Lecture 2 2006

А.С. Спирин 2006 г.

Лекция № 2 Происхождение жизни и генетический код

DNA

Ancient RNA world as precursor of life on the Earth

RNA

RNA

Proteins

Proteins

RNA

DARWIN POND: “a small lake or pond with soluble compounds accumulating from a surrounding drainage area”. S.J. Mojzsis, R. Krishnamurthy and G. Arrhenius (1999) Before RNA and after: Geophysical and geochemical constraints on molecular evolution. In: The RNA World, 2nd Edition (Eds. R.F. Gesteland et al.), p.p. 1-47. CSHL Press, New York.

Происхождение жизни по А.И. Опарину (1924) А БИ О ГЕ Н Н Ы Е А М И Н О К И С Л О Т Ы П О Л И П Е П Т И Д Ы , тран сп еп ти дац и я БЕЛ К И с у н и кал ьн ы м и тр ех м ер н ы м и стру кту рам и

О б р азо ван и е н адм о лекулярн ы х стру кту р, р азд ел ен и е ф аз

К атал и ти ч е ск и е акти вн о сти , Ф Е РМ Е Н Т Ы

К атал и ти ч еск и ак ти в н ы е К О А Ц Е РВА Т Ы А ссим иляция, р о с т, р азм н о ж ен и е

К Л Е Т К И

Происхождение жизни из древнего мира РНК А БИ О Г Е Н Н Ы Е Р И БО Н У К Л Е О Т И Д Ы

О Л И Г О Р И БО Н У К Л Е О Т И Д Ы , тран сэстери ф и кац и я П О Л И Р И БО Н У К Л Е О Т И Д Ы К атал и ти ч ес к и е ак ти в н о с ти (р и б о зи м ы ) С ам о п ро ц есси ру ю щ и еся и сам о реп ли ц и ру ю щ и еся м олекулы Р Н К С и н тез белка К О А Ц Е Р В А Т Ы К Л Е Т К И

“Spontaneous rearrangements in RNA sequences” H.V. Chetverina, A.A. Demidenko, V.I. Ugarov and A.B. Chetverin FEBS Letters 450: 89-94 (1999) (1)

Цепи РНК в растворе при температурах от 5° до 37°C время от времени обмениваются частями своих последовательностей; обмен может осуществляться как между разными молекулами (транс-перестройки), так и внутри одной и той же молекулы (цис-перестройки).

(2)

Эти перестройки не специфичны могут происходить в любом месте цепей.

(3)

В отличие от рибозимных и ферментативных реакций, 3´-гидроксилы не участвуют в спонтанной реакции, а части РНК реагируют друг с другом внутренними районами.

(4)

Реакция зависима от присутствия Mg2+.

(5)

Скорость спонтанных перестроек – одно событие в час на миллиард нуклеотидов; это означает, что 0.002% – 0.02% цепей РНК с длиной 800 – 8000 нуклеотидных остатков спонтанно перестраиваются в популяции РНК в течение 24 часов.

по

отношению

к

последовательности

и

Итак, реакция не требует никаких других компонентов, кроме самой РНК и Mg2+, и, таким образом, может рассматриваться как присущее РНК химическое свойство и должна происходить повсюду в живой и неживой природе.

Мир РНК: Зарождение и эволюция в первобытном пруду или луже? Достаточная длина полирибонуклеотидов и непрерывная генерация вариантов

Мир РНК: Зарождение и эволюция в первобытном пруду или луже? Достаточная длина полирибонуклеотидов и непрерывная генерация вариантов –

Появление полирибонуклеотидов-рибозимов с различными каталитическими активностями, включая: • рибозимы, катализирующие реакции синтеза предшественников нуклеотидов и самих нуклеотидов (нуклеозидтрифосфатов), и • рибозимы, катализирующие комплементарную репликацию полирибонуклеотидов (РНК-полимеризующие рибозимы).

Мир РНК: Зарождение и эволюция в первобытном пруду или луже? Достаточная длина полирибонуклеотидов и непрерывная генерация вариантов –

Появление полирибонуклеотидов-рибозимов с различными каталитическими активностями, включая: • рибозимы, катализирующие реакции синтеза предшественников нуклеотидов и самих нуклеотидов (нуклеозидтрифосфатов), и • рибозимы, катализирующие комплементарную репликацию полирибонуклеотидов (РНК-полимеризующие рибозимы).

Реплицирующаяся («размножающаяся») популяция разнообразных и разнообразящихся полирибонуклеотидов – «прудовая коммуна РНК».

Мир РНК: Зарождение и эволюция в первобытном пруду или луже? Проблемы: •

Прудовая коммуна полирибонуклеотидов! («РНК-Солярис»). «От каждого – по способностям, каждому – по потребностям»!

