Сколько видов нуклеиновых кислот существует в природе: Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты

​Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Список вопросов теста

Вопрос 1

Какой сахар входит в состав молекулы ДНК?
 

Варианты ответов

• триозы
• тетрозы
• пентозы
• гексозы

Вопрос 2

Сколько полинуклеотидных нитей входит в состав двух молекул ДНК?

Варианты ответов

• одна
• две
• три
• четыре

Вопрос 3

К пиримидиновым азотистым основаниям, входящим в состав ДНК, относятся:

Варианты ответов

• цитозин
• аденин
• тимин
• гуанин

Вопрос 4

 ДНК в клетках присутствует в:

Варианты ответов

• только в ядре
• в рибосомах
• в комплексе Гольджи и в цитоплазме
• в ядре, пластидах и митохондриях

Вопрос 5

Азотистые основания, производные пурина:

Варианты ответов

• тимин
• аденин
• гуанин
• цитозин

Вопрос 6

Нуклеиновые кислоты впервые открыты:
 

Варианты ответов

• Н. И. Вавиловым
• Ф. Мишером
• Т. Морганом
• С. С.Четвериковым

Вопрос 7

Какое из перечисленных соединений не входит в состав РНК?
 

Варианты ответов

• рибоза
• остаток фосфорной кислоты
• урацил
• тимин

Вопрос 8

Сколько видов нуклеиновых кислот существует в природе?

Варианты ответов

• одна
• две
• четыре
• множество

Вопрос 9

Двойная спираль ДНК образуется за счет связей между:

Варианты ответов

• комплементарными азотистыми основаниями
• остатками фосфорной кислоты
• аминокислотами
• углеводами

Вопрос 10

Что представляют собой нуклеиновые кислоты?

Варианты ответов

• биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды
• биополимеры, состоящие из жирных кислот и глицерина
• полимеры, мономерами которых является глюкоза
• полимеры, мономерами которых являются аминокислоты

Тестирование по теме:»Белки и нуклеиновые кислоты»

Белки и нуклеиновые кислоты.

2 вариант

Выберите 1 правильный ответ.

1. Закономерность соотношения Аденина к Тимину, Гуанина к Цитозину получило название

а) правило Ньюиса б) правило Чаргаффа в) правило Геккеля г) правило Уотсона

2. Какие связи образуются между нуклеотидами Г в одной цепи молекулы ДНК и нуклеотидами Ц во второй цепи

а) две пептидные б) три ионные в) три водородные г) одна пептидная

3. Если цепь ДНК содержит 34 % нуклеотидов  А, то чему должно равняться количество Г? 

а) 34 %    б) 32 %      в) 16 %    г) 68 %.

4.  ДНК в клетках прокариот присутствует в

а) только в ядре б) цитоплазме

в) в комплексе Гольджи и в цитоплазме г) в ядре, пластидах и митохондриях

5. Двойная спираль молекула ДНК была открыта в

а) 1945 б)  1953 в)  1965 г) 1972

6. Какими свойствами обладает молекула ДНК

а) способна к редупликации б) лабильна в) является одинарной цепью

7. Какое из перечисленных соединений не входит в состав ДНК

а) дезоксирибоза б) остаток фосфорной кислоты в) урацил г) тимин

8. Что является мономером ДНК?

а) глюкоза б) нуклеотид в) аминокислота г) нуклеиновая кислота д) азотистое основание

9. Какой вид РНК переносит аминокислоты к рибосоме?

а) транспортная б) матричная в) рибосомная

10. Сколько из известных аминокислот участвуют в синтезе белка:

1. 20 б) 30 в) 100 г) 200

11. Какая часть молекул  аминокислот отличает их друг от друга:

а) аминная группа б) карбоксильная группа в) жирная кислота г) радикал

12. Посредством какой химической связи соединены между собой аминокислоты  в молекуле белка вторичной структуры:

а) дисульфидная б) пептидная в) водородная.

13. Где не находятся рибосомы:

а) в хлоропластах б) в митохондриях в) на мембране ЭПС г) комплексе Гольджи

14. Сколько энергии освобождается  при расщеплении 1 г белка:

а) 17,6 кДж б) 35,2 кДж в) 38,9 кДж г) 11,9 кДж

15. При понижении температуры активность ферментов:

а) заметно понижается б) заметно повышается

в) остается стабильной г) периодически изменяется.

16. На рисунке изображена структура белка

а) первичная б) вторичная в) третичная г) четвертичная

откуда он взялся и чего от него ожидать – Наука – Коммерсантъ

Мир легкомысленно отнесся к предыдущим коронавирусным эпидемиям — на сей раз, хочется надеяться, будет иначе, в том числе и в России: быстрое распространение новой инфекции должно к этому стимулировать.

Сергей Нетёсов, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией биотехнологии и вирусологии факультета естественных наук Новосибирского государственного университета

Эта зима принесла нам тревожные известия о возникновении в Китае и начале активного распространения по всему миру нового коронавируса SARS-CoV-2, вызывающего болезнь под международным названием КоВиД-19 (CoViD-19 — CoronaVirus Disease-19, как ее политкорректно назвали во Всемирной организации здравоохранения). К 10 марта им достоверно, с лабораторным подтверждением, во всем мире заразилось более 110 тыс. человек. Причем сейчас он намного быстрее распространяется вне Китая, чем в самом Китае.

Каковы особенности возбудителя и чем он отличается от других вирусов ОРВИ

Острые респираторные вирусные инфекции (ОРВИ) вызывают более 80% всех острых респираторных заболеваний. Вирусы — это не бактерии, и антибиотики от них не помогают. Наиболее часто ОРВИ вызываются риновирусами (более 50 разновидностей), вирусами гриппа (минимум четыре подтипа), вирусами парагриппа (четыре разновидности), метапневмовирусами, бокавирусами, респираторно-синцитиальными вирусами, аденовирусами и некоторыми другими. Обычные четыре разновидности коронавирусов тоже есть этом списке (229E, OC43, NL43, HKU1) и в зависимости от года занимают второе—пятое места по своей доле в общей заболеваемости. Респираторное заболевание они обычно вызывают слабой и средней тяжести, но иногда случаются и тяжелые случаи.

Как большинство вирусных возбудителей ОРВИ, коронавирусы являются РНК-вирусами, но имеют самый большой из них по размеру геном — около 29 тыс. нуклеотидов. Они содержат липидную оболочку, поэтому легко поддаются разрушению мылом и другими ПАВ. Коронавирусы выявлены практически у всех животных и птиц, но далеко не у всех они вызывают серьезные заболевания. Разработаны живые противокоронавирусные вакцины для собак и домашних кур, потому что у них соответствующие разновидности вызывают тяжелую хроническую инфекцию и большую вирусную смертность.

Уже имеющиеся и циркулирующие среди людей четыре разновидности коронавирусов, по всей видимости, произошли от коронавирусов животных, поскольку имеют с этими вирусами высокую схожесть геномов. Но это произошло давно, и на них особого внимания ученые не обращали, просто недооценивая их на фоне вспышек и эпидемий, вызванных вирусами гриппа. Однако за последние два десятилетия мы стали свидетелями «перескока» на людей уже трех новых разновидностей коронавирусов, и все они имеют предшественников в виде коронавирусов разных видов летучих мышей.

Отметим, что за последнее десятилетие учеными-вирусологами получена масса новых данных о вирусах самых разных животных. И теперь мы знаем, что летучие мыши, по всей видимости, стали для человечества и для животного мира в целом источниками нескольких весьма значимых вирусных заболеваний: это вирусы кори, другие парамиксовирусы, вирус бешенства, коронавирусы,— и этот список растет. Как правило, напрямую на человека эти вирусы от летучих мышей не перескакивают, потому что слишком разные у нас и у них клеточные рецепторы. Как показали результаты исследований последних лет, от летучих мышей к человеку вирусы, как правило, проходят через промежуточного хозяина.

Коронавирусы летучих мышей как источники возникающих инфекций человека

Смотреть

В 2002–2003 годах ТОРС-коронавирус (SARS), вызвавший эпидемию атипичной пневмонии, по всей видимости, перескочил от летучей мыши на человека, пройдя эволюционно-мутационный процесс в организмах пальмовых циветт (зверьков из подотряда кошкообразных). В 2007–2012 годах БВРС-коронавирус (MERS) аналогично перескочил от египетских летучих мышей сначала на верблюдов, а потом на людей. Ну а в этот раз новый коронавирус, явно имеющий происхождение от летучих мышей, уже вызвал колоссальную эпидемию практически во всем мире. Здесь пока что промежуточный хозяин не выявлен, но подозрения падают на панголинов, кошек, бродячих собак, хотя возможны и другие варианты.

Удивляет тот факт, что до сих пор самые близкие по геномным последовательностям к человеческим варианты нынешнего коронавируса — это варианты вирусов от летучих мышей. Хотя, может быть, это и не должно быть удивительным, на диких рынках в Китае сырые и жареные тушки летучих мышей спокойно продавались годами до этой эпидемии. В то же время в последние дни появились публикации в ряде научных журналов о том, что сейчас циркулирует сразу несколько разновидностей коронавируса и поэтому, возможно, было несколько «перескоков» коронавируса на человека разными путями.

Симптоматика нынешней коронавирусной инфекции: отличия от гриппозной и других

Сейчас можно с полной уверенностью сказать, что только по симптомам никакой врач эту инфекцию от других серьезных вирусных инфекций не отличит. Потому что и лихорадка, и высокая температура, и затрудненное дыхание, и слабость, и боли в мышцах, и сухой кашель характерны и для инфекций, вызванных гриппом и респираторно-синцитиальным вирусом.

Вроде бы единственный признак, который, как правило (но не как закон), не характерен для коронавирусной инфекции,— это заложенный нос. Но и для гриппозной инфекции такое тоже может быть. Так что для точной постановки диагноза необходима лабораторная диагностика методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) нуклеиновых кислот, выделенных из проб от человека (смывы из носоглотки, мазки из носоглотки и т. д.).

В самом рутинном варианте это занимает четыре—шесть часов (без учета времени на доставку пробы в лабораторию). Коммерческими компаниями, в том числе и в России, разработано несколько экспресс-вариантов диагностикумов, требующих в три-четыре раза меньше времени. Насколько известно автору, в Китае и США федеральные власти уже приняли решение простимулировать коммерческих разработчиков для быстрейшей сертификации и запуска производств этих тест-систем. Они будут доступны любому гражданину, а не только людям с ярко выраженными симптомами ОРВИ, а это позволит усилить и ускорить борьбу с эпидемией.

Эпидемиологические характеристики новой ОРВИ

• Инкубационный период (прибл.) — 2–14 дней

• Бессимптомное течение — до 2 недель, с выделением вируса

Сравнительная смертность от некоторых вирусных заболеваний

• Сезонный (обычный) грипп — менее 0,01% (у пожилых — до 2%)

• ТОРС-коронавирус 2003 года (SARS) — около 10%

• БВРС-коронавирус (MERS) — 34%

• «Свиной» грипп 2009–2010 годов — 0,02%

• Новый коронавирус SARS-CoV-2 — около 2%

Чего ждать и что делать нам

Человечество в настоящее время имеет несколько способов и подходов к борьбе с инфекциями: противоэпидемические мероприятия с как можно более чувствительными и специфичными диагностическими методами, быстрая разработка и применение вакцин. Ну и, конечно же, нужны эффективные методы изоляции и лечения больных.

Зоонозные инфекции и в дальнейшем будут перескакивать с животных на людей, как это и было в течение всей истории человечества. Примеры: вирус ВИЧ, перескочивший на человека от обезьян; вирус гепатита С, который к людям попал от лошадей или от других животных; вирусы кори и паротита, явно перешедшие на людей от копытных животных или тех же летучих мышей; вирусы клещевого энцефалита, Зика, лихорадок денге и Западного Нила и т. д. А различные виды коронавирусов за последние 20 лет, как уже сказано, трижды перескакивали на человека от летучих мышей (коронавирусы атипичной пневмонии SARS-CoV-1, ближневосточного респираторного синдрома (БВРС) и нынешний SARS-CoV-2).

Возможны, а вернее всего неизбежны, и другие аналогичные перескоки в будущем. Готовиться к ним надо гораздо более интенсивно, изучая инфекции животных и разрабатывая новые вакцины. Посмотрите, какая складывается ситуация: после атипичной пневмонии 2002–2003 годов никто так и не разработал вакцины против тогдашнего ТОРС-коронавируса. После открытия коронавируса БВРС в 2012 году тоже не разработали соответствующей вакцины. Если бы эти вакцины были разработаны и доказана их эффективность, то сейчас было бы намного легче разработать вакцину против нынешнего коронавируса. В этом году прозвенел третий звонок от коронавирусов за последние 20 лет. Может, не будем ждать четвертого и разработаем вакцины? В 1950–1970-е годы прошлого века наша страна была лидером не только в космосе, но и в разработках и применении вакцин!

Теперь насчет диагностикумов в России. Россия, пожалуй, единственная среди развитых стран, которая не выставила в интернет состава своего диагностического препарата, разработанного в центре «Вектор». И единственная страна, в которой нет больше никаких диагностикумов на эту инфекцию. А они нужны, поскольку есть множество желающих за свои средства провериться на наличие возбудителя и, возможно, на перенесенную инфекцию. Заинтересованные в разработке и производстве таких тестов частные компании тоже есть. Наверное, стоило бы государственным структурам их на это простимулировать, включив применение таких тестов в страховую медицину и использовав другие способы. Ко всему прочему это помогло бы создать конкуренцию среди тестов и повысить уровень их достоверности до максимально возможного в этой ситуации. Ведущие коммерческие разработчики ПЦР-тест-систем России имеют такое же мнение.

Наконец, про лечебные препараты. Сейчас в Китае клинические испытания проходят несколько десятков препаратов из разных стран. Пока четких данных об эффективности какого-либо из них не опубликовано. Слухи про «Арбидол» пока так и остались слухами. Наибольшую надежду вызывают препараты — ингибиторы протеаз, которые вроде бы на культурах клеток не дают вирусу проникать в клетки, препятствуя его размножению. Здесь понятна логика действия препаратов, часть из которых уже показала свою эффективность против других вирусов: ВИЧ и герпес-вируса. Но не все они пока зарегистрированы в России.

Что дальше

Вернее всего, с этой пандемией человечество справится. Должны справиться и мы в России. Но наша готовность к последующим аналогичным эпидемиям должна быть повышена, потому что они неизбежно будут. А пока среди всех респираторных инфекций у нас есть вакцина только против гриппа. И это XXI век! У нас нет вакцин против вирусов парагриппа, респираторно-синцитиального вируса, метапневмовирусов, других коронавирусов, которые в сумме вызывают более трети всех респираторных инфекционных заболеваний, то есть уж точно больше, чем вирус гриппа. И люди от них умирают не единично. В том числе от того, что мы почему-то не видим в них угрозы, а видим угрозы там, где их и нет вовсе или они намного менее значимы. Может быть, потому, что вирусы маленькие? Но ущерб-то от них очень большой: это неспасенные тысячи жизней граждан России.

Бороться с коронавирусом помогут «электронные носы» — Российская газета

Определять коронавирус можно будет в 8 раз быстрее благодаря новому поколению тестов, которые разработали российские ученые. Например, сдать анализ и получить его результаты станет возможным сразу на приеме у врача в поликлинике. А на вокзалах, стадионах и в местах массового скопления людей установят специальные приборы — «электронные носы» для определения вируса в воздухе. Устройство разрабатывают в Центре постгеномных технологий при Федеральном медико-биологическом агентстве. Об этом «Российской газете» рассказал руководитель центра Герман Шипулин.

По его словам, большая часть научных достижений в борьбе с COVID-19 и другими заболеваниями сегодня связаны с молекулярной диагностикой, технологии которой в России развивают с начала 90-х годов. Сейчас в этом направлении отечественные ученые на 5-10 лет опережают своих зарубежных коллег. Индустрия молекулярной диагностики — одна из самых импортозамещенных в стране.

Герман Александрович, что такое «электронный нос» и чем он поможет в борьбе с коронавирусом?

Герман Шипулин: «Электронный нос» — так называется проект. Для того, чтобы противостоять росту заболеваемости COVID-19, ученые нашего центра разрабатывают технологию обнаружения коронавируса за 10-20 секунд в воздухе.

Доказано, что пациенты, которые инфицированы ковидом, выдыхают особые соединения. И если поставить такие «электронные носы» вдоль аэропорта, стадионов, на вокзалах, то можно будет определять инфицированных и формировать свободные от коронавируса пространства.

Как работают новые тесты и чем они отличаются от тестов ПЦР?

Руководитель Центра постгеномных технологий при Федеральном медико-биологическом агентстве Герман Шипулин. Фото: Пресс-служба ФМБА

Герман Шипулин: ПЦР или метод полимерно-цепной реакции уже устаревает. Казалось бы, результат за полтора-два часа — скорость бешеная. Но уже сейчас эпидемия COVID показала, что этого недостаточно. По поручению руководителя ФМБА России Вероники Игоревны Скворцовой, ученые нашего центра придумали, как ту же реакцию проводить за 10-15 минут по технологии lamp — изотермической амплификации нуклеиновых кислот. В отличие от доступных сегодня экспресс-полосок, определяющих коронавирус, наш быстрый тест максимально точный, потому что технология lamp, как и ПЦР, относится к молекулярной диагностике. Точно также в биоматериале мы находим вирус, выделяем его РНК. Но отправлять анализ в лабораторию и долго ждать результата больше не нужно. Любой врач сможет выполнить этот тест самостоятельно в присутствии пациента.

Кроме этого, у нас почти готов еще один тест нового поколения NGS — next generation sequencing, что переводится, как секвенирование следующего поколения. Он поможет определить вирус или инфекцию, если пациент заболевает неизвестной болезнью. Пациент лежит в больнице, его лихорадит. Мы понимаем, что это инфекционная болезнь, но не можем определить, какая. Если брать метод ПЦР, то он направлен на поиск в геноме патогена определенного участка, то есть, такой тест поможет ответить на вопрос: есть, коронавирус или его нет. Но если человек болен, а вирус не обнаружен, то придется искать другой патоген, использовать для этого другой тест, другие реагенты. А вот NGS сразу подскажет, что человек заражен и каким вирусом.

Допустим. Но сколько существует вирусов и бактерий? Разве возможно определить их все с помощью одного теста?

Герман Шипулин: Может, это непростая задача, но мы над ней сейчас работаем. Нужно просто выбрать минимальное количество стартовых участков, которые встречаются в геномах максимального количества известных вирусов. В дальнейшем при секвенировании мы сможем для начала определить семейство, к которому вирус относится — маловероятно, что новый патоген будет непохожим ни на какой известный. А дальше, если начинать читать геном со знакомых участков, можно прочитать — отсеквенировать — и геном неизвестного возбудителя.

Например, когда возник SARS-CoV-2, его достаточно легко было определить, потому что коронавирусы — хорошо изученное семейство вирусов.

На самом деле, вирусов и бактерий, действительно, гораздо больше, чем нам известно. Считается, что только один процент бактерий расшифрован из тех, что есть в природе. Сколько существует вирусов, неизвестно.

Один наш коллега — директор Центра инфекций и иммунитета — профессиональный «охотник за микробами» Ян Липкин из Колумбийского университета рассказывал, как человек из Австралии поехал в Хорватию ловить рыбу, его там кто-то укусил, он вернулся в Австралию и умер. Поскольку он завещал свое тело для трансплантации, его органы и ткани пересадили шести пациентам, и все шесть человек умерли. Липкин расшифровывал этот случай, и выявил до тех пор никем не описанный аренавирус. Это очень опасные вирусы, которые переносятся грызунами, к ним относится, например, вирус лихорадки Ласса. Кто же мог ожидать, что в Хорватии встретится совершенно новый вирус этого семейства.

Будут ли новые тесты доступны для массового потребителя, появятся они в аптеках?

Герман Шипулин: В будущем технологии молекулярной диагностики, возможно, и будут доступными для простого потребителя. Например, тест на коронавирус по технологии lamp мы пытаемся воплотить в виде кружки-робота индивидуального пользования. Пока в аптеках эти тесты не появятся, также, как нет сегодня в продаже ПЦР-тестов. Да, некоторые аптеки сегодня пишут у себя на витрине, что продают ПЦР-тесты, но это от неграмотности некоторых аптечных работников. То, что они продают, к ПЦР не имеет отношения. ПЦР делается только в лаборатории, с помощью специальных приборов.

Как новые технологии будут использоваться в лечении?

Герман Шипулин: Например, для того, чтобы быстро подобрать правильное лечение пациенту. С помощью таких технологий за гораздо более короткое время можно проанализировать геном бактерии, понять, какой антибиотик ее убьет, и назначить больному именно этот антибиотик. Сегодня лекарственную чувствительность определяют гораздо дольше, это делают с помощью посева: получают от пациента бактерии, высевают на среды с антибиотиками и так выясняют, какой антибиотик подавляет рост. Это долго, и бывает, что не высевается ничего. Микроорганизмы из крови, например, плохо растут на средах. Наш метод не требует культивирования, и позволяет почти сразу выявит устойчивость к тем или иным препаратам.

