Происхождение трансляционных процессов и генетического кода

Один из следов мира РНК – нуклеотиды в составе различных БАВ, коферментов.
NAD
Коэнзим А
FAD

До появления белков аминокислоты могли выступать в роли вспомогательных групп для молекул РНК.
а) РНК-аптамер, связывающий аминокислоту изолейцин; б) аптамер, связывающий тирозин.
⇨ рибозимы с функцией аминоацил-тРНК-синтетаз (прикрепляющие аминокислоты к предшественникам транспортных РНК), могли быть востребованы задолго до появления белкового синтеза.
Филогенетические исследования показывают, что к моменту появления современных аминоацил-тРНК-синтаз уже существовало более сотни видов белков ⇨ белки довольно поздно сменили рибозимы с аминоацил-тРНК- синтетазной активностью.

РНК, регулирующие проницаемость мембран:
а) запись нуклеотидных последовательностей РНК, выделенных из препарата РНК, связывающегося с фосфолипидными мембранами; б) схема формирования «мембранного» комплекса РНК на поверхности липосомы.
⇨ Возможно образование функциональных комплексов РНК

Транспортные РНК – важнейшая деталь системы синтеза белка
Посредник между аминокислотами и нуклеотидами;
Короче других типов РНК;
Сложная пространственная структура – совпадает со структурами, формируемыми РНК в отсутствие белков;
Большее разнообразие нуклеотидов;
Признаки эволюции: компактные участки, в которых контактируют тРНК и мРНК ⇨
Возможно, две части тРНК – акцептор аминокислоты и антикодон – некогда существовали отдельно.

тРНК-подобные структуры участвуют в репликации РНК-вирусов и ретровирусов (например, на конце РНК-генома бактериофага Qβ, вируса желтой мозаики турнепса, вируса мозаики цветной капусты).
У молекул, которые должны были работать рибозимами и не участвовать дальше в репликации, фермент — предшественник РНКазы Р отрезал «клеверный лист». Отрезанные «клеверные листы» накапливались, и в какой-то момент для них нашлась новая функция: они стали служить адаптерами для прикрепления аминокислот к рибозимам.
Гипотеза «геномной метки»: сначала тРНК-подобные «клеверные листы» появились на концах геномных молекул в РНК-мире и служили местом начала репликации и первыми теломерами; фактически – помечали РНК, несущую геном.

Проторибосома
Рибосомы могли сформироваться в результате постепенной эволюции из очень простой маленькой молекулы РНК — «проторибосомы», способной катализировать реакцию соединения двух аминокислот.
Молекула 23S-рРНК: основа большой субъединицы рибосомы Escherichia coli. 3000 нуклеотидов, 6 доменов.

А-минорные взаимодействия необходимы для поддержания стабильной трехмерной структуры той части молекулы, к которой принадлежит аденозиновая «стопка», но не влияют на стабильность той ее части, к которой принадлежит двойная спираль.
«А-минорные» связи: между последовательностью из нескольких идущих подряд аденозинов в одной части молекулы и двойной спиралью в другой ее части.
Пятый домен играет ключевую роль в транспептидации. Он удерживает в правильных позициях CCA'-хвосты двух молекул тРНК и катализирует соединение аминокислоты с белком.
В пятом домене аденозиновых «стопок» практически нет.

Оказалось, что молекулу можно постепенно «разобрать», ни разу не нарушив структуру остающихся блоков.
«Неразобранным» остается лишь маленький фрагмент молекулы, ответственный за транспептидацию.
«разборки»: синие, затем красные, желтые, зеленые, розовые, сиреневые, белые и серые блоки.
Последовательность

Красным цветом выделена проторибосома, желтым — «выросты» (1–3; помогают рибосоме выбирать «правильную» тРНК), сиреневым — малая субъединица. 4 — выходной канал для синтезируемого
Последовательные этапы эволюции рибосомы
Блоки на рис. b, не контактируют с рибосомными белками ⇨переход к «белковому миру» - после этого этапа
белка. 10 — «дополнительная» часть большой субъединицы, в состав которой не входит 23S-рРНК.

Многие белки, образующие альфа-спираль, могут неспецифически связываться с двуспиральной РНК. При этом карбонильные группы пептидной цепи
образуют водородные связи с 2'-гидроксильными группами остатков рибозы
⇨ защита от гидролиза РНК щелочами, ионами металлов и РНКазами.
Самокопирующиеся рибозимы ⇨ нуклеотиды стали дефицитным ресурсом ⇨ защитный пептид мог обеспечить большое преимущество. Добавление любой новой аминокислоты подхватывалось отбором.