•

Идентификация функционально лучших? Удержание «гена» и «признака» − рибозима и его продукта − вместе? Отсев «негодных»? отбор нужных и лучших? дальнейшая эволюция?

•

КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ КАК НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА И ЭВОЛЮЦИИ

Чтобы естественный отбор начал работать, необходима какая-то форма компартментализации - обособления отдельных ансамблей РНК, в которых рибозимы и их продукты удерживались бы вместе. Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга. Лучшие обособленные ансамбли РНК – первозданные особи – должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших.

ОБОСОБЛЕНИЕ (КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ):

Структурная агрегация? Коацервация? Мембранная оболочка!?

RNA COLONIES ON A GEL SURFACE: replicable RNA molecules (RQ RNAs) are air-borne Petri dish was closed

Petri dish was open for 1 hour

1 hour incubation at 25º C with replicase A.B. Chetverin, H.V. Chetverina and A.V. Munishkin (1991) On the nature of spontaneous RNA synthesis by Qβ replicase. J. Mol. Biol. 222, 3-9.

Мир РНК: Смешанные колонии на твердых средах Если различные молекулы РНК и РНК-реплицирующий рибозим оказываются в одном месте на влажной твердой поверхности в результате подсыхания лужи, то, при наличии необходимых органических и энергетических субстратов для их синтеза на поверхности или вокруг, они могут начать амплифицироваться и формировать смешанные колонии РНК.

Мир РНК: Смешанные колонии на твердых средах

Такая смешанная колония-ансамбль должна включать молекулы РНК, обладающие различными, необходимыми друг для друга активностями, а именно: • Лиганд-связывающие молекулы РНК для избирательной адсорбции необходимых веществ из окружающей среды и их накопления (концентрирования) в колонии. • Набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза предшественников нуклеотидов и самих нуклеотидов (нуклеозидтрифосфатов). • Рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии (РНК-полимеризующий рибозим).

КОЛОНИИ РНК КАК ПЕРВИЧНЫЕ ОСОБИ

Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях и могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции (репликацию молекул РНК всего ансамбля), а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования (например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК. Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами – своим генетическим материалом.

СЦЕНАРИЙ ПЕРВОБЫТНОГО SELEX’a (1)

Когда функционально различные молекулы РНК, включая РНК-реплицирующий рибозим, оказываются в одной луже, вся популяция РНК количественно увеличивается, а благодаря реакциям спонтанной трансэстерификации (реакция Четверина) и ошибкам репликации увеличивается и разнообразие молекул.

(2) Когда лужа подсыхает, молекулы РНК оказываются на влажной поверхности глины или другого минерального субстрата, и при наличии в данном месте молекулы РНК-реплицирующего рибозима и нескольких других молекул РНК, обеспечивающих связывание нужных веществ и катализ нужных реакций, образуется и растет смешанная колония РНК; наиболее успешные колонии (т.е. колонии с наиболее активными и лучше всего дополняющими друг друга молекулами РНК) растут быстрее других. (3) Последующее затопление подсушенного водоема или его части растворяет колонии, и в общем водоеме опять начинается общая амплификация, но уже в популяции, обогащенной «хорошими», т.е. активными и функционально дополняющими друг друга молекулами.

Таким путем чередующиеся затопления и подсушивания РНК-содержащих водоемов (луж) обеспечивают систематическое обогащение популяции РНК функционально лучшими молекулами («систематическая эволюция путем экспоненциального обогащения»).

BIRTH AND EVOLUTION OF RNA WORLD: ABIOGENOUS RIBONUCLEOTIDES ↓ OLIGORIBONUCLEOTIDES, TRANSESTERIFICATION ↓ POLYRIBONUCLEOTIDES, RECOMBINATIONS ↓ LIGAND RECOGNITIONS, CATALYTIC ACTIVITIES

RNA WORLD: Evolution by cycles of replication selection

“UNIVERSAL ANCESTOR” ORIGIN OF MODERN LIFE

CATALYTIC REPLICATION OF RNAs: COMMUNAL RNA POOL IN A “DARWINIAN PUDDLE” DRYING OUT SELECTION OF APT RNAs: GROWTH OF MIXED RNA COLONIES ON MOIST SOLID SURFACE

RIBOCYTES ORIGIN OF PROTEIN SYNTHESIS, UNIVERSAL GENETIC CODE; ORIGIN OF DNA PROGENOTES ↓ CELLS, ORGANISMS

FLOODING

Две ипостаси древнего мира РНК Именно таким путем чередования стадий размножения и селекции мог развиваться и эволюционировать древний мир РНК. Две ипостаси этого мира РНК сосуществовали и переходили друг в друга: коммунальные сообщества размножающихся и разнообразящихся индивидуальных молекул РНК, растворенных в водной среде луж, где реализовался принцип «от каждого по способностям, каждому по потребностям», и конкурирующие особи в виде смешанных колоний РНК, временно существующих и растущих на влажных поверхностях.