Определять коронавирус станет проще. Любой врач сможет выполнить тест самостоятельно и при пациенте 

В дальнейшем можно будет прийти в поликлинику с ангиной и выбрать наилучший антибиотик против того стрептококка, который в горле. Понятно, что для ангины это сначала будет дороговато, но расшифровку внутрибольничной инфекции в будущем мы видим таким образом. И это будет не только диагностика пациентов, но и расследование эпидемических вспышек. Мы сможем сказать по геномным маркерам, как патоген попал в больницу, и направить больничных эпидемиологов на борьбу с конкретным возбудителем, который циркулирует в клинике или принесен случайным пациентом. В будущем молекулярная диагностика может полностью вытеснить бактериологию.

Вы работаете над созданием вакцины от ВИЧ. Когда она появится?

На самом деле, никому еще не удалось сделать вакцину против ВИЧ в прямом понимании этого слова. Самая удачная попытка была в свое время в США, но эффективность той вакцины не превышала 30%. Ученые нашего центра пошли другим путем. По сути, у нас получилось создать лечебный препарат, который тоже основан на иммунных взаимодействиях. Почему вакцина не сработала, а он будет работать? Просто ВИЧ мутирует быстрее, чем появляются антитела, человеческий организм не успевает за ним. Но искусственно мы можем управлять эффективностью антител, потому что знаем, какие из них хорошие. Мы сразу заполняем организм антителами высокой эффективности, смешиваем несколько разных видов, чтобы справиться со всеми вариантами ВИЧ. К тому же есть антитела, которые снижают клеточное депо и разрушают инфицированные ВИЧ клетки. Если эти антитела плодить с одновременной миостимуляцией клеточного деления, то вполне возможно полное излечение от ВИЧ.

Сегодня мы исследуем два способа доставки таких антител в организм. Во-первых, генно-инженерный: его идея в том, чтобы заставить клетки организма постоянно вырабатывать такие белки, по сути, создать новый иммунный орган, который продуцирует антитела против ВИЧ.

Второй способ менее эффективный, но более простой. Он может стать дополнительным способом лечения ВИЧ-инфицированных наряду с химиотерапией и другими — это уколы с коктейлем антител. Во-первых, они кратковременно понизят вирусную нагрузку, облегчая тем самым состояние пациента. Во-вторых, у нас есть надежда, что такой коктейль будет действовать не только на ВИЧ в крови, но и на ВИЧ-инфицированные клетки.

Также в ФМБА России будет построен виварий: мы запускаем проект по созданию гуманизированных мышей для изучения ВИЧ. Испытания кандидатных лекарств на обезьянах — это дорого и сложно. Мыши — удобная модель, но они ВИЧ-инфекцией не болеют. Чтобы сделать их чувствительными к этому патогену, у мышей убивают клетки костного мозга и пересаживают им клетки костного мозга человека. Уже год как у нас есть такая линия мышей.

Сколько лет еще может потребоваться, чтобы победить ВИЧ?

Если бы мы знали, через сколько лет победим ВИЧ, то готовили бы Нобелевскую лекцию. О победе говорить пока преждевременно. Можно говорить о больших выигранных битвах.

Обсуждается возможность создания универсальной вакцины против коронавируса и гриппа. Это реально?

Сейчас предпринимаются попытки сделать одну вакцину против коронавируса и гриппа, скажем, такую, которая содержит компоненты обоих вирусов. Но вопрос в том, от какого коронавируса взять компоненты и от какого вируса гриппа. Они ведь разные! Известно, что против новых штаммов коронавируса снижается эффективность вакцин, которые сделаны против старых штаммов. А вирус гриппа обладает на порядок более высокой вариабельностью, чем SARS-CoV-2. Вакцины от него обновляют каждый год с учетом рекомендаций ВОЗ о том, какие штаммы будут циркулировать в новом сезоне. И не секрет, что противогриппозные вакцины не всегда получаются эффективными. Поэтому, прежде чем создать универсальную вакцину против гриппа и коронавируса, нужно для начала сделать универсальную вакцину против всех штаммов гриппа, а для этого нужно найти те эпитопы, которые эволюционируют очень медленно. Двадцать из них у нас уже есть, и мы пробуем с ними различные комбинации. Сейчас мы отобрали эпитопы для всех разновидностей вируса гриппа — h2N1, h4N2, вируса гриппа B и даже H5N1, высокопатогенного птичьего гриппа.

Доклинические исследования первой универсальной вакцины против гриппа мы начали. Эффективность ее составляет 70%. Это ниже, чем у специализированной вакцины против сезонного гриппа. Но ее эффективность падает, как только вирус мутирует, и тем более — если появляется новый субтип. А эффективность универсальной всегда остается 70% и не опускается ниже.

Когда уйдет коронавирус и ждать ли новых пандемий?

Герман Шипулин: Коронавирус скорее всего остается и станет сезонным заболеванием. Раз в год от него нужно будет делать прививку. А самый главный урок сегодняшней пандемии заключается в том, что мы должны заранее готовиться к следующим, которые неминуемо случатся. Есть только один простой путь подготовиться к ним — это создание коллекций патогенных микроорганизмов и заблаговременная разработка новых средств диагностики, профилактики и лечения еще не проявившихся, но в то же время потенциально опасных инфекций.

Карбоновые кислоты. Химия, 8–9 класс: уроки, тесты, задания.

1.	Формула кислоты Сложность: лёгкое	1
2.	Окраска индикатора Сложность: лёгкое	1
3.	Физические свойства карбоновых кислот Сложность: среднее	1
4.	Применение карбоновых кислот Сложность: среднее	1
5.	Общие формулы карбоновых кислот Сложность: среднее	1
6.	С чем реагирует кислота Сложность: среднее	1
7.	Продукты реакций Сложность: среднее	2
8.	Как определить вещества Сложность: сложное	3
9.	Вычисли массу углерода в кислоте Сложность: сложное	3

В состав молекулы днк входит. Нуклеиновые кислоты

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК ) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них 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.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине 1962 г. Розалинд Франклин, которая получила рентгенограммы, без которых Уотсон и Крик не имели бы возможность сделать выводы о структуре ДНК, умерла в 1958 г. от рака, а Нобелевскую премию, увы, не дают посмертно.

История изучения

Структура молекулы

Нуклеотиды

Двойная спираль

Образование связей между спиралями

Химические модификации оснований

Повреждения ДНК

Суперскрученность

Структуры на концах хромосом

Биологические функции

Структура генома

Последовательности генома, не кодирующие белок

Транскрипция и трансляция

Репликация

Взаимодействие с белками

Структурные и регуляторные белки

Ферменты, модифицирующие ДНК

Топоизомеразы и хеликазы

Нуклеазы и лигазы

Полимеразы

Генетическая рекомбинация

Эволюция метаболизма, основанного на ДНК

Список литературы

ДНК как химическое вещество была выделена Иоганном Фридрихом Мишером в 1868 году из остатков клеток, содержащихся в гное. Он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Вначале новое вещество получило название нуклеин , а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота . Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Мклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенная из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты Чейз (эксперимент Херши Чейз 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг.

Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии или медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени от рака Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.

Интересно, что в 1957 году американцы Александер Рич, Гэри Фелзенфелд и Дэйвид Дэйвис описали нуклеиновую кислоту, составленную тремя спиралями. А в 1985-1986 годах Максим Давидович Франк-Каменецкий в Москве показал, как двухспиральная ДНК складывается, в так называемую H-форму, составленную уже не двумя, а тремя нитями ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер (полианион), мономером которого является нуклеотид.

Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, присоединённого по 5″-положению к сахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь (C-N) по 1″-положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав РНК входит сахар рибоза). Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат, у которого основанием, присоединённым к фосфату и рибозе, является аденин (показан на рисунке).

Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин [G]) образованы соединёнными пяти- и шестичленным гетероциклами; пиримидины (цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом.

В виде исключения, например, у бактериофага PBS1, в ДНК встречается пятый тип оснований — урацил ([U]), пиримидиновое основание, отличающееся от тимина отсутствием метильной группы на кольце, обычно заменяющее тимин в РНК.

Следует отметить, что тимин и урацил не так строго приурочены к ДНК и РНК соответственно, как это считалось ранее. Так, после синтеза некоторых молекул РНК значительное число урацилов в этих молекулах метилируется с помощью специальных ферментов, превращаясь в тимин. Это происходит в транспортных и рибосомальных РНК.

Полимер ДНК обладает довольно сложной структурой. Нуклеотиды соединены между собой ковалентно в длинные полинуклеотидные цепи. Эти цепи в подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, обладающих одноцепочечными ДНК-геномами) попарно объединяются при помощи водородных связей во вторичную структуру, получившую название двойной спирали. Остов каждой из цепей состоит из чередующихся фосфатов сахаров. Внутри одной цепи ДНК соседние нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями, которые формируются в результате взаимодействия между 3″-гидроксильной (3″-ОН) группой молекулы дезоксирибозы одного нукдеотида и 5″-фосфатной группой (5″-РО 3) другого. Асимметричные концы цепи ДНК называются 3″ (три прим) и 5″ (пять прим). Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК (удлинение цепи возможно только путём присоединения новых нуклеотидов к свободному 3″-концу).

Как уже было сказано выше, у подавляющего большинства живых организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали, стабилизированной водородными связями, образующимися между обращёнными друг к другу азотистыми основаниями входящих в неё цепей. В природе эта спираль, чаще всего, правозакрученная. Направления от 3″-конца к 5″-концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны (цепи «антипараллельны» друг другу).

Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24 А, или 2,2 — 2,4 нм, длина каждого нуклеотида 3,3 Å (0,33 нм). Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть рёбра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси макромолекулы.

В двойной спирали различают малую (12 Å) и большую (22 Å) бороздки. Белки, например, факторные транскрипции, которые присоединяются к определённым последовательностям в двухцепочечной ДНК, обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где те более доступны.

Каждое основание на одной из цепей связывается с одним определённым основанием на второй цепи. Такое специфическое связывание называется комплементарным. Пурины комплементарны пиримидинам (то есть способны к образованию водородных связей с ними): аденин образует связи только с тимином, а цитозин — с гуанином. В двойной спирали цепочки также связаны с помощью гидрофобных взаимодействий и стекинга, которые не зависят от последовательности оснований ДНК.

Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи. Обратимость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований важна для репликации ДНК и всех остальных функций ДНК в живых организмах.

Так как водородные связи нековалентны, они легко разрываются и восстанавливаются. Цепочки двойной спирали могут расходиться как замок-молния под действием ферментов (хеликазы) или при высокой температуре. Разные пары оснований образуют разное количество водородных связей. АТ связаны двумя, ГЦ — тремя водородными связями, поэтому на разрыв ГЦ требуется больше энергии. Процент ГЦ-пар и длина молекулы ДНК определяют количество энергии, необходимой для диссоциации цепей: длинные молекулы ДНК с большим содержанием ГЦ более тугоплавки.

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.

Азотистые основания в составе ДНК могут быть ковалентно модифицированы, что используется при регуляции экспрессии генов. Например, в клетках позвоночных метилирование цитозина с образованием 5-метилцитозина используется соматическими клетками для передачи профиля генной экспрессии дочерним клеткам. Метилирование цитозина не влияет на спаривание оснований в двойной спирали ДНК. У позвоночных метилирование ДНК в соматических клетках ограничивается метилированием цитозина в последовательности ЦГ. Средний уровень метилирования отличается у разных организмов, так, у нематоды Caenorhabditis elegans метилирование цитозина не наблюдается, а у позвоночный обнаружен высокий уровень метилирования — до 1 %. Другие модификации оснований включают метилирование аденина у бактерий и гликозилирование урацила с образованием «J-основания» в кинетопластах.

Метилирование цитозина с образованием 5-метилцитозина в промоторной части гена коррелирует с его неактивным состоянием. Метилирование цитозина важно также для инактивации у млекопитающих. Метилирование ДНК используется в геномном импринтинге. Значительные нарушения профиля метилирования ДНК происходит при канцерогенезе.

Несмотря на биологическую роль, 5-метилцитозин может спонтанно утрачивать аминную группу (деаминироваться), превращаясь в тимин, поэтому метилированные цитозины являются источником повышенного числа мутаций.

НК может повреждаться разнообразными мутагенами, к которым относятся окисляющие и алкилирующие вещества, а также высокоэнергетическая электромагнитная радиация — ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолет повреждает ДНК путём образования в ней димеров тимина, которые возникают при образовании ковалентных связей между соседними основаниями.

Оксиданты, такие как свободные радикалы или пероксид водорода, приводят к нескольким типам повреждения ДНК, включая модификации оснований, в особенности гуанозина, а также двухцепочечные разрывы в ДНК. По некоторым оценкам, в каждой клетке человека окисляющими соединениями ежедневно повреждается порядка 500 оснований. Среди разных типов повреждений наиболее опасные — это двухцепочечные разрывы, потому что они трудно репарируются и могут привести к потерям участков хромосом (делециям) и транслокациям.

Многие молекулы мутагенов вставляются (интеркалируют) между двумя соседними парами оснований. Большинство этих соединений, например, этидий, даунорубицин, доксорубицин и талидомид имеют ароматическую структуру. Для того чтобы интеркалирующее соединение могло поместиться между основаниями, они должны разойтись, расплетая и нарушая структуру двойной спирали. Эти изменения в структуре ДНК мешают транскрипции и репликации, вызывая мутации. Поэтому интеркалирующие соединения часто являются канцерогенами, наиболее известные из которых — бензопирен, акридины, афлатоксин. Несмотря на эти негативные свойства, в силу их способности подавлять транскрипцию и репликацию ДНК, интеркалирующие соединения используются в химиотерапии для подавления быстро растущих клеток рака.

Если взяться за концы верёвки и начать скручивать их в разные стороны, она становится короче и на верёвке образуются «супервитки». Так же может быть суперскручена и ДНК. В обычном состоянии цепочка ДНК делает один оборот на каждые 10,4 основания, но в суперскрученном состоянии спираль может быть свёрнута туже или расплетена. Выделяют два типа суперскручивания: положительное — в направлении нормальных витков, при котором основания расположены ближе друг к другу; и отрицательное — в противоположном направлении. В природе молекулы ДНК обычно находятся в отрицательном суперскручивании, которое вносится ферментами — топоизомеразами. Эти ферменты удаляют дополнительное скручивание, возникающее в ДНК в результате транскрипции и репликации.

На концах линейных хромосом находятся специализированные структуры ДНК, называемые теломерами. Основная функция этих участков — поддержание целостности концов хромосом. Теломеры также защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации. Поскольку обычные ДНК-полимеразы не могут реплицировать 3″ концы хромосом, это делает специальный фермент — теломераза.

В клетках человека теломеры часто представлены одноцепочечной ДНК и состоят из нескольких тысяч повторяющихся единиц последовательности ТТАГГГ. Эти последовательности с высоким содержанием гуанина стабилизируют концы хромосом, формируя очень необычные структуры, называемые G-квадроплексами и состоящие из четырёх, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре гуаниновых основания, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелатированием в центре неё иона металла (чаще всего калия). Эти пластинки располагаются стопкой друг над другом.

На концах хромосом могут образовываться и другие структуры: основания могут быть расположены в одной цепочке или в разных параллельных цепочках. Кроме этих «стопочных» структур теломеры формируют большие петлеобразные структуры, называемые Т-петли или теломерные петли. В них одноцепочечная ДНК располагается в виде широкого кольца, стабилизированного теломерными белками. В конце Т-петли одноцепочечная теломерная ДНК присоединяется к двухцепочечной ДНК, нарушая спаривание цепочек в этой молекуле и образуя связи с одной из цепей. Это трёхцепочечное образование называется Д-петля.

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, таким образом образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Генетическая информация реализуется при экспрессии геном 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.

Большинство природных ДНК имеет двухцепочечную структуру, линейную (эукариоты, некоторые вирусы и отдельные роды бактерий) или кольцевую (прокариоты, хлоропласты и митохондрии). Линейную одноцепочечную ДНК содержат некоторые вирусы и бактериофаги. Молекулы ДНК находятся в плотно упакованном, конденсированном состоянии.В клетках эукариот ДНК располагается главным образом в ядре в виде набора хромосом. Бактериальная (прокариоты) ДНК обычно представлена одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в неправильной формы образовании в цитоплазме, называемым нуклеоидом. Генетическая информация генома состоит из генов. Ген — единица передачи наследственной информации и участок ДНК, который влияет на определённую характеристику организма. Ген содержит открытую рамку считывания, которая транскрибируется, а также регуляторные, например, промотор и энхансер, которые контролируют экспрессию открытых рамок считывания.

У многих видов только малая часть общей последовательности генома кодирует белки. Так, только около 1,5 % генома человека состоит из кодирующих белок экзонов, а больше 50 % ДНК человека состоит из некодирующих повторяющихся последовательностей ДНК. Причины наличия такого большого количества некодирующей ДНК в эукариотических геномах и огромная разница в размерах геномов (С-значение) — одна из неразрешённых научных загадок; исследования в этой области также указывают на большое количество фрагментов реликтовых вирусов в этой части ДНК.

В настоящее время накапливается всё больше данных, противоречащих идее о некодирующих последовательностях как «мусорной ДНК» (англ. junk DNA ). Теломеры и центромеры содержат малое число генов, но они важны для функционирования и стабильности хромосом. Часто встречающаяся форма некодирующих последовательностей человека — псевдогены, копии генов, инактивированные в результате мутаций. Эти последовательности нечто вроде молекулярных мскопаемых, хотя иногда они могут служить исходным материалом для дупликации и последующей дивергенции генов. Другой источник разнообразия белков в организме — это использование интронов в качестве «линий разреза и склеивания» в альтернативном сплайсинге. Наконец, не кодирующие белок последовательности могут кодировать вспомогательные клеточные РНК, например, мяРНК. Недавнее исследование транскрипции генома человека показало, что 10 % генома даёт начало полиаденилированным РНК, а исследование и генома мыши показало, что 62 % его транскрибируется.

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 декодируетсярибосомой, которая «читает» последовательность мРНК, осуществляя спаривание матричной РНК с транспортными, 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.

Деление клеток необходимо для размножения одноклеточного и роста многоклеточного организма, но до деления клетка должна удвоить геном, чтобы дочерние клетки содержали ту же генетическую информацию, что и исходная клетка. Из нескольких теоретически возможных механизмов удвоения (репликации) ДНК реализуется полуконсервативный. Две цепочки разделяются, а затем каждая недостающая комплементарная последовательность ДНК воспроизводится ферментом ДНК-полимеразой. Этот фермент строит полинуклеотидную цепь, находя правильное основание через комплементарное спаривание оснований и присоединяя его к растущей цепочке. ДНК-полимераза не может начинать новую цепь, а только лишь наращивать уже существующую, поэтому она нуждается в короткой цепочке нуклеотидов (праймере), синтезируемой праймазой. Так как ДНК-полимеразы могут строить цепочку только в направлении 5″ —> 3″, для копирования антипараллельных цепей используются разные механизмы.

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.

Хорошо изученными примерами взаимодействия белков и ДНК, не зависящего от нуклеотидной последовательности ДНК, является взаимодействие со структурными белками. В клетке ДНК связана с этими белками, образуя компактную структуру, которая называется хроматин. У прокариот хроматин образован при присоединении к ДНК небольших щелочных белков — гистонов, менее упорядоченный хроматин прокариот содержит гистон-подобные белки. Гистоны формируют дискообразную белковую структуру -нуклеосому, вокруг каждой из которых вмещается два оборота спирали ДНК. Неспецифические связи между гистонами и ДНК образуются за счёт ионных связей щелочных аминокислот гистонов и кислотных остатков сахарофосфатного остова ДНК. Химические модификации этих аминокислот включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность специфических последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. Другие белки в составе хроматина, которые присоединяются к неспецифическим последовательностям — белки с высокой подвижностью в гелях, которые ассоциируют большей частью с согнутой ДНК. Эти белки важны для образования в хроматине структур более высокого порядка. Особая группа белков, присоединяющихся к ДНК, — это белки, которые ассоциируют с одноцепочечной ДНК. Наиболее хорошо охарактеризованный белок этой группы у человека — репликационный белок А, без которого невозможно протекание большинства процессов, где расплетается двойная спираль, включая репликацию, рекомбинацию и репарацию. Белки этой группы стабилизируют одноцепочечную ДНК и предотвращают формирование стеблей-петель или деградации нуклеазами.

В то же время другие белки узнают и присоединяются к специфическим последовательностям. Наиболее изученная группа таких белков — различные классы факторов транскрипции, то есть белки, регулирующие транскрипцию. Каждый из этих белков узнаёт свою последовательность, часто в промоторе, и активирует или подавляет транскрипцию гена. Это происходит при ассоциации факторов транскрипции с РНК-полимеразой либо напрямую, либо через белки-посредники. Полимераза ассоциирует сначала с белками, а потом начинает транскрипцию. В других случаях факторы транскрипции могут присоединяться к ферментам, которые модифицируют находящиеся на промоторах гистоны, что изменяет доступность ДНК для полимераз.

Так как специфические последовательности встречаются во многих местах генома, изменения в активности одного типа фактора транскрипции могут изменить активность тысяч генов. Соответственно, эти белки часто регулируются в процессах ответа на изменения в окружающей среде, развития организма и дифференцировки клеток. Специфичность взаимодействия факторов транскрипции с ДНК обеспечивается многочисленными контактами между аминокислотами и основаниями ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство контактов с основаниями происходит в главной бороздке, где основания более доступны.