Теории возникновения связи между аминокислотами и нуклеотидными триплетами:
«Застывшая случайность»;
Оптимизация на минимум ошибок белкового синтеза:
Соответствие путей биосинтеза аминокислот кодонам либо антикодонам (теория стереохимического соответствия).

Теория оптимизации:
Цель – чтобы при ошибках трансляции аминокислоты заменялись на химически похожие.
При этом вероятность ошибок различна: так, ошибка в третьем нуклеотиде вероятнее, чем в первых двух; перепутать A с G или U с C проще, чем пурины с пиримидинами.
Однако базовый генетический код не самый лучший (например, стоп-кодон UGA – триптофан).

Теория стереохимического соответствия
Для восьми аминокислот с большими боковыми цепями были выделены аптамеры, значительно обогащенные триплетами нуклеотидов, идентичными либо кодонам, либо антикодонам соответствующей аминокислоты.
Сборка пептида из аминокислот, связанных напрямую с кодонами мРНК, невозможна ⇨ предковые кодоны принимали участие в биосинтезе аминокислот.

Три аминокислоты, синтезируемые в одну стадию из альфа-кетокислот — аланин, аспартат и глутамат, — имеют кодоны, начинающиеся с G:
Присоединения молекулы-предшественника — альфа-кетокислоты — к 2'-гидроксилу рибозы, входящей в состав некой молекулы РНК, первые три нуклеотида которой дали начало кодону ⇨ аминогруппа гуанина оказывается способной катализировать восстановительное аминирование альфа- кетокислоты.

Синтез других аминокислот начинается с фосфорилирования будущей боковой цепи.

Возможный сценарий эволюции трансляционных процессов и генетического кода
1) Рибозим R: катализ реакции (X → Y). Две или более абиогенных аминокислоты, присутствующие в ячейке, связываются с R и стимулируют реакцию X → Y.

2) R приобретает дополнительную активность лигазы пептидной связи, формируя олигопептид P из соседних аминокислот, связанных с R ⇨ повышение стабильности комплекса ⇨ дальнейшее усиление реакции X → Y .

3) Спонтанная диссоциация или распад R высвобождает пептид P, где он может быть захвачен другим рибозимом E , катализирующим другую реакцию (U → V ) ⇨ увеличение приспособленности всего ансамбля.

4) Копия R (RL) может потерять исходную функцию катализа X → Y при усилении функции аминокислотной лигазы, в то время как другая копия (R0) сохраняет исходную функцию (субфункционализация). RL – предок большой субъединицы рибосомы.

5) Катализ при помощи пептидов ⇨ аминокислоты становятся ценным ресурсом ⇨ развиваются малые РНК (T), связывающие аминокислоты. Первоначально РНК-T связывают аминокислоты неспецифически, но постепенно – увеличение сродства к аминокислотам и избирательности в их связывании.

6) Различные виды РНК-T, избирательно связывающие разные аминокислоты, эволюционируют в сторону накопления широкого набора аминокислот.

7) Рибозим RL развивает способность связывать комплексы аминоацил–РНК-T, а не отдельные аминокислоты ⇨ большая стабильность и точность связи.

8) Под давлением отбора в сторону повышения эффективности связи и точности расположения комплекса аминоацил-T на RL эволюционирует вспомогательная субъединица РНК-RS . Механизм распознавания РНК-T переходит от слабоизбирательного взаимодействия между РНК-T и RL к избирательному спариванию оснований между протоантикодонной петлей T и РНК-RS .

9) «Бутылочное горлышко» для тРНК, через которое прошел только один победитель: молекула в форме «L» с акцепторным триплетом C–C-A на 3’-конце.

10) Отделение матричной цепи M от RS ⇨ дальнейшее разделение функций кодирования и катализа. В этот момент нить M освобождается от эволюционных ограничений, связанных с функциями катализа и связывания в первичной трансляции, поскольку эти функции перешли на физически различные молекулы РНК RL и RS и прото-тРНК.

11) Освобождение прото-тРНК из RSRL при транспептидации вызывает трехнуклеотидный сдвиг, характерное движение современной рибосомы, позволяющее синтезировать длинные пептиды: белковый прорыв.
Путь к трансляционной системе современного типа – принятие на себя белками функций рибозимов.