспектов. Ее роль в синтезе белков, которые, в свою очередь, обеспечивают метаболизм, описана ниже. Здесь давайте сосредоточимся на репродуктивном аспекте и кратко рассмотрим, как ДНК может реплицировать себя, обеспечивая при этом достаточное разнообразие, на которое может действовать естественный отбор.

Молекула ДНК представляет собой полимер нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трех частей.

Во-первых, он содержит сахар дезоксирибозу. Сахар содержит пять атомов углерода, обычно нумеруемых штрихами — от 1′ до 5′ (произносится «один штрих», «два штрих» и так далее). Сахар похож на рибозу, но ему не хватает гидроксильной молекулы в положении 2′.

Во-вторых, он содержит фосфатную группу. Нуклеотиды могут соединяться вместе, образуя длинные цепи посредством так называемых фосфоэфирных связей — связей между фосфатной группой одного нуклеотида и сахарным компонентом следующего нуклеотида. Сахарофосфатные цепи образуют остов ДНК; в знакомом представлении ДНК как «лестничной» молекулы сахарофосфатные цепи образуют «перила» лестницы. Цепь можно удлинять неограниченно, просто присоединяя больше нуклеотидов через большее количество эфирных связей; молекула ДНК может иметь длину от примерно 100 до нескольких миллионов нуклеотидов. Независимо от того, насколько длинной становится цепь, всегда есть два конца. Один конец имеет свободную группу –OH у 3′’ углерода (3′ конец), а другой конец имеет фосфорную кислотную группу у 5′ углерода (5′ конец).

В-третьих, он содержит пару азотистых оснований. Они образуют «ступени» лестницы ДНК. Основание связано с сахаром дезоксирибозой у 1′ углерода. Основанием может быть либо один из пуринов, аденин (А) или гуанин (Г), либо один из пиримидинов, цитозин (Ц) или тимин (Т). Биохимики представляют нуклеотид как последовательность в цепи, начиная с 5′-конца и определяя основания в том порядке, в котором они связаны; таким образом, типичную последовательность ДНК можно записать как –Г-Ц-Т-Т-А-Г-Г-.

Рис. 5.19 Структура двойной спирали ДНК показана здесь в виде компьютерной иллюстрации. (Автор: Национальный институт исследований генома человека)

Одним из ключевых достижений науки 20–го века стало осознание того, что ДНК в ядерном материале клеток имеет две нити, скрученные друг вокруг друга, образуя двойную спираль, так что одна нить всегда связана с комплементарной нитью. Основание Г всегда находится напротив основания Ц, основание Т всегда находится напротив основания А. Эта комплементарность возникает потому, что только эти комбинации пар оснований могут образовывать между собой водородные связи и удерживать две нити вместе. Отдельная водородная связь слаба, но обычная молекула ДНК содержит так много пар оснований, что две нити крепко удерживаются вместе. Эта комплементарность также означает, что вся информация содержится в одной нити ДНК — и допускает возможность репликации и размножения. (До недавнего времени практически вся земная жизнь, когда-либо существовавшая, имела свою биологическую информацию, закодированную четырьмя буквами, двумя парами оснований: Г и Ц; Т и А. На момент написания этой статьи биологи объявили о создании полусинтетических бактерий, чья сконструированная ДНК содержит две дополнительные буквы,[348] X и Y. Другими словами, у этих модифицированных клеток E. coli есть третья пара оснований — эти клетки представляют собой новый тип жизни. Кто знает, куда нас приведут достижения синтетической биологии?)

Рис. 5.20 Остов молекулы ДНК состоит из длинных цепей сахара дезоксирибозы и фосфатных групп. Азотистые основания в каждой спирали образуют связи, но они должны подчиняться правилам спаривания: аденин напротив тимина, а цитозин напротив гуанина. (Автор: Национальный институт исследований генома человека)

Процесс репликации ДНК начинается, когда фермент под названием ДНК-геликаза частично расплетает двойную спираль в области, известной как репликационная вилка. В репликационной вилке находятся две нити ДНК, одна из которых является матричной нитью. Когда основания теперь открыты, фермент, называемый ДНК-полимеразой, занимает позицию и начинает синтез нити ДНК, комплементарной матрице. Фермент считывает последовательность оснований на матричной нити в направлении от 3′-конца к 5′-концу и добавляет нуклеотиды к комплементарной нити по одному — всегда Г к Ц и А к Т. (Таким образом, последовательность на матричной нити –Г-Ц-Т-Т-А-Г-Г– станет –Ц-Г-А-А-Т-Ц-Ц– на синтезированной комплементарной нити, которая растет в направлении от 5′ к 3′.) В конечном итоге образуется полная комплементарная нить; ДНК-полимераза катализирует образование водородных связей между нуклеотидами на двух нитях, и может образоваться новая двойная спираль. Пока весь этот процесс происходит, довольно более сложный процесс производит новую нить, комплементарную другой исходной нити (или отстающей нити). Чистый результат — создание двух идентичных копий исходной двойной спирали ДНК, и каждая новая спираль содержит одну нить исходной. У нас есть механизм репликации.

Рис. 5.21 Специфическое спаривание нуклеотидных оснований — А с Т, Ц с Г — позволяет ДНК реплицироваться; это основа наследственности. Когда двухцепочечная молекула ДНК реплицируется, две цепи разделяются в репликационной вилке. Ферменты (не показаны) затем добавляют новые основания к двум цепям, следуя правилам спаривания. В результате получаются две молекулы, обе идентичные исходной. (Автор: Мадлен Прайс Болл)

Описанный выше процесс представляет собой упрощенную версию того, что происходит на самом деле. Один из аспектов, который я опустил, — это роль РНК в репликации ДНК. Рибонуклеиновая кислота — это другой основной тип нуклеиновой кислоты, и она также выполняет ключевые функции для жизни на Земле. Между ДНК и РНК существует несколько различий. Структурное различие заключается в том, что РНК обычно появляется в клетках в виде одиночной цепи нуклеотидов, а не в виде двойной спирали ДНК; Молекулы РНК также обычно меньше молекул ДНК. Существуют также два химических различия между молекулами. Во-первых, нуклеотиды РНК содержат сахар рибозу, а не дезоксирибозу (отсюда разница в названиях двух молекул). Во-вторых, РНК использует основание урацил (У) вместо тимина. Существует также основное функциональное различие между двумя кислотами: ДНК существует исключительно для хранения генетической информации в последовательности своих нуклеотидных оснований, тогда как молекулы РНК выполняют действия. Существует несколько типов РНК, каждый из которых выполняет разные задачи, и ниже мы рассмотрим три из них — матричную РНК (мРНК), рибосомную РНК (рРНК) и транспортную РНК (тРНК).