Хорошо изученными примерами взаимодействия белков и ДНК, не зависящего от нуклеотидной последовательности ДНК, является взаимодействие со структурными белками. В клетке ДНК связана с этими белками, образуя компактную структуру, которая называется хроматин. У прокариот хроматин образован при присоединении к ДНК небольших щелочных белков — гистонов, менее упорядоченный хроматин прокариот содержит гистон-подобные белки. Гистоны формируют дискообразную белковую структуру — нуклеосому, вокруг каждой из которых вмещается два оборота спирали ДНК. Неспецифические связи между гистонами и ДНК образуются за счёт ионных связей щелочных аминокислот гистонов и кислотных остатков сахарофосфатного остова ДНК. Химические модификации этих аминокислот включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность специфических последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. Другие белки в составе хроматина, которые присоединяются к неспецифическим последовательностям — белки с высокой подвижностью в гелях, которые ассоциируют большей частью с согнутой ДНК. Эти белки важны для образования в хроматине структур более высокого порядка. Особая группа белков, присоединяющихся к ДНК, — это белки, которые ассоциируют с одноцепочечной ДНК. Наиболее хорошо охарактеризованный белок этой группы у человека — репликационный белок А, без которого невозможно протекание большинства процессов, где расплетается двойная спираль, включая репликацию, рекомбинацию и репарацию. Белки этой группы стабилизируют одноцепочечную ДНК и предотвращают формирование стеблей-петель или деградации нуклеазами.

После открытия принципа молекулярной организации такого вещества, как ДНК в 1953 году, начала развиваться молекулярная биология. Далее в процессе исследований ученые выяснили как рекомбенируется ДНК, ее состав и как устроен наш человеческий геном.

Каждый день на молекулярном уровне происходят сложнейшие процессы. Как устроена молекула ДНК, из чего она состоит? И какую роль играют в клетке молекулы ДНК? Расскажем подробно обо всех процессах, происходящих внутри двойной цепи.

Что такое наследственная информация?

Итак, с чего все начиналось? Еще в 1868 нашли в ядрах бактерий. А в 1928 г. Н. Кольцов выдвинул теорию о том, что именно в ДНК зашифрована вся генетическая информация о живом организме. Затем Дж. Уотсон и Ф. Крик нашли модель всем теперь известной спирали ДНК в 1953 году, за что заслужено получили признание и награду — Нобелевскую премию.

Что такое вообще ДНК? Это вещество состоит из 2 объединенных нитей, точнее спиралей. Участок такой цепочки с определенной информацией называется геном.

В ДНК хранится вся информация о том, что за белки будут формироваться и в каком порядке. Макромолекула ДНК — это материальный носитель невероятно объемной информации, которая записана строгой последовательностью отдельных кирпичиков — нуклеотидов. Всего нуклеотидов 4, они дополняют друг друга химически и геометрически. Этот принцип дополнения, или комплементарности, в науке будет описан позже. Это правило играет ключевую роль в кодировке и декодировании генетической информации.

Так как нить ДНК невероятно длинная, повторений в этой последовательности не бывает. У каждого живого существа собственная уникальная цепочка ДНК.

Функции ДНК

К функциям относятся хранение наследственной информации и ее передача потомству. Без этой функции геном вида не мог бы сохраняться и развиваться на протяжении тысячелетий. Организмы, которые претерпели серьезные мутации генов, чаще не выживают или теряют способность производить потомство. Так происходит природная защита от вырождения вида.

Еще одна существенно важная функция — реализация хранимой информации. Клетка не может создать ни одного жизненно важного белка без тех инструкций, которые хранятся в двойной цепочке.

Состав нуклеиновых кислот

Сейчас уже достоверно известно, из чего состоят сами нуклеотиды — кирпичики ДНК. В их состав входят 3 вещества:

• Ортофосфорная кислота.
• Азотистое основание. Пиримидиновые основания — которые имеют только одно кольцо. К ним относят тимин и цитозин. Пуриновые основания, в составе которых присутствуют 2 кольца. Это гуанин и аденин.
• Сахароза. В составе ДНК — дезоксирибоза, В РНК — рибоза.

Число нуклеотидов всегда равно числу азотистых оснований. В специальных лабораториях расщепляют нуклеотид и выделяют из него азотистое основание. Так изучают отдельные свойства этих нуклеотидов и возможные мутации в них.

Уровни организации наследственной информации

Разделяют 3 уровня организации: генный, хромосомный и геномный. Вся информация, нужная для синтеза нового белка, содержится на небольшом участке цепочки — гене. То есть ген считается низший и самый простой уровень кодировки информации.

Гены, в свою очередь, собраны в хромосомы. Благодаря такой организации носителя наследственного материала группы признаков по определенным законам чередуются и передаются от одного поколения к другому. Надо заметить, генов в организме невероятно много, но информация не теряется, даже когда много раз рекомбенируется.

Разделяют несколько видов генов:

• по функциональному назначению выделяют 2 типа: структурные и регуляторные последовательности;
• по влиянию на процессы, протекающие в клетке, различают: супервитальные, летальные, условно летальные гены, а также гены мутаторы и антимутаторы.

Располагаются гены вдоль хромосомы в линейном порядке. В хромосомах информация сфокусирована не вразброс, существует определенный порядок. Существует даже карта, в которой отображены позиции, или локусы генов. Например, известно, что в хромосоме № 18 зашифрованы данные о цвете глаз ребенка .

А что же такое геном? Так называют всю совокупность нуклеотидных последовательностей в клетке организма. Геном характеризует целый вид, а не отдельную особь.

Каков генетический код человека?

Дело в том, что весь огромнейший потенциал человеческого развития заложен уже в период зачатия. Вся наследственная информация, которая необходима для развития зиготы и роста ребенка уже после рождения, зашифрована в генах. Участки ДНК и есть самые основные носители наследственной информации.

У человека 46 хромосом, или 22 соматические пары плюс по одной определяющей пол хромосоме от каждого родителя. Этот диплоидный набор хромосом кодирует весь физический облик человека, его умственные и физические способности и предрасположенность к заболеваниям. Соматические хромосомы внешне неразличимы, но несут они разную информацию, так как одна из них от отца, другая — от матери.

Мужской код отличается от женского последней парой хромосом — ХУ. Женский диплоидный набор — это последняя пара, ХХ. Мужчинам достается одна Х-хромосома от биологической матери, и затем она передается дочерям. Половая У-хромосома передается сыновьям.

Хромосомы человека значительно разнятся по размеру. Например, самая маленькая пара хромосом — №17. А самая большая пара — 1 и 3.

Диаметр двойной спирали у человека — всего 2 нм. ДНК настолько плотно закручена, что вмещается в маленьком ядре клетки, хотя ее длина будет достигать 2 метров, если ее раскрутить. Длина спирали — это сотни миллионов нуклеотидов.

Как передается генетический код?

Итак, какую роль играют в клетке молекулы ДНК при делении? Гены — носители наследственной информации — находятся внутри каждой клетки организма. Чтобы передать свой код дочернему организму, многие существа делят свое ДНК на 2 одинаковые спирали. Это называется репликацией. В процессе репликации ДНК расплетается и специальные «машины» дополняют каждую цепочку. После того как раздвоится генетическая спираль, начинает делиться ядро и все органеллы, а затем и вся клетка.

Но у человека другой процесс передачи генов — половой. Признаки отца и матери перемешиваются, в новом генетическом коде содержится информация от обоих родителей.

Хранение и передача наследственной информации возможны благодаря сложной организации спирали ДНК. Ведь как мы говорили, структура белков зашифрована именно в генах. Раз создавшись во время зачатия, этот код на протяжении всей жизни будет копировать сам себя. Кариотип (личный набор хромосом) не изменяется во время обновления клеток органов. Передача же информации осуществляется с помощью половых гамет — мужских и женских.

Передавать свою информацию потомству не способны только вирусы, содержащие одну цепочку РНК. Поэтому, чтобы воспроизводиться, им нужны клетки человека или животного.

Реализация наследственной информации

В ядре клетки постоянно происходят важные процессы. Вся информация, записанная в хромосомах, используется для построения белков из аминокислот. Но цепочка ДНК никогда не покидает ядро, поэтому здесь нужна помощь другого важного соединения = РНК. Как раз РНК способно проникнуть через мембрану ядра и взаимодействовать с цепочкой ДНК.

Посредством взаимодействия ДНК и 3 видов РНК происходит реализация всей закодированной информации. На каком уровне происходит реализация наследственной информации? Все взаимодействия происходят на уровне нуклеотидов. Информационная РНК копирует участок цепи ДНК и приносит эту копию в рибосому. Здесь начинается синтез из нуклеотидов новой молекулы.

Для того чтобы иРНК могла скопировать необходимую часть цепи, спираль разворачивается, а затем, по завершении процесса перекодировки, снова восстанавливается. Причем этот процесс может происходить одновременно на 2 сторонах 1 хромосомы.

Принцип комплементарности

Состоят из 4 нуклеотидов — это аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Соединены они водородными связями по правилу комплементарности. Работы Э. Чаргаффа помогли установить это правило, так как ученый заметил некоторые закономерности в поведении этих веществ. Э. Чаргафф открыл, что молярное отношение аденина к тимину равно единице. И точно так же отношение гуанина к цитозину всегда равно единице.

На основе его работ генетики сформировали правило взаимодействия нуклеотидов. Правило комплементарности гласит, что аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Во время декодирования спирали и синтеза нового белка в рибосоме такое правило чередования помогает быстро найти необходимую аминокислоту, которая прикреплена к транспортной РНК.

РНК и его виды

Что такое наследственная информация? нуклеотидов в двойной цепи ДНК. А что такое РНК? В чем заключается ее работа? РНК, или рибонуклеиновая кислота, помогает извлекать информацию из ДНК, декодировать ее и на основе принципа комплементарности создавать необходимые клеткам белки.

Всего выделяют 3 вида РНК. Каждая из них выполняет строго свою функцию.

1. Информационная (иРНК) , или еще ее называют матричная. Она заходит прямо в центр клетки, в ядро. Находит в одной из хромосом необходимый генетический материал для постройки белка и копирует одну из сторон двойной цепи. Копирование происходит снова по принципу комплементарности.
2. Транспортная — это небольшая молекула, у которой на одной стороне декодеры-нуклеотиды, а на другой стороне соответствующие основному коду аминокислоты. Задача тРНК — доставить в «цех», то есть в рибосому, где синтезирует необходимую аминокислоту.
3. рРНК — рибосомная. Она контролирует количество белка, который продуцируется. Состоит из 2 частей — аминокислотного и пептидного участка.

Единственное отличие при декодировании — у РНК нет тимина. Вместо тимина тут присутствует урацил. Но потом, в процессе синтеза белка, при ТРНК все равно правильно устанавливает все аминокислоты. Если же происходят какие-то сбои в декодировании информации, то возникает мутация.

Репарация поврежденной молекулы ДНК

Процесс восстановления поврежденной двойной цепочки называется репарацией. В процессе репарации поврежденные гены удаляются.

Затем необходимая последовательность элементов в точности воспроизводиться и врезается обратно в то же место на цепи, откуда было извлечено. Все это происходит благодаря специальным химическим веществам — ферментам.

Почему происходят мутации?

Почему некоторые гены начинают мутировать и перестают выполнять свою функцию — хранение жизненно необходимой наследственной информации? Это происходит из-за ошибки при декодировании. Например, если аденин случайно заменен на тимин.

Существуют также хромосомные и геномные мутации. Хромосомные мутации случаются, если участки наследственной информации выпадают, удваиваются либо вообще переносятся и встраиваются в другую хромосому.

Геномные мутации наиболее серьезны . Их причина — это изменение числа хромосом. То есть когда вместо пары — диплоидного набора присутствует в кариотипе триплоидный набор.

Наиболее известный пример триплоидной мутации — это синдром Дауна, при котором личный набор хромосом 47. У таких детей образуется 3 хромосомы на месте 21-й пары.

Известна также такая мутация, как полиплодия. Но полиплодия встречается только у растений.

К 1944 г. О. Эйвери и его коллеги К. Маклеод и М. Маккарти открыли трансформирующую активность ДНК у пневмококков. Эти авторы продолжили работу Гриффита, описавшего феномен трансформации (передачи наследственных признаков) у бактерий. О. Эйвери, К. Маклеод, М. Маккарти показали, что при удалении белков, полисахаридов и РНК трансформация бактерий не нарушается, а при воздействии на индуцирующее вещество ферментом дезоксирибонуклеазой трансформирующая активность исчезает.

В этих экспериментах впервые была продемонстрирована генетическая роль молекулы ДНК. В 1952 г. А. Херши и М. Чейз подтвердили генетическую роль молекулы ДН К в опытах на бактериофаге Т2. Пометив его белок радиоактивной серой, а ДНК-радиоактивным фосфором,они инфицировали этим бактериальным вирусом кишечную палочку Е. coli. В потомстве фага было выявлено большое количество радиоактивного фосфора и лишь следы S. Отсюда следовало, что именно ДНК, а не белок фага проникает в бактерию, а затем после репликации передается фаговому потомству.

1. Строение нуклеотида днк. Типы нуклеотидов.

Нуклеотид ДНК состоит из

Азотистого основания (в ДНК 4 типа: аденин, тимин, цитозин, гуанин)

Моносахара дезоксирибозы

Фосфорной кислоты

Молекула нуклеотида состоит из трех частей — пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты.

Сахар, входящий в состав нуклеотида , содержит пять углеродных атомов, т. е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два типа нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу. В дезоксирибозе — ОН-группа при 2-м атоме углерода заменена на атом Н, т. е. в ней на один атом кислорода меньше, чем в рибозе.

В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся основания четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два — к классу пиримидинов. Основной характер этим соединениям придает включенный в кольцо азот. К числу пуринов относятся аденин (А) и гуанин (Г), а к числу пиримидинов — цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У) (соответственно в ДНК или РНК). Тимин химически очень близок к урацилу (он представляет собой 5-метилурацил, т. е. урацил, в котором у 5-го углеродного атома стоит метильная группа). В молекуле пуринов имеется два кольца, а в молекуле пиримидинов — одно.

Нуклеотиды соединяются между собой прочной ковалентной связью через сахар одного нуклеотида и фосфорную кислоту другого. Получаетсяполинуклеотидная цепь . На одном ее конце – свободная фосфорная кислота (5’-конец), на другом – свободный сахар (3’-конец). (ДНК-полимераза может присоединять новые нуклеотиды только к 3’-концу.)

Две полинуклеотидные цепи соединяются друг с другом слабыми водородными связями между азотистыми основаниями. Соблюдаются 2 правила:

принцип комплементарности: напротив аденина всегда стоит тимин, напротив цитозина – гуанин (они подходят друг другу по форме и числу водородных связей – между А и Г две связи, между Ц и Г – 3).

принцип антипараллельности: там, где у одной полинуклеотидной цепи 5’-конец, у другой – 3’-конец, и наоборот.

Получается двойная цепь ДНК.

Она скручивается в двойную спираль , один виток спирали имеет длину 3,4 нм, содержит 10 пар нуклеотидов. Азотистые основания (хранители генетической информации) находятся внутри спирали, защищенные.

По своему химическому строению ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота ) является биополимером , мономерами которого являются нуклеотиды . То есть ДНК — это полинуклеотид . Причем молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, закрученных друг относительно друга по винтовой линии (часто говорят «спирально закрученных») и соединенных между собой водородными связями.

Цепочки могут быть закручены как в левую, так и в правую (чаще всего) сторону.

У некоторых вирусов ДНК состоит из одной цепи.

Каждый нуклеотид ДНК состоит из 1) азотистого основания, 2) дезоксирибозы, 3) остатка фосфорной кислоты.

Двойная правозакрученная спираль ДНК

В состав ДНК входят следующие: аденин , гуанин , тимин и цитозин . Аденин и гуанин относятся к пуринам , а тимин и цитозин — к пиримидинам . Иногда в состав ДНК входит урацил, который обычно характерен для РНК , где замещает тимин.

Азотистые основания одной цепи молекулы ДНК соединяются с азотистыми основаниями другой строго по принципу комплементарности: аденин только с тимином (образуют между собой две водородные связи), а гуанин только с цитозином (три связи).

Азотистое основание в самом нуклеотиде соединено с первым атомом углерода циклической формы дезоксирибозы , которая является пентозой (углеводом с пятью атомами углерода). Связь является ковалентной, гликозидной (C-N). В отличие от рибозы у дезоксирибозы отсутствует одна из гидроксильных групп. Кольцо дезоксирибозы формируют четыре атома углерода и один атом кислорода. Пятый атом углерода находится вне кольца и соединен через атом кислорода с остатком фосфорной кислоты. Также через атом кислорода у третьего атома углерода присоединяется остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида.

Таким образом, в одной цепи ДНК соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями между дезоксирибозой и фосфорной кислотой (фосфодиэфирная связь). Образуется фосфат-дезоксирибозный остов. Перпендикулярно ему, навстречу другой цепочке ДНК, направлены азотистые основания, которые соединяются с основаниями второй цепочки водородными связями.

Строение ДНК таково, что остовы соединенных водородными связями цепочек направлены в разные стороны (говорят «разнонаправлены», «антипараллельны»). С той стороны, где одна заканчивается фосфорной кислотой, соединенной с пятым атомом углерода дезоксирибозы, другая заканчивается «свободным» третьим атомом углерода. То есть остов одной цепочки перевернут как бы с ног на голову относительно другой. Таким образом, в строении цепочек ДНК различают 5″-концы и 3″-концы.

При репликации (удвоении) ДНК синтез новых цепочек всегда идет от их 5-го конца к третьему, так как новые нуклеотиды могут присоединяться только к свободному третьему концу.

В конечном итоге (опосредованно через РНК) каждые идущие подряд три нуклеотида в цепи ДНК кодируют одну аминокислоту белка.

Открытие строения молекулы ДНК произошло в 1953 году благодаря работам Ф. Крика и Д. Уотсона (чему также способствовали ранние работы других ученых). Хотя как химическое вещество ДНК было известно еще в XIX веке. В 40-х годах XX века стало ясно, что именно ДНК является носителем генетической информации.

Двойная спираль считается вторичной структурой молекулы ДНК. У клетках эукариот подавляющее количество ДНК находится в хромосомах , где связана с белками и другими веществами, а также подвергается более плотной упаковке.

Молекула ДНК — засекреченный источник данных жизни

Прогресс науки не оставляет сомнений в том, что живые существа имеют чрезвычайно сложную структуру и слишком совершенную организацию, возникновение которой не может считаться случайностью. Это свидетельствует о том факте, что живые существа созданы Всемогущим Творцом, обладающим высшими знаниями. Недавно, например, с объяснением совершенной структуры человеческого гена, что стало весомой задачей Проекта Генома человека – уникальное создание Бога ещё раз предстало на всеобщее обозрение.

От США до Китая учёные со всего мира уже около десятилетия стараются расшифровать 3 миллиарда химических букв в молекуле ДНК и установить их последовательность. В результате, 85% данных, содержащихся в молекуле ДНК человеческих существ, могли бы быть секвенированы. Хотя это развитие является захватывающим и важным, доктор Фрэнсис Колинз, который возглавляет Проект, Человеческого Генома утверждает, что на данный момент изучении структуры молекулы ДНК и в расшифровке информации сделан только первый шаг.

Для того чтобы понять, почему расшифровка этой информации занимает столько времени, мы должны понять природу информации, хранящейся в структуре молекулы ДНК.

Секретная структура молекулы ДНК

В производстве технологического продукта или в управлении заводом наиболее используемыми инструментами являются опыт и накопление знаний, приобретённых за многие столетия.

Как может цепочка невидимая для глаза, состоящая из атомов, собранных в виде дорожек, с размером в одну миллиардную миллиметра обладать такой вместимостью информации и памяти?

К этому вопросу существует прибавляется следующее: если каждая из 100 триллионов клеток в твоём теле знает один миллион страниц информации наизусть, сколько энциклопедических страниц можете Вы, как умный и сознательный человек запомнить за всю жизнь? Самое главное это то, что клетка использует эту информацию без изьянов, чрезвычайно спланированным и согласованным образом, в правильных местах и никогда не совершает ошибок. Даже до того, как человек рождается на свет, его клетки уже начали процесс его созидания.

ДНК — только одна из миллионов возможных генетических молекул — ScienceDaily

Биология кодирует информацию в ДНК и РНК, которые представляют собой сложные молекулы, точно настроенные на свои функции. Но являются ли они единственным способом хранения наследственной молекулярной информации? Некоторые ученые считают, что жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла существовать до появления нуклеиновых кислот, поэтому понимание того, как они возникли на примитивной Земле, является фундаментальной целью фундаментальных исследований. Центральная роль нуклеиновых кислот в потоке биологической информации также делает их ключевыми мишенями для фармацевтических исследований, а синтетические молекулы, имитирующие нуклеиновые кислоты, составляют основу многих методов лечения вирусных заболеваний, включая ВИЧ.Известны другие полимеры, подобные нуклеиновым кислотам, но многое остается неизвестным в отношении возможных альтернатив для хранения наследственной информации. Используя сложные вычислительные методы, ученые из Института наук о Земле (ELSI) при Токийском технологическом институте, Немецкого аэрокосмического центра (DLR) и Университета Эмори исследовали «химическое соседство» аналогов нуклеиновых кислот. Удивительно, но они обнаружили более миллиона вариантов, предлагая обширную неизведанную вселенную химии, имеющую отношение к фармакологии, биохимии и попыткам понять происхождение жизни.Молекулы, выявленные в ходе этого исследования, можно было бы дополнительно модифицировать, чтобы получить сотни миллионов потенциальных фармацевтических препаратов.

