_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Category:

4. ФОТОХИМИЯ, ПРОИСХОЖДЕНИЕ НУКЛЕОТИДОВ И РНК

Почему в состав РНК и ДНК входят именно аденин, гуанин, цитозин и урацил/тимин, а не другие подходящие по размеру гетероциклические азотистые основания?

Вопрос отнюдь не праздный, потому что биохимики уже синтезировали несколько пар альтернативных нуклеотидов, которые хорошо встраиваются в ДНК и РНК обычными ферментами, спариваются друг с другом, но не с А, Г, Т и Ц и расширяют нуклеотидный код до шестибуквенного.

Рис. 5. Пара альтернативных нуклеиновых оснований ((Yang et al., 2006))



То есть с задачей хранения генетической информации справились бы самые разные варианты нуклеиновых оснований, и А, Г, Т, Ц, возможно, были отобраны природой совсем по другим признакам. Как предположил крупный немецкий биофизик Армен Мулкиджанян, таким признаком была устойчивость к ультрафиолету. Здесь надо пояснить, как происходит взаимодействие молекул с квантами света. При попадании в молекулу кванта подходящей энергии он поглощается парой электронов, образующей химическую связь, и молекула возбуждается. Возбужденных состояний как минимум два. Сначала молекула оказывается в неустойчивом и короткоживущем синглетном состоянии. В нем спины электронов возбужденной пары еще антипараллельны, как и в спокойном состоянии молекулы. Отсюда молекула может сбросить возбуждение путем флюоресценции (излучения светового кванта с энергией чуть меньше исходной), путем рассеяния энергии в тепло либо перейти в триплетное состояние. В триплетном состоянии спины электронов становятся параллельны, и химическая связь фактически разрывается. Если была возбуждена одинарная связь, то молекула разваливается в этом месте на два радикала. Если была возбуждена Пи-электронная система, образующая двойные связи, то молекула в триплетном состоянии сохраняет целостность, но становится бирадикалом — у нее есть два неспаренных электрона. Поэтому триплетное состояние химически активно и вступает в разнообразные реакции, например, этилен при УФ-облучении частично димеризуется в циклобутан. Кроме химических реакций, из триплетного состояния возможен возврат в базовое невозбужденное состояние молекулы путем излучения кванта света — фосфоресценции. В отличие от флюоресценции, фосфоресценция может происходить спустя минуты и часы после облучения вещества, а разница в энергии поглощенного и излученного кванта света больше.

Так вот, у природных нуклеиновых оснований синглетное состояние крайне короткоживущее. Оно легко рассеивает энергию возбуждения в тепло через колебания и вращение молекулы, обмен атомами водорода и другие механизмы. Синглетное состояние аденина и гуанина живет около 10Е-12 секунды — примерно в 10000 раз меньше, чем синглетные состояния большинства ароматических молекул, например, аминокислоты триптофана. Цитозин и тимин несколько уступают по устойчивости пуриновым нуклеотидам, но образование Уотсон-Криковских пар повышает устойчивость еще примерно в 50 раз благодаря рассеиванию энергии в обмене протонами в водородных связях пары. Кроме того, в нуклеиновых кислотах плоские молекулы азотистых оснований лежат друг на друге стопкой, благодаря чему их Пи-электронные системы взаимодействуют друг с другом (стэкинг-взаимодействие) и могут передавать энергию возбуждения друг другу, еще усиливая рассеивание и дополнительно увеличивая устойчивость к ультрафиолету до 20 раз по сравнению с одной парой нуклеотидов. Более того, азотистые основания не просто сами устойчивы к ультрафиолету — они еще и могут защищать соседние молекулы. Например, они эффективно защищают от УФ-расщепления фосфоэфирную связь (О-Р). Так, при облучении глицерол-фосфата отщепление фосфорной кислоты происходит в 300 раз быстрее, чем при облучении аденозин-монофосфата, образование комплементарных пар и стэкинг-взаимодействие еще увеличивают степень защиты.

Таким образом, РНК-подобный полимер оказывается очень устойчив к УФ-расщеплению благодаря свойствам отдельных азотистых оснований и стэкинг-взаимодействию между ними. Синтез коротких молекул РНК из отдельных нуклеотидов был показан на поверхности минералов, таких как алюмосиликатные глины и сульфиды металлов, в присутствии пирофосфатов при упаривании воды и нагревании до 100-120 градусов.

Стэкинг-взаимодействие так же приводит к хиральной чистоте РНК-молекул. Олигонуклеотиды из 3-5 звеньев достаточно коротки, чтобы даже из рацемической смеси нуклеотидов случайно получались хирально чистые молекулы, и при этом достаточно длинны, чтобы стэкинг-взаимодействие давало заметный бонус к защите. Присоединение к такой цепочке нуклеотида другой хиральности неустойчиво, так как он хуже вступает в стэкинг-взаимодействие и станет слабым звеном молекулы, и по мере роста цепи этот эффект только усиливается.

Так солнечный ультрафиолет может служить фактором отбора по следующим направлениям:

  1. самых УФ-стойких азотистых оснований, образующих комплементарные пары, среди других ароматических соединений

  2. хирально чистых олигонуклеотидов среди рацемических

  3. длинных молекул РНК из более коротких

  4. молекул РНК, содержащих локальные двуспиральные участки (шпильки), из молекул со случайными последовательностями

Можно представить себе некий аналог полимеразной цепной реакции — когда под ультрафиолетовым излучением на РНК-матрицах растут комплементарные цепи, затем локальный нагрев выше 100 градусов расщепляет двухцепочечные РНК на одиночные цепи, которые при снижении температуры опять достраивают себе комплементарные цепи. Это обеспечивает репликацию любых РНК независимо от их каталитической активности.

Литература:

Mulkidjanian, A.Y., Cherepanov, D.A., Galperin, M.Y., 2003. Survival of the fittest before the beginning of life: selection of the first oligonucleotide-like polymers by UV light. BMC Evol. Biol 3, 12.

Mulkidjanian, A.Y., Galperin, M.Y., 2007. Physico-chemical and evolutionary constraints for the formation and selection of first biopolymers: towards the consensus paradigm of the abiogenic origin of life. Chem. Biodivers 4, 2003–2015.

Yang, Z., Hutter, D., Sheng, P., Sismour, A.M., Benner, S.A., 2006. Artificially expanded genetic information system: a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern. Nucl. Acids Res. 34, 6095–6101. (русский краткий анонс: http://www.chemport.ru/datenews.php?news=2557)



Tags: происхождение жизни
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments