Новости химической науки > Что было кофактором ферментов в Мире РНК?

Изучение поврежденных молекул ДНК позволило исследователям разработать новую гипотезу о вероятных предшественниках связывающихся с белком кофакторов, способствующих протеканию важных химических процессов, лежащих в основе функционирования живых систем.

Исследователи предположили, что в эпоху Мира РНК – самого раннего периода эволюции жизни на Земле, характеризующегося тем, что и хранение генетической информации, и процесс ее воспроизведения осуществлялись за счет участия только молекул РНК – основные биохимические реакции могли катализироваться модифицированными строительными блоками РНК, такими как гуанин. Разработанная гипотеза позволяет концепции мира РНК заиграть новыми красками.

Руководитель исследования, Цинтия Берроуз (Cynthia J. Burrows) из Университета Юты, отмечает, что до специалисты по биохимии и биохимической эволюции до настоящего времени не могут ответить на вопрос – какими были первые шаги на пути к эволюции современных низкомолекулярных соединений, способствующих протеканию биохимических процессов.

Модифицированный гуанин, связанный с короткой цепочкой ДНК, катализирует процесс восстановления расположенного в близком соседстве димерного тимина. Этот процесс является необычном примером того, как одно повреждение ДНК исправляет другое. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (37), 14586)

Берроуз и Ким Ван Нгуен (Khiem Van Nguyen) наблюдали, что 8-оксо-7,8-дигидрогуанин – результат окислительной мутации гуанина – может подражать работе известного кофактора – флавина. Что наиболее интересно, поврежденное основание может катализировать исправление другого вида мутации ДНК – фотоинициированной димеризации, такой же способ репарации (биохимического способа исправления мутации ДНК) характерен и для работы ферментов, кофактором которых является флавин.

Исследователи полагают, что азотистые основания, входящие в состав ДНК и РНК, могли стать началом для химической эволюции таких кофакторов, как флавинадениннуклеотид. Флавинадениннуклеотид – ключевая молекула, вовлеченная в биосинтез аденозинтрифосфата (АТФ) клеточного источника энергии; правдоподобного объяснения для первых шагов в биохимической эволюции флавинов до настоящего времени не было предложено.

Каталитическая природа флавинов отчасти обусловлена низким значением их окислительно-восстановительного потенциала. Берроуз, специалист по мутации ДНК, отмечает, что значение окислительно-восстановительного потенциала 8-оксо-7,8-дигидрогуанина ближе к флавину, чем к значению окислительно-восстановительного потенциала главных азотистых оснований. Для этого исследователи инкорпорировали поврежденные азотистые основания в нити синтетических ДНК или РНК таким образом, чтобы соседом 8-оксо-7,8-дигидрогуанина являлся другой элемент мутации нуклеиновой кислоты – димер тимина. При облучении ультрафиолетом модифицированный гуанин способствовал разрушению димера тимина, осуществляя репарацию нуклеиновой кислоты.

Берроуз отмечает, что к мысли о том, что не все изменения в структуре ДНК представляют собой опасные мутации, а некоторые, наоборот, могут оказаться полезными, еще предстоит привыкнуть; возможно, химическая модификация азотистых оснований 4 миллиарда лет назад, еще тогда, когда решение биохимических задач не легло на плечи белков, была весьма полезной для химической эволюции.

Берроуз отмечает, что следующий этап исследования будет заключаться в дальнейших попытках смоделировать образование протофлавина в лаборатории, изучить условия протекания процесса репарации поврежденной нуклеиновой кислоты и выяснить, какие условия для такого процесса могли бы быть наиболее достоверными для молодой Земли, а также исследовать реакционную способность других модифицированных азотистых оснований.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (37), 14586; DOI: 10.1021/ja2072252

метки статьи: #биохимия, #межмолекулярные взаимодействия, #молекулярная биология, #супрамолекулярная химия, #химия полимеров