Нуклеиновые кислоты были впервые идентифицированы в 19 ^-м -м веке, но их состав, биологическая роль и функция не были поняты учеными до 20 ^-го -го века. Открытие двойной спиральной структуры ДНК Уотсоном и Криком в 1953 году дало простое объяснение того, как функционируют биология и эволюция. Все живые существа на Земле хранят информацию в ДНК, которая состоит из двух полимерных нитей, обернутых друг вокруг друга, как кадуцей, причем каждая нить является дополнением другой.Когда нити растягиваются, копирование дополнения на любом шаблоне приводит к созданию двух копий оригинала. Сам полимер ДНК состоит из последовательности «букв», оснований аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T), и живые организмы разработали способы убедиться во время копирования ДНК, что соответствующая последовательность букв почти всегда воспроизводится. Последовательность оснований копируется в РНК белками, которая затем считывается в последовательность белка. Сами белки затем создают чудесную страну тонко настроенных химических процессов, которые делают возможной жизнь.

Небольшие ошибки иногда возникают при копировании ДНК, а другие иногда вносятся мутагенами окружающей среды. Эти небольшие ошибки являются кормом для естественного отбора: некоторые из этих ошибок приводят к последовательностям, которые производят более приспособленные организмы, хотя большинство из них имеют незначительный эффект, а многие даже оказываются смертельными. Способность новых последовательностей позволять своим хозяевам лучше выживать — это «храповик», который позволяет биологии почти волшебным образом адаптироваться к постоянно меняющимся вызовам, которые создает окружающая среда.Это основная причина калейдоскопа биологических форм, которые мы видим вокруг нас, от простых бактерий до тигров, информация, хранящаяся в нуклеиновых кислотах, позволяет сохранять «память» в биологии. Но являются ли ДНК и РНК единственным способом хранить эту информацию? Или, может быть, они просто лучший способ, открытый только после миллионов лет эволюционных экспериментов?

«В биологии есть два типа нуклеиновых кислот и, возможно, 20 или 30 эффективных аналогов нуклеиновых кислот, связывающих нуклеиновые кислоты. Мы хотели знать, есть ли еще один или даже миллион.Ответ: похоже, их намного больше, чем ожидалось », — говорит профессор Джим Кливз из ELSI.

Хотя биологи не считают их организмами, вирусы также используют нуклеиновые кислоты для хранения своей наследственной информации, хотя некоторые вирусы используют небольшой вариант ДНК, РНК, в качестве своей молекулярной системы хранения. РНК отличается от ДНК наличием замещения одного атома, но в целом РНК действует по очень похожим молекулярным правилам, что и ДНК. Примечательно то, что среди невероятного разнообразия организмов на Земле эти две молекулы, по сути, единственные, которые использует биология.

Биологи и химики давно задаются вопросом, почему это должно быть. Это единственные молекулы, которые могут выполнять эту функцию? Если нет, возможно, они лучшие, то есть другие молекулы могут играть эту роль, и, возможно, биология опробовала их в процессе эволюции?

Центральное значение нуклеиновых кислот в биологии также давно сделало их мишенями для лекарств для химиков. Если лекарство может подавлять способность организма или вируса передавать свои знания о том, как быть заразными, потомству, оно эффективно убивает организмы или вирус.Подделка наследственности организма или вируса — отличный способ убить его. К счастью для химиков и всех нас, клеточный аппарат, который управляет копированием нуклеиновых кислот в каждом организме, немного отличается, а у вирусов часто сильно отличается.

Организмы с большими геномами, такие как люди, должны быть очень осторожны при копировании своей наследственной информации и, таким образом, очень избирательно избегать использования неправильных предшественников при копировании своих нуклеиновых кислот. И наоборот, вирусы, у которых обычно гораздо меньше геномов, гораздо более терпимы к использованию похожих, но немного разных молекул для копирования самих себя.Это означает, что химические вещества, похожие на строительные блоки нуклеиновых кислот, известные как нуклеотиды, иногда могут ухудшать биохимию одного организма хуже, чем другого. Большинство важных противовирусных препаратов, используемых сегодня, представляют собой аналоги нуклеотидов (или нуклеозидов, молекулы которых отличаются удалением фосфатной группы), в том числе те, которые используются для лечения ВИЧ, герпеса и вирусных гепатитов. Многие важные противораковые препараты также являются аналогами нуклеотидов или нуклеозидов, поскольку раковые клетки иногда имеют мутации, которые заставляют их копировать нуклеиновые кислоты необычным образом.

«Попытка понять природу наследственности и способы ее воплощения — это едва ли не самое фундаментальное исследование, которое можно провести, но оно также имеет несколько действительно важных практических приложений», — говорит соавтор Крис Бутч, ранее работавший в ELSI. а теперь профессор Нанкинского университета.

Поскольку большинство ученых считают, что в основе биологии лежит наследуемая информация, без которой естественный отбор был бы невозможен, ученые-эволюционисты, изучающие происхождение жизни, также сосредоточились на способах создания ДНК или РНК из простых химических веществ, которые могли возникнуть спонтанно на примитивной Земле.Когда появятся нуклеиновые кислоты, многие проблемы, связанные с происхождением жизни и ранней эволюцией, будут иметь смысл. Большинство ученых думают, что РНК эволюционировала раньше ДНК, и по тонким химическим причинам, которые делают ДНК намного более стабильной, чем РНК, ДНК стала жестким диском жизни. Однако исследования 1960-х годов вскоре разделили область теоретического происхождения на две части: те, кто видел в РНК простой ответ «бритвы Оккама» на проблему происхождения биологии, и те, кто видел многочисленные изломы в броне абиологического синтеза РНК. РНК по-прежнему представляет собой сложную молекулу, и, возможно, более простые по структуре молекулы могли служить на ее месте до того, как она возникла.

Соавтор доктор Джей Гудвин, химик из Университета Эмори, говорит: «Поистине захватывающе рассматривать потенциал альтернативных генетических систем, основанных на этих аналогичных нуклеозидах, — что они, возможно, возникли и эволюционировали в разных средах, возможно даже на других планетах или лунах в пределах нашей солнечной системы.Эти альтернативные генетические системы могут расширить нашу концепцию «центральной догмы» биологии в новых направлениях эволюции в ответ на все более сложные условия здесь, на Земле, и быть устойчивыми.«

Изучить все эти основные вопросы, какая молекула появилась первой, что уникального в РНК и ДНК, одновременно путем физического создания молекул в лаборатории, сложно. С другой стороны, вычисление молекул до их создания потенциально может сэкономить химикам много времени. «Мы были удивлены результатом этого вычисления, — говорит соавтор доктор Маркус Мерингер, — было бы очень трудно априори оценить, что существует более миллиона нуклеиновых кислот подобных каркасов.Теперь мы знаем и можем приступить к тестированию некоторых из них в лаборатории ».

«Совершенно интересно думать, что, используя современные вычислительные методы, мы можем наткнуться на новые лекарства при поиске молекул, альтернативных ДНК и РНК, которые могут хранить наследственную информацию. Именно такие междисциплинарные исследования, как это, делают науку сложной и интересной. но впечатляюще «, — говорит соавтор доктор Питер Бургер, также из Университета Эмори.

Начала жизни на Земле

Начало жизни на Земле

Христианин de Duve

Эта статья впервые появилась в сентябре-октябре Выпуск журнала American Scientist 1995 г.

Развитых форм жизни на Земле существовало не менее 3,55 миллиарда человек. много лет назад. В породах того возраста были обнаружены окаменелые отпечатки бактерий, которые странно выглядят как цианобактерии, наиболее эволюционировали фотосинтезирующие организмы, присутствующие сегодня в мире. Углерод отложения, обогащенные более легким изотопом углерода-12 по сравнению с более тяжелым изотопом изотоп углерода-13 — признак биологической ассимиляции углерода — свидетельствует о еще более пожилой возраст.С другой стороны, считается, что наши молодые планета, все еще в агонии извержения вулкана и разбитая падающие кометы и астероиды оставались негостеприимными для жизни на примерно через полмиллиарда лет после его рождения вместе с остальными Солнечной системы около 4,55 миллиарда лет назад. Это оставляет окно примерно 200-300 миллионов лет для появления жизни на земле.

Эта продолжительность когда-то считалась слишком короткой для появления нечто столь же сложное, как живая клетка.Отсюда были внесены предложения что зародыши жизни, возможно, пришли на Землю из космоса с кометная пыль или даже, как было предложено Фрэнсисом Криком из ДНК двойная спираль славы на космическом корабле, посланном каким-то далеким цивилизация. Никаких доказательств в поддержку этих предложений пока не поступало. полученный. Между тем причина их изготовления в значительной степени исчез. Сейчас принято считать, что если жизнь возникла спонтанно естественными процессами — необходимое предположение, если мы хотим оставаться в сфере науки — он должен был возникнуть справедливо быстро, через тысячелетия или столетия, возможно, даже меньше, чем в миллионы лет.Даже если жизнь пришла откуда-то еще, нам все равно придется учитывать его первое развитие. Таким образом, мы с таким же успехом можно предположить, что жизнь началась на Земле.

Как произошло это знаменательное событие, до сих пор остается весьма предположительным, хотя уже не чисто умозрительный. Подсказки приходят с земли, из космоса, из лабораторных экспериментов и, особенно, из сама жизнь. История жизни на земле написана в клетках и молекулы существующих организмов.Благодаря достижениям сотовой биологии, биохимии и молекулярной биологии ученые становятся становится все более искусным в чтении текста.

Важное правило в этом упражнении — реконструировать самые ранние события в истории жизни, не предполагая, что они продолжались преимущество предвидения. Каждый шаг необходимо учитывать с точки зрения предшествующие и сопутствующие события. Каждый должен стоять сам по себе и нельзя рассматривать как подготовку к грядущему.Любой намек на телеологии следует избегать.

Строительные блоки

Первые химики изобрели термин «органическая» химия, чтобы обозначают раздел химии, который имеет дело с соединениями, производимыми живые организмы. Синтез мочевины Фридрихом Улером в 1828 г. обычно приветствуется как первое доказательство того, что особая «жизненная сила» не требуется для органического синтеза.Сохранившиеся следы виталистического таинственность, тем не менее, долгое время оставалась связанной с органическими химия, рассматриваемая как особый вид химии, зависящей от жизни, которая только человеческая изобретательность могла уравнять. Окончательная демистификация органическая химия была достигнута путем исследования внешних Космос.

Спектроскопический анализ падающего излучения показал, что космические пространства пронизаны чрезвычайно тонким облаком микроскопические частицы, называемые межзвездной пылью, содержащие разнообразие комбинаций углерода, водорода, кислорода, азота и, иногда сера или кремний.В основном это высокоактивные бесплатные радикалы и небольшие молекулы, которые вряд ли останутся нетронутыми при условия на Земле, но будут взаимодействовать, чтобы сформировать более стабильные, типичные органические соединения, многие из которых похожи на вещества, обнаруженные в живые организмы. То, что такие процессы действительно имеют место, — это демонстрируется наличием аминокислот и других биологически важные соединения на небесных телах — например, метеорит упавшая в 1969 г. в Мерчисоне, Австралия, комета Галлея (которая могла быть проанализированы во время его недавнего прохождения с помощью инструментов на космическом корабле), и спутник Сатурна Титан, моря которые, как полагают, состоят из углеводородов.

Широко признано, что эти соединения не являются продуктами жизнь, но образуются спонтанно в результате банальных химических реакций. Органический химия — это не что иное, как химия углерода. Это просто так чрезвычайно богаче, чем химия других элементов, и, следовательно, может поддерживать жизнь — благодаря уникальным ассоциативным свойствам атом углерода. По всей вероятности, первые строительные блоки жизни возникли, как и все природные химические соединения — спонтанно, согласно к правилам термодинамики.

Первые намеки на то, что это могло быть так, пришли из лаборатории, до того, как доказательства этого были обнаружены в космосе, благодаря историческим эксперименты Стэнли Миллера, о которых теперь вспоминают в учебниках естествознания. В В начале 1950-х Миллер учился в аспирантуре Университета Чикагская лаборатория Гарольда Юри, первооткрывателя тяжелого водорода и авторитет в формировании планет. Он проводил эксперименты разработан, чтобы узнать, как молния воспроизводится повторяющимся электрическим разрядов — могли повлиять на примитивную земную атмосферу, которая Юри считался смесью водорода, метана, аммиака и водяной пар.Результат превзошел самые смелые надежды Миллера и мгновенно продвинул его на небосвод знаменитостей. Всего за несколько дней более 15 процентов углерода метана подвергаются электрические разряды в лаборатории были преобразованы в различные аминокислоты, строительные блоки белков и другие потенциальные биологические составляющие. Хотя первобытная атмосфера больше не считается таким богатым водородом, как когда-то считал Юри, открытие, что метеорит Мерчисон содержит тот же аминокислоты, полученные Миллером, и даже у того же родственника пропорции, убедительно свидетельствует о том, что его результаты актуальны.

Открытие Миллера спровоцировало рождение нового химического вещества. дисциплина, абиотическая химия, которая направлена ​​на воспроизведение в лаборатория химических событий, которые инициировали появление жизни на Земле около четырех миллиардов лет назад. Помимо аминокислот и других органические кислоты, эксперименты в абиотической химии дали сахара, а также пуриновые и пиримидиновые основания, некоторые из которых являются компонентами нуклеиновых кислот ДНК и РНК и других биологически значимых вещества, хотя часто в более надуманных условиях и в более низкие урожаи, чем можно было бы ожидать от пребиотического процесса.Как далеко в сторону биохимической сложности грубые процессы изучено абиотической химией, может привести, еще не ясно. Но кажется весьма вероятно, что первые строительные блоки зарождающейся жизни были обеспечивается аминокислотами и другими небольшими органическими молекулами, такими как известно, что они легко образуются в лаборатории и на небесных телах. В какой степени эти вещества возникли на Земле или были принесены падающие кометы и астероиды, которые способствовали финальному аккреция нашей планеты все еще обсуждается.

Мир РНК

Какими бы ни были ранние события на пути к первому живому клетки, ясно, что в какой-то момент некоторые из крупных биологических молекулы, обнаруженные в современных клетках, должны были появиться. Значительный дебаты в исследованиях происхождения жизни вращались вокруг того, какой из основные макромолекулы появились первыми курица или яйцо вопрос.

В современной клетке задействованы четыре основных класса биологических молекулы нуклеиновых кислот, белков, углеводов и жиров.В споры о самых ранних биологических молекулах, однако, были сосредоточены в основном на нуклеиновых кислотах, ДНК и РНК, а также на белках. В один время или другое, один из этих молекулярных классов казался вероятным отправная точка, но какая? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны взглянуть на функции, выполняемые каждым из них в существующих организмах.

Белки являются основными структурными и функциональными агентами в клетка.Структурные белки служат для построения всевозможных компонентов. внутри клетки и вокруг нее. Каталитические белки или ферменты несут из тысяч химических реакций, которые происходят в любом данном клетка, в том числе синтез всех других биологических компонентов (включая ДНК и РНК), распад пищевых продуктов и поиск и потребление энергии. Регуляторные белки управляют многочисленные взаимодействия, которые регулируют экспрессию и репликацию гены, производительность ферментов, взаимодействие между клетками и их окружение и многие другие проявления.Через действие белков, клеток и организмов, которые они образуют, возникают, развиваются, функционируют и развиваются в порядке, предписанном их генами, поскольку модулируется их окружением.

Белки не могут воспроизводить себя. Быть конечно, они могут способствовать и действительно способствуют формированию связей между составляющие их аминокислоты. Но они не могут этого сделать без информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, ДНК и РНК.В целом современных организмов ДНК служит хранилищем генетических Информация. ДНК содержит в зашифрованном виде инструкции для изготовления белков. Точнее, закодировано в ДНК — это точный порядок, в котором аминокислоты выбираются на каждом этапе из 20 различных разновидностей, должны быть соединены вместе, чтобы образовать все белки организма. В общем, каждый ген содержит инструкция на один протеин.

Сама ДНК образована линейной сборкой большого количества единицы, называемые нуклеотидами. Есть четыре разных вида нуклеотиды, обозначенные инициалами составляющих их оснований: A (аденин), G (гуанин), C (цитозин) и T (тимин). Последовательность нуклеотидов определяет информативность молекул, как и последовательность букв в словах.

Во всех клетках молекулы ДНК состоят из двух нитей ДНК, которые вращаются друг вокруг друга в форме, называемой двойным спираль.Две нити скреплены связями между основаниями. каждой пряди. Связь довольно специфична, так что А всегда связывает с T, и G всегда находится в партнерстве с C на противоположной цепи ДНК. Эта взаимодополняемость имеет решающее значение для точной репликации ДНК. нити до деления клеток.

Во время репликации ДНК цепи ДНК разделяются, и каждая нить служит шаблоном для репликации своего комплементарного прядь.Где бы в шаблоне ни появлялся A, к зарождающаяся прядь. Или, если T есть в шаблоне, то A добавляется к растущая прядь. То же верно и для пар G и C. в характерная двойная спиральная структура ДНК, две нити несут ту же информацию в дополнительных версиях, что и положительные и отрицательные одной и той же фотографии. После репликации положительная нить служит шаблоном для сборки нового отрицательная и отрицательная нить для новой положительной, давая два идентичных дуплекса.

Для того, чтобы ДНК выполняла свою основную роль в управлении при построении белков должна быть получена промежуточная молекула. ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка. Это функция его очень близкого химического родственника РНК.

Экспрессия ДНК начинается, когда молекула РНК построена несут информацию о гене, содержащемся в молекуле ДНК.РНК, как и ДНК, состоит из нуклеотидов, но U (урацил) принимает место T. Построение молекулы РНК происходит по тем же правилам. как репликация ДНК. Копия РНК, называемая транскриптом, представляет собой комплементарная копия ДНК со вставленным U (вместо T) везде, где A появляется на матрице ДНК.

Большинство транскриптов РНК, часто после некоторой модификации, обеспечивают информация для сборки белков.Последовательность нуклеотиды вдоль кодирующей РНК, метко названной матричной РНК, указывает последовательность аминокислот в соответствующем белке молекула из трех последовательных нуклеотидов (называемых кодоном ) в РНК определяет одну аминокислоту, которая будет использоваться в белке. В процесс известен как перевод, и соответствие между кодоны и аминокислоты определяют генетический код.

Однако не все молекулы РНК являются посредниками.Некоторые из РНК участвуют в синтезе белка другими способами. Некоторые действительно делают вверх клеточный аппарат, который строит белки. Они называются рибосомные РНК, и они могут включать фактический катализатор, который присоединяется к аминокислоты пептидными связями, согласно работе Гарри Ноллера в Калифорнийском университете в Санта-Крус. Другие РНК, называемые переносят РНК, переносят соответствующие аминокислоты на рибосому.В качестве клеточная биология прогрессирует, еще больше функций для РНК было обнаруженный. Например, некоторые молекулы РНК участвуют в ДНК. репликация, в то время как другие помогают обрабатывать РНК-мессенджеры.

Ученые рассматривают происхождение биологических молекул столкнулся с серьезной трудностью. В современной камере каждый из этих молекулы зависят от двух других для производства или его функция.Например, ДНК — это просто план и не может выполняет единственную каталитическую функцию и не может воспроизводить свои собственный. С другой стороны, белки выполняют большую часть каталитических функций. функции, но не могут быть изготовлены без спецификаций закодирован в ДНК. Один из возможных сценариев возникновения жизни: включить возможность того, что два вида молекул эволюционировали вместе, один информационный и один каталитический.Но этот сценарий чрезвычайно сложно и маловероятно.

Другая возможность состоит в том, что одна из этих молекул могла сама выполнять несколько функций. Теоретики, рассматривающие такую ​​возможность начал серьезно присматриваться к РНК. Во-первых, молекула повсеместное распространение в современных клетках предполагает, что это очень древний молекула. Кроме того, он очень легко адаптируется, участвуя в все процессы, связанные с обработкой информации в клетка.Какое-то время казалось, что РНК не способна делать единственное. катализирует химические реакции.

Это мнение изменилось, когда в конце 1970-х Сидней Альтман в Йельском университете Университет и Томас Чех из Университета Колорадо в Боулдере независимо открыли молекулы РНК, которые на самом деле могли каталитически вырезать части себя или других РНК молекулы. Загадка происхождения жизни с курицей или яйцом казалась отпасть.Теперь стало теоретически возможным, что РНК могла существовать молекула, которая естественным образом содержала последовательность информация для его воспроизводства посредством взаимного спаривания оснований и может также катализировать синтез более похожих цепей РНК.

В 1986 году химик из Гарварда Уолтер Гилберт ввел термин «РНК. мир »для обозначения гипотетического этапа развития жизни в котором «молекулы и кофакторы РНК [были] достаточным набором ферменты для проведения всех химических реакций, необходимых для первые клеточные структуры.«Сегодня это почти догма. что эволюция жизни действительно включала фазу, когда РНК была преобладающая биологическая макромолекула.

Происхождение и эволюция мира РНК

Как многие люди уверены в том, что мир РНК был решающим фаза эволюции жизни, она не могла быть первой. Некоторая форма абиотической химии, должно быть, существовала до того, как появилась РНК.Для целей этого обсуждения я назову эту раннюю фазу «протометаболизм» для обозначения набора неизвестных химических реакций которые породили мир РНК и поддерживали его на протяжении всего его существование (в отличие от метаболизма — совокупность реакций, катализируемых белковыми ферментами, которые сегодня поддерживают все живые организмы). К определение, протометаболизм (который мог развиться со временем) был ответственным, пока не взял на себя метаболизм.Несколько этапов могут быть отличился в этом переходе.

На первом этапе должен был развиться путь, который органический материал и превратил его в РНК. Первые строительные блоки жизни должны были быть преобразованы в составные части нуклеотидов, из которых должны были образоваться сами нуклеотиды. Оттуда, нуклеотиды должны были быть соединены вместе, чтобы образовалась первая РНК. молекулы.Попытки воспроизвести эти события в лаборатории привели к пока были успешными лишь частично, что понятно ввиду сложности химии. С другой стороны, это также удивительно, поскольку это, должно быть, были стойкие реакции на поддерживать мир РНК на долгое время. Вопреки тому, что иногда бывает предполагалось, что идея нескольких молекул РНК, объединенных некоторыми случайное стечение обстоятельств и впредь воспроизводится и усиление путем репликации просто неприемлемо.Может быть нет репликации без прочной химической основы, продолжающей предоставить необходимые материалы и энергию.

Развитие репликации РНК должно быть вторым этап эволюции мира РНК. Проблема не в том простой, как может показаться на первый взгляд. Попытки инжиниринг — со значительно большей дальновидностью и технической поддержкой чем мог бы обладать мир пребиотиков — молекула РНК, способная катализировать репликацию РНК пока не удалось.

С появлением репликации РНК дарвиновская эволюция возможно впервые. Из-за неизбежного копирования ошибки, ряд вариантов исходных молекул-шаблонов были сформированы. Некоторые из этих вариантов были воспроизведены быстрее, чем другие или оказались более стабильными, тем самым постепенно вытесняя менее благополучные молекулы. В конце концов, один молекулярный вид, оптимальное сочетание воспроизводимости и стабильности при преобладающие условия, стали доминирующими.Это на молекулярном уровне, это именно тот механизм, который постулировал Дарвин для эволюция организмов: случайное изменение, конкуренция, отбор и усиление наиболее приспособленной сущности. Сценарий — это не просто теоретическая конструкция. Его много раз инсценировали в лаборатории с помощью фермента репликации вируса, впервые в 1967 — покойный американский биохимик Сол Шпигельман из Колумбии. Университет.

Интересная возможность состоит в том, что репликация сама по себе продукт молекулярного отбора. Кажется маловероятным, что протометаболизм произвел только четыре основания, обнаруженные в РНК, A, U, G и C, готовый по некоторому удивительному совпадению вступить в спаривание и разрешить репликацию. У химии нет такого предвидения. По всей вероятности, четыре базы возникли вместе с рядом другие вещества, аналогично построенные из одного или нескольких колец содержащий углерод и азот.Согласно нынешней описи, такие вещества могли включать другие члены пуриновой семейство (которое включает A и G), пиримидины (которые включают U, T и C), никотинамид и флавин, оба из которых фактически участвуют в нуклеотидоподобные комбинации и птерины среди других соединений. Первые молекулы, подобные нуклеиновой кислоте, вероятно, содержали Ассортимент этих соединений. Молекулы, богатые A, U, G и C, тогда были постепенно отобраны и усилены, когда-то некоторые рудиментарные Зависимый от матрицы синтетический механизм, позволяющий образовывать пары оснований.Таким образом, РНК в том виде, в каком она существует сегодня, могла быть первым продуктом молекулярный отбор.

Третьим этапом эволюции мира РНК был развитие РНК-зависимого синтеза белков. Скорее всего, химическое оборудование появилось первым, еще не получившее информации от генетических сообщения в результате взаимодействия между определенными молекулами РНК, предшественники будущего переноса, рибосомные и информационные РНК, и аминокислоты.Выбор задействованных молекул РНК может предположительно можно объяснить на основе молекулярных преимуществ, так как только что обрисовал в общих чертах. Но для дальнейшей эволюции нужно кое-что нужно больше. Молекулы РНК больше не нужно было отбирать исключительно исходя из того, что они были , но из чего они сделал ; то есть проявляя некоторую каталитическую активность, большинство заметно делает белки.Это означает, что молекулы РНК, способные участия в синтезе белка обладает избирательным преимуществом, не потому, что их было легче воспроизвести или они были более стабильными, но поскольку белки, которые они производили, способствовали их репликации какой-то косвенной обратной связью.

Этот этап сигнализирует предел того, что могло произойти в неструктурированный суп. Чтобы развиваться дальше, система должна была быть разделены на большое количество конкурирующих примитивных ячеек, или протоклетки, способные к росту и размножению путем деления.Этот разбиение могло произойти раньше. Никто не знает. Но это могло не случилось позже. Это состояние означает, что протометаболизм также производил материалы, необходимые для сборки мембран окружающие протоклетки. В современном мире эти материалы сложные белки и молекулы жирных липидов. Вероятно, они были проще в мире РНК, хотя и сложнее, чем недифференцированная «слизь» или «нечисть», которая иногда предлагается.

После того, как было установлено химическое оборудование для синтеза белка, информация может попасть в систему через взаимодействие между определенными РНК-компоненты механизма, РНК-мессенджеры будущего и другие, молекулы РНК, несущие аминокислоты — будущие транспортные РНК. Трансляция и генетический код прогрессивно развивались одновременно на этом этапе, что предположительно было вызвано Дарвиновское соревнование между протоклетками, наделенными разными варианты участвующих молекул РНК.Любая мутация РНК, вызвавшая структуры полезных белков более тесно зависят от структуры реплицируемых РНК, тем самым увеличивая воспроизводимость самих полезных белков, дала некоторые эволюционное преимущество рассматриваемой протоклетки, которое было разрешено более эффективно конкурировать за доступные ресурсы и расти и размножаются быстрее других.

Мир РНК вступил в последнюю стадию своей эволюции, когда перевод стал достаточно точным, чтобы однозначно связать последовательности отдельных белков с последовательностями отдельные гены РНК.Это та ситуация, которая существует сегодня (с ДНК, несущая первичную генетическую информацию), за исключением того, что современные системы намного точнее и сложнее, чем первые системы должны были быть. Скорее всего, первые гены РНК были очень короткими, не более 70–100 нуклеотидов (современные ген состоит из нескольких тысяч нуклеотидов), с соответствующими белки (больше похожие на фрагменты белков, называемые пептидами), содержащие не более 20-30 аминокислот.

Именно на этой стадии белковые ферменты должны были первое появление, возникающее одно за другим в результате появления какого-либо гена РНК мутации и наделения мутантной протоклетки способностью нести провести новую химическую реакцию или улучшить существующую. В улучшения позволят протоклетке расти и размножаться больше эффективнее, чем другие протоклетки, в которых мутации не появился.Этот тип дарвиновского отбора должен был иметь место много раз подряд, чтобы обеспечить ферментно-зависимый метаболизм для постепенной замены протометаболизма.

Появление ДНК стало сигналом к ​​дальнейшему совершенствованию клеточного система обработки информации, хотя дата этой разработки не может быть исправлен точно. Даже не ясно, появилась ли ДНК в мире РНК или позже.Конечно, поскольку генетические системы стал более сложным, было больше преимуществ для хранения генетическая информация в отдельной молекуле. Химические мутации необходимые для получения ДНК из РНК, довольно тривиальны. И это возможно, что фермент, реплицирующий РНК, мог быть кооптирован для передачи информации от РНК к ДНК. Если это произошло во время В мире РНК, вероятно, это произошло ближе к концу, после того, как большая часть Были установлены РНК-зависимые механизмы.

Что мы можем сделать из этого сценария, который хоть и чисто гипотетический, изображает в логической последовательности события, которые должны произошли, если мы примем гипотезу РНК-мира? А что, если что-нибудь, можем ли мы сделать вывод о протометаболизме, который должен иметь предшествовал этому? Я вижу три свойства.

Во-первых, протометаболизм включал стабильный набор реакции, способные не только генерировать мир РНК, но и выдерживая его в течение явно долгого времени, которое потребовалось для развитие репликации РНК, синтеза и трансляции белков, а также открытие ферментов и метаболизма.

Во-вторых, протометаболизм включал комплекс набор реакции, способные создавать молекулы РНК и их составляющие, белки, компоненты мембран и, возможно, различные коферменты, часто упоминается как часть каталитического вооружения РНК Мир.

Наконец, протометаболизм должен был быть , конгруэнтным с современный метаболизм; то есть, он должен был идти по пути аналогично сегодняшнему метаболизму, даже если он не использовал точно такие же материалы или реакции.Много абиотической химии эксперты не согласны с этой точкой зрения, которую, однако, я считаю вынужденной. последовательным образом, в котором ферменты-катализаторы метаболизма должно было возникнуть и быть усыновленным. Чтобы быть полезным и дарить селективное преимущество задействованной мутантной протоклетки, каждая новая фермент должен был найти одно или несколько веществ, на которые он действует, и магазин для своего продукта или продуктов.Другими словами, реакция катализированный, должно быть, вписался в протометаболическую сеть. Быть уверен, поскольку было добавлено больше ферментов и они начали создавать свои собственные сети, новые пути могли развиться, но только как расширения того, что изначально было конгруэнтной сетью.

Мир тиоэфира

Тогда вполне может быть, что это ключ к разгадке природы того раннего протометаболизм существует в рамках современного метаболизма.Несколько предложений такого рода были сделаны. Мой центр вокруг связи между сера и углеродсодержащее соединение, называемое ацильной группой, которая дает соединение, называемое тиоэфиром. Я рассматриваю тиоэфирную связь как первобытность в развитии жизни. Позвольте мне сначала кратко изложить мои причины.

Тиоэфир образуется, когда тиол (общая форма которого записывается как органическая группа R, связанная с серой и водородом, следовательно, R-SH) соединяется с карбоновой кислотой (R’-COOH).Молекула воды (H ₂ O) — это высвобождается в процессе, и остается тиоэфир: R-S-CO-R ‘. Привлекательность этой облигации в том, что, во-первых, ее ингредиенты, вероятно, компоненты пребиотического супа. Аминокислоты и другие карбоновые кислоты кислоты являются наиболее заметными веществами, обнаруженными как в колбы и в метеоритах. С другой стороны, можно ожидать, что тиолы легко возникнуть в вулканической обстановке, богатой водородом сульфид (H ₂ S), вероятно, был обнаружен на пребиотической земле.Объединение этих компонентов в тиоэфиры потребовало бы энергия. Для этого есть несколько возможных механизмов, которые я обратимся позже. А пока предположим, что тиоэфиры были представлены. Что они могли сделать?

Тиоэфирная связь — это то, что биохимики называют высокоэнергетической связью, эквивалентно фосфатным связям в аденозинтрифосфате (АТФ), который является основным поставщиком энергии для всех живых организмов.Это состоит из аденозинмонофосфата (АМФ) — фактически один из четырех нуклеотиды, из которых состоит РНК — к которым относятся две фосфатные группы прикрепил. Расщепление любой из этих двух фосфатных связей в АТФ генерирует энергию, которая питает подавляющее большинство биологических энергозатратные явления. В свою очередь, АТФ необходимо регенерировать для работа, чтобы продолжить.

Показательно, что тиоэфиры являются обязательными промежуточными продуктами в несколько ключевых процессов, в которых АТФ либо используется, либо регенерируется.Тиоэфиры участвуют в синтезе всех сложных эфиров, в том числе те, что содержатся в сложных липидах. Они также участвуют в синтез ряда других клеточных компонентов, в том числе пептиды, жирные кислоты, стерины, терпены, порфирины и другие. В кроме того, тиоэфиры образуются как ключевые промежуточные соединения в нескольких особенно древние процессы, которые приводят к сборке АТФ. В обоих случаях тиоэфир ближе, чем АТФ, к процесс, который использует или дает энергию.Другими словами, тиоэфиры могут на самом деле изначально играли роль АТФ в мире тиоэфиров. лишен АТФ. В конце концов, их тиоэфиры могли послужить вводит АТФ через его способность поддерживать образование связей между фосфатными группами.

Среди веществ, образующихся из тиоэфиров в настоящее время организмы — это ряд бактериальных пептидов, состоящих из 10 или более аминокислот.Это было обнаружено покойным американцем немецкого происхождения. биохимик Фриц Липманн, «отец биоэнергетики», к конец 1960-х гг. Но еще до этого Теодор Виланд из Германии обнаружили в 1951 году, что пептиды образуются спонтанно из тиоэфиры аминокислот в водном растворе.

Можно ожидать, что такая же реакция произойдет с тиоэфиром. мир, где аминокислоты присутствовали в виде тиоэфиров.Среди полученных пептидов и аналогичных мультиэлементных макромолекулы, которые я называю мультимерами, чтобы подчеркнуть их химическая неоднородность, ряд молекул мог быть структурно и функционально похож на небольшой каталитический белки, которые запустили метаболизм. Поэтому я предлагаю мультимеры, полученные из тиоэфиров, предоставили первые ферментоподобные катализаторы протометаболизма.

Таким образом, мир тиоэфиров представляет собой гипотетический ранний этап развития развитие жизни, которое могло бы обеспечить энергией и каталитический каркас протометаболического набора примитивных химических реакции, которые привели от первых строительных блоков жизни к РНК мир и впоследствии поддерживал мир РНК до тех пор, пока метаболизм над.

Эта гипотеза предполагает, что тиоэфиры могут образовываться спонтанно. на пребиотической земле.Сборка из тиолов и кислот могла иметь произошло, хотя и с очень низким выходом, в горячей, кислой среде. Они также могли образоваться в отсутствие воды, например, в Атмосфера. Возможно, более вероятно, что тиоэфиры формируется, как и в современном мире, реакциями, связанными с какой-то энергоемкий процесс. Американский химик Артур Вебер, ранее работала в Институте Солка, сейчас находится в Исследовательском центре Эймса НАСА. в Калифорнии описал несколько простых механизмов такого рода которые могли работать в условиях примитивной земли.

Пока эти идеи являются весьма спекулятивными, поддерживаются в основном из-за необходимости соответствия между протометаболизмом и метаболизм, ключевую — и, вероятно, древнюю — роль, которую играют тиоэфиры в современном метаболизме и вероятным присутствием тиоэфиры на пребиотической земле. Но некоторые экспериментальные данные было получено, что поддерживает модель тиоэфирного мира.

Я уже упоминал о работах Виланда, Липмана и Вебера.Недавно были получены весьма убедительные доказательства из лаборатории Миллера, где исследователи получили под вероятным пребиотиком кондиционирует три молекулы: цистеамин, бета-аланин и пантоин. кислоты, которые составляют природное вещество, известное как пантетеин. Они также наблюдали быстрое образование этого соединения из его три строительных блока в пребиотических условиях. Так получилось, что пантетеин — важнейший биологический тиол, каталитический участник подавляющего большинства реакций с участием тиоэфира облигации.

Космический императив

Я попытался здесь рассмотреть некоторые факты и идеи, которые рассматривается как объяснение ранних стадий спонтанного зарождение жизни на земле. Насколько много гипотетических механизмов Считается, выдержит ли испытание временем, неизвестно. Кроме одного подтверждение может быть безопасно сделано, независимо от фактического характера процессы, породившие жизнь.Эти процессы должны были быть сильно детерминированный. Другими словами, эти процессы были неизбежно в условиях, существовавших на пребиотической земле. Более того, эти процессы обязательно будут происходить одинаково везде, где и всякий раз, когда возникают аналогичные условия. Это должно быть так, потому что процессы являются химическими и, следовательно, управляются детерминированными законы, которые управляют химическими реакциями и делают их воспроизводимыми.

Также кажется вероятным, что жизнь возникнет где-нибудь подобное. условия найдены, потому что задействовано много последовательных шагов. А может произойти одиночное, странное, маловероятное событие. Много крайне маловероятные события, связанные с выигрышным лотерейным номером или раздача игральных карт в руке бриджа, когда все время. Но череда невероятных событий с одним и тем же номером лотереи дважды вытягивается, или одна и та же рука бриджа раздается дважды в ряды не возникают естественным образом.

Все это приводит меня к выводу, что жизнь — это обязательная проявление материи, неизбежно возникшее там, где условия подходящее. К сожалению, доступные технологии не позволяют нам чтобы узнать, сколько сайтов предлагают подходящие условия в нашем галактика, не говоря уже о вселенной. По мнению большинства экспертов, которые рассмотрели проблему особенно в связи с поиском Проект внеземного разума, таких должно быть много. сайтов, возможно, до одного миллиона на галактику.Если эти специалисты правы, и, если я прав, должно быть примерно столько же очагов жизнь во вселенной. Жизнь — это космический императив. Вселенная переполнены жизнью.

Библиография

• de Duve, C. 1991. Blueprint for a Cell: The Nature and Origin of Жизнь . Берлингтон, Северная Каролина: Издательство Нила Паттерсона, Каролина Компания биологического снабжения.
• де Дуве, К.1995. Жизненная пыль: жизнь как космический императив . Нью-Йорк: Основные книги.
• Гилберт, В. 1986. Мир РНК. Природа 319: 618.
• Гилберт В. 1987. Экзонная теория генов. Колд-Спринг-Харбор Симпозиум по количественной биологии 52: 901-905.
• Киф, А. Д., Г. Л. Ньютон и С. Л. Миллер. 1995. Возможный пребиотический синтез пантетеина, предшественника кофермента А. Nature 373: 683-685.
• Miller, S. L. 1953. Производство аминокислот по возможности примитивные земные условия. Наука 117: 528-529.
• Ноллер, Х. Ф., В. Хоффарт и Л. Зимняк. 1992. Необычное сопротивление. пептидилтрансферазы на процедуры экстракции белка. Наука 256: 1416-1419.
• Schopf, J. W. 1992. Самые старые окаменелости и их значение.В Основные события в истории жизни , изд. J. W. Schopf. Бостон: Джонс и Бартлетт, стр. 29-63.
• Schopf, J. W. 1993. Микрофоссилий верхушечных кремней раннего архея: новое свидетельство древности жизни. Наука 260: 640-646.

Первой молекулой жизни был белок, а не РНК, новая модель предлагает

Из журнала Quanta Magazine ( оригинальную историю можно найти здесь ).

Белки обычно уступают место молекулам РНК в размышлениях ученых о том, как зародилась жизнь на Земле. Тем не менее, новая вычислительная модель, которая описывает, как ранние биополимеры могли вырасти достаточно долго, чтобы сложиться в полезные формы, может это изменить. Если это подтвердится, модель, которая в настоящее время направляет лабораторные эксперименты для подтверждения, может восстановить репутацию белков как исходной самовоспроизводящейся биомолекулы.

Для ученых, изучающих происхождение жизни, один из величайших вопросов типа курицы или яйца: что появилось раньше — белки или нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК? Около четырех миллиардов лет назад основные химические строительные блоки привели к появлению более длинных полимеров, которые обладали способностью самовоспроизводиться и выполнять функции, необходимые для жизни, а именно хранение информации и катализирование химических реакций.На протяжении большей части жизни нуклеиновые кислоты выполняли первую работу, а белки — вторую. Тем не менее, ДНК и РНК несут инструкции по созданию белков, а белки извлекают и копируют эти инструкции в виде ДНК или РНК. Какой из них изначально мог справиться с обеими задачами самостоятельно?

В течение десятилетий предпочтительным кандидатом была РНК — особенно после открытия в 1980-х годах, что РНК также может сворачиваться и катализировать реакции, как это делают белки. Более поздние теоретические и экспериментальные данные подтвердили гипотезу «мира РНК» о том, что жизнь возникла из РНК, которая может катализировать образование большего количества РНК.

Но РНК также невероятно сложна и чувствительна, и некоторые эксперты скептически относятся к тому, что она могла возникнуть спонтанно в суровых условиях пребиотического мира. Более того, как молекулы РНК, так и белки должны принимать форму длинных сложенных цепей, чтобы выполнять свою каталитическую работу, и ранняя среда, по-видимому, не позволяла цепочкам нуклеиновых кислот или аминокислот становиться достаточно длинными.

Кен Дилл и Елизавета Гусева из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке вместе с Рональдом Цукерманом из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии представили возможное решение головоломки в Протоколах Национальной академии наук ( PNAS ). этим летом.Что касается моделей, их все очень просто. Дилл разработал его в 1985 году, чтобы помочь решить «проблему сворачивания белка», которая касается того, как последовательность аминокислот в белке определяет его складчатую структуру. Его гидрофобно-полярная (HP) модель сворачивания белка рассматривает 20 аминокислот как всего два типа субъединиц, которые он сравнил с разноцветными бусинками на ожерелье: голубые, водолюбивые (полярные мономеры) и красные, ненавидящие воду. единицы (неполярные мономеры). Модель может складывать цепочку из этих бусинок в последовательном порядке по вершинам двумерной решетки, как если бы они размещались на смежных квадратах шахматной доски.Какой квадрат будет занимать конкретная бусина, зависит от тенденции красных гидрофобных бусинок слипаться вместе, чтобы они лучше избегали попадания воды.

Дилл, биофизик, использовал этот вид вычислений на протяжении 1990-х годов, чтобы ответить на вопросы об энергетических ландшафтах и ​​состояниях сворачивания белковых последовательностей. Лишь недавно он подумал о применении этой модели к ранней Земле — и к переходу от химии пребиотиков к биологии. «Химия не корыстна, а биология — не корыстолюбивая», — сказал Дилл.«Каковы были первые семена этого корыстолюбия?»

Ответ, по его мнению, кроется в складываемых полимерах, или фолдамерах. С помощью своей модели он создал один набор перестановок гидрофобных и полярных мономеров: полный набор всех возможных красно-синих ожерелий длиной до 25 бусинок. Только 2,3% этих последовательностей коллапсируют в компактные фолдамерные структуры. И только 12,7% из них — всего 0,3% от исходного набора — складываются в конформации, обнажающие гидрофобное пятно красных шариков на их поверхности.

Этот пластырь может служить привлекательной липкой посадочной площадкой для проплывающих мимо гидрофобных участков последовательностей. Если одна красная бусина и краснохвостая цепочка приземляются на гидрофобный участок одновременно, термодинамика благоприятствует соединению двух последовательностей вместе. Другими словами, пластырь действует как катализатор удлинения полимеров, ускоряя эти реакции в десять раз. По словам Дилла, хотя это увеличение скорости невелико, оно существенно.

Автокаталитическое оригами

Большинство этих удлиненных полимеров просто продолжают свой путь.Но некоторые из них сворачиваются, а некоторые даже имеют собственное гидрофобное пятно, как и оригинальный катализатор. Когда это происходит, свернутые молекулы с посадочными площадками не только продолжают образовывать длинные полимеры во все большем и большем количестве, но они также могут в конечном итоге составить так называемый автокаталитический набор, в котором фолдамеры прямо или косвенно катализируют образование своих копий. . Иногда два или более фолдамеров могут участвовать во взаимном катализе, усиливая реакции, которые образуют друг друга.Хотя такие наборы редки, количество этих молекул будет расти экспоненциально и в конечном итоге захватит пребиотический суп. «Это все равно, что зажечь спичку и устроить лесной пожар», — сказал Дилл.

«В этом вся магия, — добавил он, — способность небольшого события превращаться в гораздо более крупные события».

И все, что нужно для запуска этого процесса, — это определенные последовательности гидрофобных и полярных компонентов, которые его модель может предсказать. «Модель Дилла показывает, что вам нужны только эти два свойства», — сказал Питер Шустер, химик-теоретик и почетный профессор Венского университета.»Это прекрасный теоретический результат».

«Это ставит под сомнение представление о происхождении жизни, основанное на гипотезе мира РНК», — сказал Эндрю Похорилл, директор Центра вычислительной астробиологии и фундаментальной биологии НАСА. Ему и некоторым другим ученым белки кажутся «более естественной отправной точкой», потому что их легче производить, чем нуклеиновые кислоты. Похорилл утверждает, что система хранения информации, обнаруженная в самых ранних зачатках жизни, была бы менее развитой, чем система на основе нуклеиновых кислот в современных клетках.

«Людям не нравилась гипотеза о первоочередности белков, потому что мы не знаем, как реплицировать белки», — добавил он. «Это попытка показать, что даже если вы не можете действительно реплицировать белки так же, как реплицировать РНК, вы все равно можете строить и развивать мир без такого рода точного хранилища информации».

Эта плодородная, богатая информацией среда могла бы тогда стать более благоприятной для появления РНК. Поскольку РНК лучше подходила для автокатализа, в долгосрочной перспективе ей бы способствовал естественный отбор.«Если вы начнете с более простой модели [например, модели Дилла], нечто вроде РНК может появиться позже, и она станет победителем в производственной игре», — сказал Дорон Ланцет, исследователь геномики, который работал над своей собственной простой моделью, основанной на химии. в Институте науки Вейцмана в Израиле.

В поисках доказательств с помощью пептоидов

Конечно, ключ ко всему этому — в реальных экспериментах. «Все, что насчитывает более 2,5–3 миллиардов лет, является спекуляцией», — сказал Эрих Борнберг-Бауэр, профессор молекулярной эволюции в Вестфальском университете Вильгельма в Мюнстере в Германии.Он охарактеризовал работу Дилла как «действительно доказательство концепции». Модель все еще нуждается в проверке на сравнении с другими теоретическими моделями и экспериментальными исследованиями в лаборатории, если она действительно хочет бороться с гипотезой мира РНК. В противном случае «это похоже на шутку о том, что физики [предполагают], что коровы представляют собой совершенно упругие сферические объекты», — сказал Андрей Лупас, директор отдела эволюции белков в Институте биологии развития Макса Планка в Германии, который верит в мир РНК-пептидов. , в котором двое вместе эволюционировали.«Любое значение в конечном итоге исходит из эмпирических подходов».

Вот почему Цукерманн, один из соавторов статьи PNAS , начал работу над проектом, который, как он надеется, подтвердит гипотезу Дилла.

Двадцать пять лет назад, примерно в то время, когда Дилл предложил свою модель сворачивания белка HP, Цукерманн разрабатывал синтетический метод создания искусственных полимеров, называемых пептоидами. Он использовал эти небиологические молекулы для создания материалов, имитирующих белок.Теперь он использует пептоиды, чтобы проверить предсказания модели HP, исследуя, как последовательности складываются и могут ли они стать хорошими катализаторами. По словам Цукерманна, в ходе этого эксперимента он и его коллеги будут тестировать тысячи последовательностей.

Это будет непросто и сложно. Модель Дилла HP очень упрощена и не учитывает многие сложные молекулярные детали и химические взаимодействия, характерные для реальной жизни. «Это означает, что мы столкнемся с реальностями атомарного уровня, которые модель не может увидеть», — сказал Цукерманн.

Одна из таких реальностей может заключаться в том, что пара фолдамеров будет агрегировать, а не катализировать производство друг друга. Скептики гипотезы Дилла опасаются, что гидрофобным участкам будет гораздо легче взаимодействовать друг с другом, чем с другими полимерными цепями. Но, по словам Похорилла, возможность агрегации не означает, что Дилл автоматически ошибается, говоря, что эти гидрофобные пластыри нужны для запуска автокатализа. «Современные ферменты — это не просто гладкие шарики. Ферменты содержат щели, которые помогают процессу катализа », — пояснил он.Если фолдамеры агрегатируются через их посадочные площадки, вполне возможно, что полученная конструкция также может обладать такими характеристиками.

«Даже если это кажется маловероятным, наука должна учитывать все гипотезы», — добавила Борнберг-Бауэр. «Это то, что делает Дилл».

Пока, по крайней мере, безраздельно господствует гипотеза мира РНК. Тем не менее, Дилл и Цукерманн с оптимизмом смотрят на результаты дальнейших исследований. Дилл планирует использовать эту модель для изучения других вопросов о происхождении жизни, в том числе о том, как и почему возник генетический код.И Цукерманн надеется, что исследование — помимо подтверждения (или опровержения) вычислений Дилла — также поможет ему создать фолдамеры, которые могут действовать как средства доставки лекарств, синтетических антител или диагностических инструментов.

«Эта модель является отправной точкой для таких экспериментаторов, как я», — сказал Цукерманн. «Это ставит задачу найти эти примитивные катализаторы, показать, как они работают, сказать: это могло действительно случиться».

Перепечатано с разрешения Quanta Magazine , редакционно независимого издания Simons Foundation , чьей миссией является улучшение понимания науки общественностью путем освещения исследований и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни.

Сколько типов белок-белковых взаимодействий существует в природе?

Abstract

«Вселенная четвертичной структуры белков» относится к совокупности всех белковых комплексов всех организмов в природе. Таким образом, количество четвертичных складок соответствует количеству способов физического взаимодействия белков с другими белками. Это исследование сосредоточено на ответе на два основных вопроса: ограничено ли количество белок-белковых взаимодействий и, если да, сколько различных четвертичных складок существует в природе.Путем полного сравнения последовательностей и структур мы сгруппировали белковые комплексы в банке данных белков (PDB) на 3629 семейств и 1761 кратность. Статистическая модель была введена для получения количественной связи между количеством четвертичных семейств и четвертичных складок в природе. Общее количество возможных белок-белковых взаимодействий оценивается примерно в 4000, что указывает на то, что текущее хранилище белков содержит только 42% четвертичных складок в природе, а полное покрытие требует примерно четверти века экспериментальных усилий.Результаты имеют важное значение для структурного моделирования белкового комплекса и структурной геномики белок-белковых взаимодействий.

Образец цитирования: Гарма Л., Мукерджи С., Митра П., Чжан И. (2012) Сколько типов белок-белковых взаимодействий существует в природе? PLoS ONE 7 (6): e38913. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0038913

Редактор: Владимир Н. Уверский, Медицинский колледж Университета Южной Флориды, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 16 февраля 2012 г .; Дата принятия: 14 мая 2012 г .; Опубликован: 13 июня 2012 г.

Авторские права: © 2012 Garma et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Проект частично поддержан премией NSF (Национальный научный фонд) за карьеру (DBI 1027394) и Национальным институтом общих медицинских наук (GM083107, GM084222). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Автор, ответственный за переписку, является младшим редактором PLoS ONE. Это не влияет на соблюдение авторами всех политик PLoS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Вселенная белков — это совокупность всех белков всех организмов в природе [1]. В 1992 году в базе данных белков (PDB) было всего 887 белковых структур, которые можно было разделить на 120 различных третичных складок. Chothia [2] заметил, что около 1/4 записей в банке данных последовательностей EMBL / SwissProt были гомологичны 120-кратным областям, а 1/3 последовательностей генома, представленных в банке данных последовательностей.Таким образом, он предположил, что количество третичных складок белков в белковой вселенной должно быть ограничено и составляет около 1500 (∼120 × 3 × 4). Удивительно, но эта простая оценка выдержала испытание временем и находится в центре последующего диапазона оценок (1000–2000) с использованием более сложных методов, основанных на гораздо более крупных наборах данных [3], [4], [5], [6] . В настоящее время PDB имеет более 70 k структур, которые считаются структурно завершенными [1], [7], [8], [9]. В выпуске 2009 года SCOP [10] разбил этот набор структур на 1195 кратных категорий, что согласуется с первоначальной оценкой Chothia.

В отличие от обширных исследований третичного структурного пространства белков, четвертичное структурное пространство белок-белковых взаимодействий относительно не изучено. Например, вопросы о том, ограничено ли количество уникальных структур белково-белкового комплекса и если да, сколько их, остались в основном без ответа. Поскольку большинство белков выполняют свои физиологические функции посредством взаимодействия с другими белковыми молекулами, ответы на эти вопросы имеют практическое применение в понимании специфичности взаимодействия белок-белок и сетей белок-белок [11].Между тем, основанные на шаблонах методы недавно продемонстрировали многообещающую силу в структурном моделировании белковых комплексов [12], [13], [14]; Полнота пространства четвертичной структуры имеет важное значение для исследований стыковки белок-белок и предсказания структуры [15], а также для предстоящей структурной геномики белок-белковых взаимодействий [16].

Исследование пространства четвертичных структур в основном затруднялось относительной нехваткой структур белково-белковых комплексов в библиотеке PDB, а также отсутствием однозначного определения структурных складок четвертичных белков и эффективных методов для сравнения и классификации структур белково-белковых комплексов. .Среди ограниченных попыток Aloy и Russell [17] использовали данные белок-белкового взаимодействия из высокопроизводительных геномных данных для оценки, исходя из предположения, что гомологичные белки (с идентичностью последовательностей> 25%) должны участвовать в аналогичных взаимодействиях, что количество уникальных белок-белковых взаимодействий составляет около 10 000. Хотя оценка может быть значимой для сложных гомологичных семейств, часто наблюдается, что белки разных последовательностей (не принадлежащих к одному и тому же гомологичному семейству) имеют сходную сложную структуру и интерфейсные взаимодействия.Таким образом, расчет Элоя-Рассела может переоценить пространство белок-белковых взаимодействий, если взаимодействия белок-белок подсчитываются на структурном уровне.

Здесь мы представляем системное исследование репрезентативного набора структур белково-белкового комплекса в PDB, со всеми структурными парами, сравниваемыми с помощью недавно разработанного алгоритма структурного выравнивания белкового комплекса, MM-align [18]. Сходство структуры комплекса оценивается по вновь определенной обратной TM-шкале, rTM-score, которая чувствительна как к сходству мономерной структуры отдельных субъединиц, так и к относительной ориентации цепей комплексов.Затем количество структурных семейств белок-белок (называемых в статье « четвертичная складка ») в природе затем оценивается на основе семейств последовательностей и структурных складок, присутствующих в настоящее время в PDB, при условии, что текущая PDB является случайным подмножеством структурной вселенной. . Поскольку димерное белок-белковое взаимодействие является основной единицей всех олигомеров более высокого порядка, наши расчеты сосредоточены на димерных структурах.

Методы

Подготовка набора данных структуры

Библиотека неизбыточных димерных структур была отобрана из DOCKGROUND [19] с парной идентичностью последовательностей ≤90% после начальной фильтрации для удаления нерегулярных структур и комплексов с альтернативными режимами связывания.Поскольку эта работа сосредоточена только на димерах белок-белок, мы разделили комплексы более высокого порядка на димеры, взяв все возможные димерные комбинации белковых цепей в комплексе.

Для подсчета физически (и биологически) значимых белок-белковых взаимодействий важно сосредоточиться только на добросовестных димерах в нашем наборе данных. С этой целью DOCKGROUND проверил свои комплексы из файлов PDB Biological Unit, чтобы гарантировать удаление артефактов кристаллизации.Во-вторых, мы удалили все комплексы с <30 интерфейсными остатками и / или <250 Å ² скрытой площадью поверхности. Эти процедуры приводят к общему набору 7616 неизбыточных димерных белковых структур для нашего рассмотрения (по состоянию на декабрь 2011 г.).

Мы также попытались применить вычислительные методы, включая IPAC [20], DiMoVo [21] и NOXclass [22], чтобы предсказать, являются ли кристаллические контакты достаточно энергетически стабильными для автономных взаимодействий. Хотя результаты прогнозов различаются для разных методов, мы обнаружили, что 2692 (~ 74%) из 3629 репрезентативных комплексов из каждого из четвертичных семейств (определенных позже) считались добросовестными диммерами всеми тремя методами.Остальные 937 структур, тем не менее, принадлежат к существующим более крупным семейным кластерам. Другими словами, исключение 937 предполагаемых структур изменило бы не количество четвертичных семей, а размер некоторых семей. Здесь, чтобы избежать теоретических неопределенностей в предсказаниях димеров, мы будем придерживаться наших расчетов в основном на 7616 неизбыточных комплексах, которые были отобраны с помощью первых двух экспериментальных фильтров.

Метод структурного выравнивания белкового комплекса

Попарное выравнивание структур белок-белкового комплекса конструируется методом MM-align [18].Для двух белковых комплексов (AB и A’B ’) он ищет оптимальные выравнивания как AB с A’B’, так и AB с B’A ’и выбирает выравнивание с наивысшим показателем rTM. На первом этапе MM-align соединяет C-конец первой белковой цепи с N-концом второй цепи и обрабатывает объединенный «искусственный мономер» как единицы выравнивания жесткого тела.

На втором этапе строится набор из пяти начальных выравниваний, включая (1) выравнивание элементов вторичной структуры (SS); (2) непрерывное разделение двух сложных последовательностей; (3) выравнивание, основанное на сумме оценки SS и матрицы оценки расстояния от второго начального выравнивания; (4) беззазорное продевание наиболее длинных непрерывных сегментов в комплексах; (5) сканирование наложений пар фрагментов из пяти остатков.

На третьем этапе матрица сходства расстояния между остатками S _ij = выводится на основе суперпозиции структуры TM-оценки начальных выравниваний, где d _ij — это расстояние i -го остатка. в первом комплексе и j -й остаток во втором. Затем реализуется модифицированное динамическое программирование Нидлмана-Вунша [23] для определения наилучших совмещений с использованием оценочной матрицы S _ij .На основе нового выравнивания выводится новая матрица оценок, на основе которой новое выравнивание снова генерируется с помощью динамического программирования. Эта процедура повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто сходящееся выравнивание. Наконец, возвращается совпадение с наивысшим показателем rTM.

Оценка подобия структуры комплекса

Сходство третичных структур белков часто оценивается с помощью TM-score [24], который можно просто расширить до сравнения сложных структур: (1) где L _c — общая длина всех цепей в мишени. комплекс, а L _ali — количество выровненных пар остатков в двух комплексах. d _i — расстояние между и -й парой атомов Cα после суперпозиции. представляет собой шкалу, зависящую от длины, чтобы нормализовать расстояние, чтобы оценка TM случайных сложных структур не зависела от размера белка. max […] указывает оптимальную суперпозицию для максимизации значения TM-score.

Для комплексов TM-оценка в уравнении. 1 может быть разложен на две аддитивные части из двух цепочек: (2) где L _r и L _l — длины рецептора и лиганда, соответственно; TM-score _r и TM-score _l — их оценки TM, рассчитанные на основе той же матрицы вращения сложной суперпозиции.Таким образом, одним из недостатков TM-score, когда он используется для сравнения сложных структур, является то, что он становится более чувствительным к третичной структуре мономеров из-за линейной зависимости TM-показателей мономера. Например, для пары гомодимеров, если структура одной цепи идентична, TM-оценка составляет не менее 0,5, даже если ориентация другой цепи полностью отличается (см., Например, рисунок S2a). Для гетеродимерных комплексов, если одна цепь намного больше другой, в TM-балле может преобладать структурное сходство больших цепей независимо от структуры и ориентации меньших цепей, поскольку весовой коэффициент для малой цепи () равен слишком мала в формуле.2 (см., Например, рисунок S2b). Чтобы преодолеть этот недостаток, мы определяем новую оценку, называемую реципрокной TM-оценкой, или rTM-оценкой, по формуле (3). Это определение rTM-оценки делает оценку более чувствительной к общему структурному подобию комплекса, то есть относительной ориентации. составляющих цепочек, а не индивидуальных мономерных структур. Например, если структура или ориентация одной цепи сильно различаются (например, TM-оценка _-1 ∼0), rTM-оценка сложной структуры будет близка к 0, даже если структура другой цепи идентична (TM -счет _r ∼1).Другими словами, два комплекса имеют высокий показатель rTM только тогда, когда как третичная структура мономера, так и относительная ориентация подобны.

Количественно для третичных белковых структур было показано [25], что апостериорная вероятность ТМ-балла случайных пар белковых структур имеет быстрый фазовый переход при TM-score = 0,5, а структуры TM-score> 0,5 приблизительно соответствуют в те же белковые складки, как определено в базах данных SCOP [10] и CATH [26]. Точно так же мы определяем rTM-score> 0.5 как комплексы одинаковых взаимодействий. Математически это соответствует двум комплексам, которые имеют две цепи с одинаковой относительной ориентацией и схожими складками (то есть TM-оценка _{r, l} > 0,5) согласно уравнению. 3.

В тексте S1 мы дали более количественное обсуждение взаимосвязи и различия между TM-оценкой и rTM-оценкой для структур белковых комплексов (см. Рисунок S1).

Кластеризация сложной структуры

MM-align использовали для сравнения каждого белкового комплекса в неизбыточной комплексной библиотеке со всеми другими сложными структурами.Он дал оценку rTM как меру структурного сходства сложных пар. Затем SPICKER [27] был использован для определения складок независимых структур на основе матрицы оценок rTM. Сначала идентифицируется центр кластера сложных структур, который имеет максимальное количество структурных соседей, где сосед определяется, если два комплекса имеют rTM-оценку> 0,5. Первый кластер (представленный центром кластера) и все соседи были удалены из библиотеки. Затем был идентифицирован второй центр кластера, который имеет максимальное количество соседей в оставшихся сложных структурах.Структуры второго кластера были снова удалены для идентификации третьего кластера. Процесс повторялся до тех пор, пока не остались одни «сиротские» комплексы. Полный набор кластеров состоит из всех кластеров, состоящих из нескольких членов, и сиротских комплексов.

Статистическая модель для оценки Вселенной сложных складок

Белковые комплексы, решенные в библиотеке PDB, представляют собой лишь небольшую часть сложной вселенной в природе. Предположим, количество сложных складок в природе и в PDB составляет N и n соответственно.На уровне последовательности белковые комплексы можно разделить на гомологичные семейства, и мы предполагаем, что количество сложных семейств в природе и в PDB составляет M и m соответственно. По-видимому, складка может содержать несколько семейств, поскольку хорошо известно, что разные последовательно гомологичные семейства могут иметь похожие структурные складки.

Если мы предположим, что структуры PDB являются случайным подмножеством природы, предположение, принятое многими моделями третичной кратной оценки [2], [3], [5], [6], вероятность того, что семейство будет включено в PDB λ = м / М .Таким образом, вероятность того, что складка, имеющая в природе Q семейств, будет включена в PDB как складка с q семейств, равна (4) Следовательно, ожидаемое количество четвертичных складок, содержащих q четвертичных семейств в PDB можно рассчитать с помощью уравнения (5) где N _Q — общее количество четвертичных складок, содержащих Q четвертичных семейств в природе.

Следуя идее моментного метода оценки [5], [28], мы группируем четвертичные складки в природе по их размеру, то есть количеству содержащихся в них четвертичных семейств.Предположим, что группа G _I содержит X _I четвертичные складки с размерами K _I до L _I ( L _I > K _I ) с каждая четвертичная складка возникает с равной вероятностью, I = 1,2,… I _max . Наблюдаемые четвертичные складки в PDB сгруппированы аналогичным образом, т. Е. Группа g _i будет включать четвертичные складки x _i , которые включают k _i до l _i четвертичных семейств .Таким образом, ожидаемое количество наблюдаемых четвертичных складок в PDB в группе g _i можно записать как (6) Если ожидаемое значение e _i заменить на наблюдаемые числа в библиотеке PDB, мы получить линейное уравнение для каждой из групп g _i , которое позволяет нам вычислить X _I , количество четвертичных складок каждой группы в природе. Общее количество четвертичных складок в природе тогда составляет

.

(7) Чтобы определить значения K _I и L _I , которые необходимы для решения уравнения.6 используется метод принципа максимальной вероятности. Поскольку четвертичные складки, состоящие из более чем 5 семейств, представляют собой редкую долю (<5%) в библиотеке, мы делим ансамбль четвертичных складок в PDB на 9 групп с x _i > x _i + 1. Группы в природе были выведены в соответствии с принципом максимальной вероятности, то есть наблюдаемая четвертичная складка с q четвертичных семейств в PDB должна происходить из четвертичной складки с T _q семейств в природе, так что вероятность P ( Т _q , q ) максимальная.Таким образом, интервалы для значений K _I и L _I групп с 5 по 9 в природе могут быть установлены с использованием следующих правил:

(8) где k _I и l _I — границы соответствующих групп в базе данных PDB. Здесь отметим, что индексы групп в PDB и в природе одинаковы. Для групп с 1 по 4 мы имеем (9) Затем мы исследовали все комбинации K _I и L _I в соответствии с уравнениями.8–9 для каждой группы в природе и выбрали те, которые удовлетворяли условию (10) для всех значений I. Из них был выбран набор, который обеспечивает наивысшее значение для XI.

После того, как количество четвертичных складок X _I в каждой группе вычислено, общее количество оцененных четвертичных складок в природе можно легко вычислить по формуле. 7. Исходя из этих значений, прогнозируемое общее количество четвертичных семей составляет (11)

.

Результаты

Число наблюдаемых четвертичных семей в PDB

Pfam — это стандартная база данных для семейств белковых доменов, где каждое семейство представлено множественным выравниванием последовательностей (MSA) при поиске с помощью скрытой марковской модели (HMM) [29].Чтобы идентифицировать эволюционные семейства в комплексах белок-белок, мы следовали аналогичной идее iPfam [30], т.е. два комплекса классифицируются в одно и то же четвертичное семейство, если обе субъединицы комплексов принадлежат к одному и тому же семейству Pfam. Например, комплексы A-B и A’-B ’относятся к одному и тому же четвертичному семейству, если цепи A’ и A принадлежат одному семейству Pfam, а цепи B ’и B также принадлежат к одному семейству. Для субъединиц, которые имеют несколько доменов, семейство наибольшего взаимодействующего домена представляет собой семейство всей цепи.

Следуя этой процедуре, 7523 из 7616 комплексов могут быть отнесены к семейству Pfam с E-значением <0,001, что приводит к 3536 отдельным четвертичным семействам Pfam. Остальные 93 комплекса не дали ни одного совпадения Pfam ни для одной из субъединиц. Эти комплексы обладали идентичностью последовательностей <20% друг с другом и со всеми другими комплексами в библиотеке и, следовательно, считались сиротскими семьями. Таким образом, 3629 гомологичных семейств получают в общей сложности из 7616 белок-белковых комплексов на основе эволюционных сравнений и сравнений последовательностей.

Число наблюдаемых четвертичных складок в PDB

Структурные типы белок-белковых взаимодействий определяются с помощью rTM-score, функции оценки, предназначенной для одновременной оценки сходства между отдельными субъединицами, а также их относительной ориентации двух комплексов (см. Уравнение 3). Для пары комплексов rTM-оценка была рассчитана с помощью расширенной версии MM-align [18], которая представляет собой сложный алгоритм структурного выравнивания, разработанный для определения наилучшего структурного совпадения с наивысшим rTM-показателем (см. МЕТОДЫ).

Используя пороговое значение rTM-score 0.5, 3 629 четвертичных семейств могут быть сгруппированы SPICKER [27] в 1761 структурный кластер, причем самый большой кластер содержит 47 комплексов (Рисунок 1). Примечательно, что 60,6% кластеров представляют собой отдельные сложные кластеры или «сироты», то есть в библиотеке PDB не существует других структур с показателем rTM> 0,5 для любого из этих белков. Напротив, если рассматривать третичную складку структуры, почти все однодоменные белки в PDB могут иметь др. Негомологичные аналоги, которые имеют сходную складку [8], [31].Эти данные показывают, что текущая библиотека структур далека от завершения в пространстве четвертичной складки.

Рис. 1. Графическое представление всех неизбыточных структур белково-белкового комплекса в PDB.

Каждый узел представляет известную сложную структуру, и два узла соединены ребром, если rTM-оценка между двумя структурами> 0,5. Сиротские узлы показаны черным, а узлы, соединенные по крайней мере одним ребром, показаны желтым. Репрезентативные примеры из восьми крупнейших кластеров перечислены вместе с названием белка.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0038913.g001

Белки схожей структуры обычно выполняют схожую функцию. Неудивительно, что белки в каждом из наших кластеров демонстрируют значительную сходимость функций, хотя идентичность последовательностей белковых комплексов в одном кластере может составлять всего 9,9%. Например, самый большой кластер состоит из 47 членов со средней и самой низкой парной идентичностью последовательностей 41,6% и 17,7% соответственно.Несмотря на низкую идентичность последовательностей, все 47 структур являются частью суперсемейства РНК-полимераз разных видов. Второй по величине кластер содержит 34 комплекса со средней и самой низкой идентичностью последовательностей 34,8% и 21,3% соответственно; все 34 представляют собой комплексы фермент-ингибитор, где фермент представляет собой трипсин, тромбин или их производные (химотрипсин, тромбиноген и т. д.). Эти комплексы содержат также тот же термин GO для «тканевого фактора». Третий по величине кластер состоит из 32 спиральных комплексов белков «в основном альфа» класса.Графическое представление всех сложных структур в нашем наборе данных показано на рисунке 1 с использованием Cytoscape [32]. Здесь каждая сложная структура в нашем наборе данных представлена ​​узлом, который соединен ребром, если rTM-оценка между двумя узлами> 0,5.

Другая интересная тенденция, которая наблюдалась, заключается в том, что распределение размера кластера следует степенной зависимости, как показано на рисунке 2. Наилучшее соответствие данным дает

.

(12), где h ( S ) — гистограмма структурных кластеров, которые имеют S элементов комплекса.

Подобное степенное распределение широко наблюдалось в кластеризации третичных структур белковых доменов [33], [34], [35], что было успешно объяснено с помощью модели каскадной дупликации генов [34], [35] . Поскольку белковые комплексы состоят из мономерных белковых доменов, а образование белковых комплексов тесно связано с эволюцией отдельных белковых молекул, данные, показанные на рис. 2 и уравнение. 12 может указывать на аналогичный эволюционный механизм, участвующий в поколениях белок-белковых взаимодействий.

Оценка четвертичных складок в природе

Мы используем статистическую модель (как описано в разделе МЕТОДЫ) для оценки количества четвертичных складок, которая предполагает, что текущая библиотека PDB является случайным подмножеством сложной вселенной. Во-первых, чтобы рассчитать вероятность включения четвертичного семейства в PDB, нам нужна оценка количества сложных гомологичных семейств в природе ( M ). Используя базу данных SwissProt с отсечкой идентичности последовательностей 30%, Orengo et al .по оценкам, количество третичных семейств белков составляет 23 100 [36]. Эта оценка примерно соответствует статистике Pfam, поскольку количество семейств Pfam составляет 12 273 в текущих базах данных [29]; количество семейств Pfam продолжает расти, и было подсчитано, что для покрытия большинства последовательностей UniProt необходимо 38 тыс. семейств Pfam [37].

Принимая во внимание, что большинство димерных комплексов состоит из мономеров, принадлежащих к одним и тем же третичным семействам, можно разумно предположить, что количество четвертичных семейств аналогично количеству третичных семейств.Фактически, среди 3629 димерных семейств PDB 2106 (58%) являются гомодимерами; количество четвертичных семейств в этих белках идентично количеству третичных семейств. Для гетеродимеров, если бы все цепочки компонентов были негомологичны друг другу, количество четвертичных семейств должно было быть вдвое меньше, чем количество вовлеченных третичных структурных семейств. Фактически, из 1523 семейств гетеродимеров в PDB около 11% состоят из гомологичных мономеров с идентичностью последовательностей> 70% и около 50% имеют мономеры с идентичностью последовательностей> 30%.Таким образом, количество четвертичных семейств в гетеродимерах должно быть значительно выше, чем половина третичных семейств, которые они содержат. Есть также некоторые белки, которые могут не участвовать в каких-либо взаимодействиях, но количеством этих белков следует пренебречь, поскольку большинство белков выполняют функции посредством взаимодействий с другими белками [38], [39]. Следовательно, общее количество третичных семейств должно быть разумным приближением к количеству четвертичных семейств.

В таблице 1 мы рассчитали количество четвертичных складок ( N ), используя уравнения.7–10 для диапазона M значений от 4 000 до 25 000. Как видно на рисунке 3, значения N и M показывают четкую логарифмическую зависимость:

Рис. 3. Расчетное количество четвертичных складок в сравнении с количеством четвертичных семейств в природе.

Сплошная кривая — аппроксимация уравнения. 13, а пунктирная линия указывает количество четвертичных семейств согласно Orengo и др. . предварительный расчет.

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0038913.g003

(13) Если мы возьмем количество семейств мономеров по Оренго и др. . и предположим, что количество семейств четвертичных последовательностей такое же, как и у мономеров, вероятность включения четвертичного семейства в PDB составляет λ = 0,16 (= 3,629 / 23,100), а количество четвертичных складок в природе должно быть 4,149. Если принять максимальное число Pfam как количество четвертичных семейств (38000), количество ожидаемых четвертичных складок составит 4782.

Поскольку количество четвертичных семейств также может быть получено независимо для любого данного N , в качестве проверки самосогласованности наших расчетов мы оценили количество четвертичных семейств ( M ‘), предполагая, что диапазон N , предсказанные на предыдущем шаге, являются фактическими значениями, существующими в природе.В столбце 3 таблицы 1 мы перечисляем оценочные значения M ’, рассчитанные по формуле. 13, что хорошо согласуется с произвольными значениями M, с коэффициентом корреляции Пирсона = 0,999.

Для перекрестной проверки наших результатов, а также для проверки согласованности нашего определения четвертичного семейства, вместо использования определения семейства Pfam, вычисления были повторены путем определения четвертичных семейств на основе попарных сравнений последовательностей, т. Е. Два комплекса находятся в одно и то же семейство, если обе цепи имеют идентичность последовательностей> 30%.Отсечка 30% идентичности последовательностей широко используется в качестве отсечки гомологичного семейства для мономерных белков [40], [41], поскольку степень эволюционной сохранности имеет четкую трансляцию около 30% [42]. Используя это определение, 7616 неизбыточных белковых комплексов в PDB можно было классифицировать на 3793 семейства последовательностей, которые затем были сгруппированы с помощью MM-выравнивания в 1520 четвертичных структурных складок. Аналогичное количество четвертичных складок (4 302) было получено, если предположить, что количество четвертичных семейств аналогично количеству третичных в природе.

Когда можно будет завершить библиотеку структуры белково-белкового комплекса?

Приведенный выше анализ показал, что текущая библиотека PDB составляет <50% от общего числа складок в природе. В то время как количество третичных складок в PDB приближается к своей полноте [1], [7], [8], [9], интригующий вопрос заключается в том, когда может быть решено большинство отдельных белок-белковых комплексов. На рисунке 4 мы картировали количество структур белковых комплексов, четвертичных семейств и четвертичных складок, которые были депонированы в PDB за последние 20 лет.Число решаемых сложных структур неуклонно растет, особенно в последние 10 лет с момента запуска проектов структурной геномики [43], [44]. Однако увеличение новых четвертичных складок было гораздо менее выраженным. Пик новых структурных складок наблюдался в 2009 году, который был последним годом Фазы II PSI для высокопроизводительного определения структуры, в то время как Фаза III проекта (PSI: Биология) переключает внимание на применение в биологических и биомедицинских целях. проблемы [43].Можно ожидать, что доля новых четвертичных складок будет продолжать уменьшаться по мере того, как будет решено больше структур белковых комплексов. Если бы мы предположили, что в последующие годы кривая роста будет зеркальным отражением кривой последних 20 лет (при этом технологические достижения будут компенсированы закрытием большей части складчатого пространства), это займет примерно 25 лет. теперь, чтобы достичь примерно 4000 уникальных четвертичных складок или полного набора возможных четвертичных складок в природе.

Рисунок 4.Количество новых записей сложной структуры, депонируемых в год в PDB.

Данные представлены в виде уникальных структур (идентичность последовательностей <90%), семейств (картированных с помощью уникальных семейств Pfam) и складок (rTM-оценка <0,5).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0038913.g004

Обсуждение

Вселенная четвертичной структуры белков диктует возможные способы взаимодействия белков друг с другом. Несмотря на обширный анализ вселенной третичных складок белков, относительно которого существует общий консенсус, очень мало таких исследований было проведено на комплексах белок-белок.Используя неизбыточный набор белковых димерных структур в PDB и инструмент комплексного структурного выравнивания MM-align, это исследование предложило количественную оценку четвертичных складок, возможно существующих в природе.

Во-первых, была введена новая оценочная функция, rTM-score, для измерения «сходства» между сложными структурами, которая учитывает как ориентацию цепи, так и структурное сходство мономера в одном чувствительном параметре. Все неизбыточные комплексные структуры в PDB, отобранные при пороговом значении идентичности последовательностей 90%, были классифицированы в «четвертичные семейства» путем сопоставления обеих последовательностей каждого димера в базе данных Pfam.Таким образом, 3629 уникальных четвертичных семейств были сгруппированы по шкале rTM в 1761 четвертичную складку, причем самый большой кластер состоял из 47 сложных структур. Было обнаружено, что около 60% структур являются структурными сиротами, что указывает на то, что библиотека структур белковых комплексов в значительной степени неполна. Наблюдалась степенная зависимость между размером кластера и количеством кластеров, что может указывать на каскадный механизм в эволюции белок-белковых комплексов [34], [35].

На основе принципа максимальной вероятности было оценено количество возможных складок четвертичной структуры в природе.Количество складок в нашей оценке меняется при изменении количества четвертичных семейств, которое следует строгой логарифмической зависимости. Если предположить, что количество четвертичных семейств в природе аналогично количеству семейств мономерных белков, было подсчитано, что количество ожидаемых четвертичных складок в природе составляет приблизительно 4 000–5 000. Это число примерно в два раза ниже, чем предыдущая оценка [17], которая определяла свертки белков на основе отсечения идентичности последовательностей. На основании определения rTM-score> 0.5, скорость определения четвертичной кратности низкая, то есть 130 в год за последние 6 лет. Это означает, что нам понадобится около четверти века, прежде чем полный набор четвертичных белковых структур может быть экспериментально решен при текущей скорости кратного решения.

В нашей модели есть несколько неопределенностей, которые могут быть улучшены в будущих исследованиях. Во-первых, четвертичные структурные складки определяются rTM-оценкой> 0,5, которая учитывает только глобальную топологию и соответствует комплексам с одинаковой ориентацией цепи и аналогичной мономерной складкой (TM-оценка> 0.5). Статистическое исследование, подобное TM-score [25], необходимо для установления более количественной связи отсечений rTM-score и других измерений, включая контактные контакты [45]. Во-вторых, текущая оценка была построена на предположении, что структуры в PDB представляют собой случайное подмножество комплексов по своей природе. Это предположение не может строго соответствовать действительности, потому что наблюдаемые сложные структуры PDB часто смещены из-за трудностей в экспериментальном определении и исследовательского интереса сообщества структурной биологии.В-третьих, наш анализ был сосредоточен в основном на физически устойчивых комплексах. Это буквально означает, что, хотя необязательные переходные белок-белковые взаимодействия играют важную роль в передаче сигналов, электронных каскадах и других важных физиологических процессах [46], они не рассматривались для этого исследования, если они не были достаточно стабильными для совместной кристаллизации и присутствует в PDB. Более того, хотя мы применили несколько фильтров для исключения артефактов кристаллизации, по-прежнему существует значительная часть комплексов, которые могут не быть истинными димерами, согласно расчетам программного обеспечения [20], [21], [22].Наш дальнейший анализ показывает, что существование этих комплексов существенно не меняет оценку количества четвертичных складок в нашей модели, а не размер некоторых семейств. В-четвертых, количество гомологичных семейств в природе в значительной степени неизвестно, и наше приближение, использующее количество мономерных семейств в качестве четвертичных, может немного завышать количество последних, поскольку есть мономерные белки, которые не участвуют в белковых комплексах, а также существуют негомологичные гетеродимеры; они могут привести к дальнейшим неопределенностям в фактическом количестве четвертичных складок в природе.

В целом, несмотря на возможные неопределенности, основанные на простоте и надежности расчетов модели и всестороннем анализе структурных баз данных и последовательностей, наши данные дают первую количественную оценку количества типов межбелковых взаимодействий в природе на структурной основе. глобальной топологии. Учитывая тот факт, что возможное фазовое пространство белковых комплексов практически бесконечно, поразительно, что существует только несколько тысяч возможных четвертичных складок, что демонстрирует высокую специфичность белок-белковых взаимодействий.Например, миллионы антител взаимодействуют с аналогичным количеством антигенов через аналогичные местоположения CDR, при этом структурные комплексы имеют только несколько уникальных конформаций [47]. Эта конвергенция четвертичного складчатого пространства согласуется с открытием Gao и Skolnick, которые недавно показали, что интерфейсы белков сходятся к 1000 различных типов [48]. Предел четвертичного складчатого пространства должен быть в основном обусловлен эволюционным давлением и функциональными требованиями белок-белковых взаимодействий, а также физической стабильностью этих сложных структур.Представленные результаты должны иметь важное значение как для моделирования структуры белок-белок, так и для будущей геномики структуры белок-белковых комплексов [16]. В частности, поскольку четвертичные складки белков ограничены, многие белок-белковые взаимодействия должны иметь одинаковые каркасы, что обеспечивает важные возможности для решения проблемы моделирования структуры белковых комплексов с помощью комбинации моделирования структур на основе шаблонов [12], [13], [ 14] и эффективных экспериментальных структурных решений.Поскольку для полного покрытия четвертичного складчатого пространства все еще требуется длительный период времени (~ 25 лет), высокоселективное определение уникальных структур белковых комплексов необходимо для ускорения процесса.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: YZ. Провел эксперименты: LG SM PM. Проанализированы данные: LG SM PM. Написал бумагу: LG SM PM YZ.

Ссылки

1. 1. Левитт М. (2009) Природа белковой вселенной.Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 106: 11079–11084.
2. 2. Chothia C (1992) Белки. Тысяча семей для молекулярного биолога. Nature 357: 543–544.
3. 3. Zhang C, DeLisi C (1998) Оценка количества белковых складок. J Mol Biol 284: 1301–1305.
4. 4. Говиндараджан С., Рекабаррен Р., Гольдштейн Р.А. (1999) Оценка общего количества белковых складок. Белки 35: 408–414.
5. 5. Лю X, Fan K, Wang W (2004) Количество белковых складок и их распределение по семьям в природе. Белки 54: 491–499.
6. 6. Вольф Ю.И., Гришин Н.В., Кунин Е.В. (2000) Оценка количества белковых складок и семейств на основе полных данных генома. J Mol Biol 299: 897–905.
7. 7. Kihara D, Skolnick J (2003) PDB — это покрывающий набор небольших белковых структур. J Mol Biol 334: 793–802.
8. 8. Zhang Y, Skolnick J (2005) Проблема предсказания структуры белка может быть решена с использованием текущей библиотеки PDB.Proc Natl Acad Sci USA 102: 1029–1034.
9. 9. Zhang Y, Hubner I, Arakaki A, Shakhnovich E, Skolnick J (2006) О происхождении и полноте очень вероятных однодоменных белковых структур Proc Natl Acad Sci USA 103: 2605–2610.
10. 10. Мурзин А.Г., Бреннер С.Е., Хаббард Т., Чотиа С. (1995) SCOP: структурная классификация базы данных белков для исследования последовательностей и структур. J Mol Biol 247: 536–540.
11. 11. Спирин В., Мирный Л.А. (2003) Белковые комплексы и функциональные модули в молекулярных сетях.Proc Natl Acad Sci U S A 100: 12123–12128.
12. 12. Mukherjee S, Zhang Y (2011) Прогнозирование структуры белково-белкового комплекса с помощью многомерной нити и матричной рекомбинации. Структура 19: 955–966.
13. 13. Лу Л., Лу Х., Сколник Дж. (2002) МУЛЬТИПРОСПЕКТОР: алгоритм для прогнозирования белок-белковых взаимодействий с помощью мультимерных потоков. Белки 49: 350–364.
14. 14. Aloy P, Bottcher B, Ceulemans H, Leutwein C, Mellwig C и др.(2004) Сборка белковых комплексов на основе структуры в дрожжах. Science 303: 2026–2029.
15. 15. Lensink MF, Wodak SJ (2010) Стыковка и оценка белковых взаимодействий: CAPRI 2009. Белки 78: 3073–3084.
16. 16. Ваксер И.А. (2008) PSI должна жить и стать PCI: Protein Complex Initiative. Структура 16: 1–3.
17. 17. Aloy P, Russell RB (2004) Десять тысяч взаимодействий для молекулярного биолога. Nat Biotechnol 22: 1317–1321.
18. 18.Mukherjee S, Zhang Y (2009) MM-align: быстрый алгоритм выравнивания многоцепочечных сложных структур белка с использованием итеративного динамического программирования. Нуклеиновые кислоты Res: 1–12, DOI: 10.1093 / nar / gkp1318.
19. 19. Дуге Д., Чен Х.С., Товчигречко А., Ваксер И.А. (2006) Ресурс DOCKGROUND для изучения межбелковых интерфейсов. Биоинформатика 22: 2612–2618.
20. 20. Mitra P, Pal D (2011) Объединение байесовской классификации и точечной групповой симметрии в рамках логической схемы для расширенного вывода четвертичной структуры белка.Структура 19: 304–312.
21. 21. Бернауэр Дж., Бахадур Р.П., Родье Ф., Джанин Дж., Поупон А. (2008) DiMoVo: основанный на тесселяции метод Вороного для различения кристаллографических и биологических белок-белковых взаимодействий. Биоинформатика 24: 652–658.
22. 22. Чжу Х., Домингес Ф.С., Соммер И., Ленгауэр Т. (2006) Класс NOX: предсказание типов взаимодействия белок-белок. BMC Bioinformatics 7: 27.
23. 23. Needleman SB, Wunsch CD (1970) Общий метод, применимый к поиску сходства в аминокислотной последовательности двух белков.J Mol Biol 48: 443–453.
24. 24. Zhang Y, Skolnick J (2004) Функция подсчета очков для автоматической оценки качества матрицы структуры белка. Белки 57: 702–710.
25. 25. Xu J, Zhang Y (2010) Насколько значительным является сходство структуры белка с TM-оценкой = 0,5? Биоинформатика 26: 889–895.
26. 26. Orengo CA, Michie AD, Jones S, Jones DT, Swindells MB, et al. (1997) CATH — иерархическая классификация структур белковых доменов.Структура 5: 1093–1108.
27. 27. Zhang Y, Skolnick J (2004) SPICKER: кластерный подход для выявления почти нативных белковых складок. J Comput Chem 25: 865–871.
28. 28. Крамер Х. (1946) Математические методы статистики. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.
29. 29. Финн Р.Д., Мистри Дж., Тейт Дж., Коггилл П., Хегер А. и др. (2010) База данных семейств белков Pfam. Nucleic Acids Res 38: D211–222.
30. 30. Finn RD, Marshall M, Bateman A (2005) iPfam: визуализация белок-белковых взаимодействий в PDB при разрешении домена и аминокислот.Биоинформатика 21: 410–412.
31. 31. Zhang Y (2008) Прогресс и проблемы в предсказании структуры белка. Curr Opin Struct Biol 18: 342–348.
32. 32. Cline MS, Smoot M, Cerami E, Kuchinsky A, Landys N и др. (2007) Интеграция биологических сетей и данных экспрессии генов с помощью Cytoscape. Nat Protoc 2: 2366–2382.
33. 33. Zhang Y, Skolnick J (2005) TM-align: алгоритм выравнивания структуры белка, основанный на TM-score. Nucleic Acids Res 33: 2302–2309.
34. 34. Дохолян Н.В., Шахнович Б., Шахнович Е.И. (2002) Расширяющаяся белковая вселенная и ее происхождение от биологического Большого взрыва. Proc Natl Acad Sci U S A 99: 14132–14136.
35. 35. Цянь Дж., Ласкомб Н.М., Герштейн М. (2001) Семейство белков и наличие складок в геномах: степенное поведение и эволюционная модель. J Mol Biol 313: 673–681.
36. 36. Orengo CA, Jones DT, Thornton JM (1994) Суперсемейства белков и суперкладушки доменов. Природа 372: 631–634.
37. 37. Саммут С.Дж., Финн Р.Д., Бейтман А. (2008) Pfam 10 лет спустя: 10 000 семей, которые продолжают расти. Краткий Биоинформ 9: 210–219.
38. 38. фон Меринг С., Краузе Р., Снель Б., Корнелл М., Оливер С.Г. и др. (2002) Сравнительная оценка крупномасштабных наборов данных белок-белковых взаимодействий. Природа 417: 399–403.
39. 39. Aloy P, Pichaud M, Russell RB (2005) Белковые комплексы: проблемы предсказания структуры в 21 веке. Curr Opin Struct Biol 15: 15–22.
40. 40. Рост B (2002) Функция фермента менее консервативна, чем предполагалось. J Mol Biol 318: 595–608.
41. 41. Тиан В., Сколник Дж. (2003) Насколько хорошо сохраняется функция фермента в зависимости от парной идентичности последовательностей? J Mol Biol 333: 863–882.
42. 42. Рост Б (1999) Сумеречная зона выравнивания последовательностей белков. Protein Eng 12: 85–94.
43. 43. Берли С.К., Иоахимиак А., Монтелионе Г.Т., Уилсон И.А. (2008) Вклад производственных центров PSI в инициативу NIH-NIGMS по структуре белка.Структура 16: 5–11.
44. 44. Чандония Дж. М., Бреннер С. Е. (2006) Влияние структурной геномики: ожидания и результаты. Наука 311: 347–351.
45. 45. Lensink MF, Wodak SJ (2010) Слепые предсказания интерфейсов белков путем стыковочных вычислений в CAPRI. Белки 78: 3085–3095.
46. 46. Szilagyi A, Grimm V, Arakaki AK, Skolnick J (2005) Прогнозирование физических белок-белковых взаимодействий. Phys Biol 2: S1 – S16.
47. 47.Аль-Лазикани Б., Леск А.М., Чотиа С. (1997) Стандартные конформации для канонических структур иммуноглобулинов. J Mol Biol 273: 927–948.
48. 48. Gao M, Skolnick J (2010) Структурное пространство межбелковых интерфейсов вырождено, близко к завершению и сильно связано. Proc Natl Acad Sci U S A 107: 22517–22522.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

искусственно созданных нуклеиновых кислот и пептидов / белков в химической биологии

---

Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — были выбраны матерью-природой в качестве ключевых участников для организации сохранения, передачи и выражения генетической информации во всех биологических системах на Земле. Земля.РНК также была задействована для выполнения других важных клеточных функций, таких как катализ и молекулярное распознавание. В руках ученых функция нуклеиновых кислот была значительно расширена за пределы того, что известно в природе, и в результате теперь мы имеем большой набор синтетических катализаторов на основе нуклеиновых кислот (рибозимы и ДНКзимы). и рецепторы (аптамеры ДНК и РНК). ДНК как генетический материал также подвергалась различным химическим модификациям в попытках получить значительно измененные или даже полностью новые генетические системы.Эти системы можно использовать для создания новых пептидов и белков, которые обладают повышенной активностью или даже совершенно новыми свойствами по сравнению с их естественными белковыми аналогами. Кроме того, многие искусственно созданные нуклеиновые кислоты и белки нашли полезное применение в качестве биосенсоров, диагностических агентов и терапевтических препаратов. Этот специальный выпуск создан для того, чтобы отразить недавний прогресс в важной области исследований искусственно созданных нуклеиновых кислот и белков.

Этот выпуск состоит из 10 обзоров и 7 исследовательских статей, которые можно сгруппировать в три раздела.Первый раздел посвящен в основном исследованиям ксено-нуклеиновых кислот (XNA) — аналогов ненатуральных нуклеиновых кислот со значительно измененным сахарным и / или фосфатным остовом. Д.-А. Catana et al. предоставить обзор использования динуклеотидов диоксафосфорин-ограниченных нуклеиновых кислот (CNA) для настройки структур нуклеиновых кислот. Затем следует обзор Э. Рознерса о последних достижениях в области химических модификаций пептидных нуклеиновых кислот (ПНК). G. Upert et al. затем представить исследовательскую статью о создании циклических и шпилечных ПНК в качестве ингибиторов репликации ВИЧ.Z. Wang et al. также представить исследовательскую статью, в которой пробы ПНК использовались для визуализации экспрессии мРНК в живых клетках. В своей исследовательской статье T. Yamamoto et al. изучить эффект подавления генов мостиковых / заблокированных нуклеиновых кислот (BNA / LNA). Завершает этот раздел исследовательская статья S. Saxena et al. в котором изучалось влияние молекулярного краудинга на структуру и функцию RecG (геликазы).

Второй раздел включает четыре обзора и три исследовательские статьи, в которых обсуждается создание новых пептидов, белков, транспортных РНК и имитаторов пептидов с использованием различных методов отбора или скрининга.К. Фукунага и М. Таки делают обзор техники фагового дисплея, уделяя особое внимание советам по проведению успешных экспериментов по фаговому дисплею. В рамках той же темы Т. Мацубара рассматривает использование фагового дисплея для создания пептидов, миметиков углеводов. За ними следует исследовательская статья T. Sumida et al. использование техники отображения мРНК для отбора Fab-фрагментов против p53. Есть две статьи, посвященные методике in vitro компартментализации (IVC), которая предлагает отличный способ связать генотип с фенотипом в физически ограниченной среде: первая — обзорная статья Т.Nishikawa et al. об эволюции белков с использованием IVC, а вторая — исследовательская статья A. Ogawa et al. где IVC использовался для выбора функциональных РНК переноса. Т. Каваками и Х. Мураками обсуждают в своей обзорной статье потенциальные применения системы трансляции с перепрограммированным генетическим кодом для подготовки библиотеки миметиков пептидов. Наконец, Дж. К. Покорски и Д. Х. Аппелла представляют подход скрининга на гранулах для создания имитации пептидов.

Последний раздел выпуска состоит из четырех обзорных статей по выбору и применению функциональных нуклеиновых кислот.M. McKeague и M.C. DeRosa изучают ДНК и РНК-аптамеры, полученные с помощью SELEX (систематическая эволюция лигандов посредством экспоненциального обогащения) для связывания малых молекул, наряду с компиляцией почти 40 усовершенствованных методологий SELEX. K. Tram et al. рассмотреть применение флуоресцентно одетых ДНКзимов, расщепляющих РНК, для биочувствительности. Y. M. Chang et al. обсудить метод Cell-SELEX для открытия биомаркеров. Кроме того, Y. Kasahara и M. Kuwahara предоставляют обзор экспериментов SELEX по изучению химически модифицированных библиотек нуклеиновых кислот.

Конечная цель в этой области исследований — генерировать научные знания и производить новые технологии, которые позволят конструировать новые или улучшенные молекулярные системы для контроля биологической активности по желанию. Попутно исследователи могут помочь пролить свет на одну из самых больших загадок, связанных с происхождением и эволюцией жизни на Земле — вопрос о том, почему мать-природа выбрала 4 нуклеотида для создания нуклеиновых кислот и 20 аминокислот для создания белков. Мы надеемся, что этот специальный выпуск может стимулировать дальнейшие исследования в этой области.

Благодарности

Мы хотим выразить искреннюю благодарность всем авторам и рецензентам за их ценный вклад, благодаря которому этот специальный выпуск стал успешным.

Масаясу Кувахара
Инфу Ли
Эрикс Рознерс
Хироши Мураками

Авторские права

Авторские права © 2013 Masayasu Kuwahara et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая по лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

% PDF-1.7 % 4862 0 объект > эндобдж xref 4862 335 0000000016 00000 н. 0000008994 00000 н. 0000009142 00000 п. 0000009417 00000 н. 0000009460 00000 н. 0000009602 00000 н. 0000009650 00000 н. 0000009698 00000 п. 0000009746 00000 н. 0000010234 00000 п. 0000010582 00000 п. 0000011297 00000 п. 0000011621 00000 п. 0000012433 00000 п. 0000012734 00000 п. 0000013024 00000 п. 0000013093 00000 п. 0000013331 00000 п. 0000013542 00000 п. 0000013842 00000 п. 0000014132 00000 п. 0000014370 00000 п. 0000014581 00000 п. 0000014802 00000 п. 0000015023 00000 п. 0000015324 00000 п. 0000015614 00000 п. 0000015852 00000 п. 0000016063 00000 п. 0000016364 00000 п. 0000016654 00000 п. 0000016892 00000 п. 0000017103 00000 п. 0000017404 00000 п. 0000017694 00000 п. 0000017932 00000 п. 0000018143 00000 п. 0000018444 00000 п. 0000018734 00000 п. 0000018972 00000 п. 0000019183 00000 п. 0000019484 00000 п. 0000019774 00000 п. 0000020012 00000 н. 0000020223 00000 п. 0000020525 00000 п. 0000020815 00000 н. 0000021053 00000 п. 0000021264 00000 н. 0000021566 00000 п. 0000021856 00000 п. 0000022094 00000 п. 0000022305 00000 п. 0000022607 00000 п. 0000022897 00000 п. 0000023135 00000 п. 0000023346 00000 п. 0000023648 00000 п. 0000023938 00000 п. 0000024176 00000 п. 0000024387 00000 п. 0000024689 00000 п. 0000024979 00000 п. 0000025217 00000 п. 0000025428 00000 п. 0000025735 00000 п. 0000026025 00000 п. 0000026263 00000 п. 0000026474 00000 н. 0000026781 00000 п. 0000027071 00000 п. 0000027309 00000 н. 0000027520 00000 п. 0000027831 00000 н. 0000028121 00000 п. 0000028359 00000 п. 0000028570 00000 п. 0000028882 00000 п. 0000029172 00000 п. 0000029410 00000 п. 0000029621 00000 п. 0000029945 00000 н. 0000030226 00000 п. 0000030454 00000 п. 0000030657 00000 п. 0000030981 00000 п. 0000031262 00000 н. 0000031490 00000 п. 0000031693 00000 п. 0000031997 00000 п. 0000032278 00000 н. 0000032506 00000 п. 0000032709 00000 п. 0000033013 00000 п. 0000033294 00000 п. 0000033522 00000 п. 0000033725 00000 п. 0000034049 00000 п. 0000034330 00000 п. 0000034558 00000 п. 0000034761 00000 п. 0000035085 00000 п. 0000035366 00000 п. 0000035594 00000 п. 0000035797 00000 п. 0000036101 00000 п. 0000036382 00000 п. 0000036610 00000 п. 0000036813 00000 п. 0000037117 00000 п. 0000037398 00000 п. 0000037626 00000 п. 0000037829 00000 п. 0000038153 00000 п. 0000038434 00000 п. 0000038662 00000 п. 0000038865 00000 п. 0000039169 00000 п. 0000039450 00000 п. 0000039678 00000 п. 0000039881 00000 п. 0000040185 00000 п. 0000040466 00000 п. 0000040694 00000 п. 0000040897 00000 п. 0000041221 00000 п. 0000041502 00000 п. 0000041730 00000 п. 0000041933 00000 п. 0000042257 00000 п. 0000042538 00000 п. 0000042766 00000 н. 0000042969 00000 п. 0000043273 00000 п. 0000043554 00000 п. 0000043782 00000 п. 0000043985 00000 п. 0000044289 00000 п. 0000044570 00000 п. 0000044798 00000 п. 0000045001 00000 п. 0000045325 00000 п. 0000045606 00000 п. 0000045834 00000 п. 0000046037 00000 п. 0000046361 00000 п. 0000046642 00000 н. 0000046870 00000 п. 0000047073 00000 п. 0000047377 00000 п. 0000047658 00000 п. 0000047886 00000 п. 0000048089 00000 п. 0000048393 00000 п. 0000048674 00000 н. 0000048902 00000 н. 0000049105 00000 п. 0000049429 00000 п. 0000049710 00000 п. 0000049938 00000 н. 0000050141 00000 п. 0000050465 00000 п. 0000050746 00000 п. 0000050974 00000 п. 0000051177 00000 п. 0000051481 00000 п. 0000051762 00000 п. 0000051990 00000 п. 0000052193 00000 п. 0000052497 00000 п. 0000052778 00000 п. 0000053006 00000 п. 0000053209 00000 п. 0000053533 00000 п. 0000053814 00000 п. 0000054042 00000 п. 0000054245 00000 п. 0000054569 00000 п. 0000054850 00000 п. 0000055078 00000 п. 0000055281 00000 п. 0000055583 00000 п. 0000055864 00000 п. 0000056092 00000 п. 0000056295 00000 п. 0000056597 00000 п. 0000056878 00000 п. 0000057106 00000 п. 0000057309 00000 п. 0000057618 00000 п. 0000057899 00000 н. 0000058127 00000 п. 0000058330 00000 п. 0000058639 00000 п. 0000058920 00000 н. 0000059148 00000 п. 0000059351 00000 п. 0000059680 00000 п. 0000059961 00000 н. 0000060189 00000 п. 0000060392 00000 п. 0000060701 00000 п. 0000060982 00000 п. 0000061210 00000 п. 0000061413 00000 п. 0000061722 00000 п. 0000062003 00000 п. 0000062231 00000 п. 0000062434 00000 п. 0000062763 00000 н. 0000063044 00000 п. 0000063272 00000 п. 0000063475 00000 п. 0000063807 00000 п. 0000064088 00000 п. 0000064316 00000 н. 0000064519 00000 п. 0000064828 00000 п. 0000065109 00000 п. 0000065337 00000 п. 0000065540 00000 п. 0000065849 00000 п. 0000066130 00000 п. 0000066358 00000 п. 0000066561 00000 п. 0000066890 00000 н. 0000067171 00000 п. 0000067399 00000 п. 0000067602 00000 п. 0000067934 00000 п. 0000068215 00000 п. 0000068443 00000 п. 0000068646 00000 п. 0000068955 00000 п. 0000069236 00000 п. 0000069464 00000 п. 0000069667 00000 п. 0000069976 00000 п. 0000070257 00000 п. 0000070485 00000 п. 0000070688 00000 п. 0000070997 00000 п. 0000071278 00000 п. 0000071506 00000 п. 0000071709 00000 п. 0000072018 00000 п. 0000072299 00000 п. 0000072527 00000 п. 0000072730 00000 н. 0000073039 00000 п. 0000073320 00000 п. 0000073548 00000 п. 0000073751 00000 п. 0000074008 00000 п. 0000074317 00000 п. 0000074598 00000 п. 0000074826 00000 п. 0000075029 00000 п. 0000075338 00000 п. 0000075619 00000 п. 0000075847 00000 п. 0000076050 00000 п. 0000076359 00000 п. 0000076640 00000 п. 0000076868 00000 п. 0000077071 00000 п. 0000077380 00000 п. 0000077661 00000 п. 0000077889 00000 п. 0000078092 00000 п. 0000078348 00000 п. 0000078585 00000 п. 0000078821 00000 п. 0000079058 00000 н. 0000079319 00000 п. 0000079571 00000 п. 0000079853 00000 п. 0000080120 00000 п. 0000080392 00000 п. 0000080654 00000 п. 0000080901 00000 п. 0000081142 00000 п. 0000081484 00000 п. 0000081774 00000 п. 0000082012 00000 н. 0000082223 00000 п. 0000082565 00000 п. 0000082855 00000 п. 0000083093 00000 п. 0000083304 00000 п. 0000083566 00000 п. 0000083813 00000 п. 0000084130 00000 п. 0000084420 00000 н. 0000084658 00000 п. 0000084869 00000 п. 0000085201 00000 п. 0000085491 00000 п. 0000085729 00000 п. 0000085940 00000 п. 0000086284 00000 п. 0000086572 00000 п. 0000086808 00000 п. 0000087017 00000 п. 0000087379 00000 п. 0000087669 00000 п. 0000087907 00000 п. 0000088118 00000 п. 0000088369 00000 п. 0000088621 00000 п. 0000089827 00000 н. 0000091037 00000 п. 0000092250 00000 п. 0000093466 00000 п. 0000093717 00000 п. 0000094362 00000 п. 0000094619 00000 п. 0000095223 00000 п. 0000095488 00000 п. 0000096043 00000 п.