ВЫСОКАЯ СКОРОСТЬ ЭВОЛЮЦИИ ДРЕВНЕГО МИРА РНК

Эволюционный процесс должен был быть исключительно быстрым благодаря трем обстоятельствам. •

Непрерывные спонтанные рекомбинации и перестройки молекул РНК, а также низкая точность примитивных механизмов репликации, обеспечивали широчайшее поле вариантов для отбора.

•

Свободный латеральный перенос и обмен молекулами РНК между колониями через воду и атмосферу делал любые полезные инновации достоянием всех и позволял колониям быстро совершенствоваться в течение короткого времени их существования.

•

Экспоненциальное обогащение всей популяции «лучшими» молекулами РНК в циклах амплификации-селекции создавало мощный эволюционный двигатель для всего коммунального мира РНК в целом.

Колонии РНК как универсальный коммунальный предшественник мира живых существ

Отсутствие клеточной стенки (внешней мембраны). Отсутствие трансляции (синтеза белков). Поле вариантов РНК благодаря спонтанным перестройкам. Латеральный перенос молекул РНК – Быстрое распространение любых инноваций; Очень высокий темп эволюции. Коммунальное сообщество, эволюционирующее как целое. Именно это сообщество, а не отдельная колония или возникшая из нее клетка, было универсальным предшественником, из которого выросли разные филогенетические ветви клеточных организмов, с универсальным генетическим кодом. (Ср. с «прогенотами» C. Woese (1998) The Universal Ancestor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 6854-6859.)

ОТ КОЛОНИЙ РНК К РИБОЦИТАМ

Колонии РНК, которые приобрели свойство синтезировать или адсорбировать на себе какие-то гидрофобные вещества, покрывающие их снаружи и удерживающие весь ансамбль вместе в водной среде даже во взвешенном, оторванном от поверхности состоянии, получали колоссальные преимущества, сохраняя свои эффективные функциональные наборы молекул после затоплений. Это уже был прообраз клеточной организации.Такие ограниченные оболочкой ансамбли молекул РНК, обладающих разными адсорбирующими и каталитическими функциями, были названы рибоцитами (M. Yarus). В первичных рибоцитах отсутствовала ДНК и белки – это были так называемые «однополимерные системы» (single-polymer systems). Благодаря многообразию функций РНК и самодостаточности РНК как омнипотентного полимера, рибоциты могли жить, размножаться, конкурировать друг с другом и эволюционировать.

«ИЗОБРЕТЕНИЕ» БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА В РИБОЦИТАХ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ РИБОСОМЫ

Решающим моментом в эволюции рибоцитов было возникновение аппарата синтеза белка. Белки гораздо эффективнее РНК и как структуро-образующие полимеры, и как катализаторы. «Изобретение» аппарата белкового синтеза (трансляции) на основе РНК значительно усовершенствовало структуру и метаболизм рибоцитов и, тем самым, дало им громадный эволюционный импульс. Аппарат белкового синтеза строится на основе рибосомы, которая является универсальной белок-синтезирующей машиной во всем живом мире. Ее универсальность доказывает, что вся современная жизнь началась с рибосомы. Рибосома могла возникнуть путем объединения предсуществовавших разнофункциональных коротких РНК, когда-то оказавшихся в одном месте, в одной колонии или рибоците, и вместе давших этой колонии или рибоциту новое функциональное качество. Имеются все основания только из РНК.

предполагать,

что

первобытная

рибосома

состояла

Вполне вероятно, что рибоцит мог обходиться всего одной рибосомой для синтеза своих, поначалу немногочисленных, белков.

ОТ РИБОЦИТОВ К ПРОГЕНОТАМ Синтез белков требовал большей точности генетических процессов и большей стабильности генетического материала, чем могли обеспечить химически лабильные полирибонуклеотиды и механизмы их репликации. В ответ на это эволюционное требование, путем двух небольших химических модификаций РНК – удаления гидроксила 2-го положения рибозных остатков и метилирования 5-го положения пиримидинового кольца остатков урацила –, возникла дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК, в силу своей двуспиральной структуры с двумя готовыми комплементарными цепями, была идеальной молекулой для воспроизведения себе подобных молекул (редупликации), оказалась гораздо более совершенной матрицей для репликации РНК, чем сама РНК, и при этом обладала большой физической и химической стабильностью. Механизмы ДНК-зависимой репликации генетического материала, и в том числе синтез РНК (транскрипция) стали очень точными. Ее физическая и химическая стабильность обеспечивали стабильность генетического материала. Возникновение ДНК и переход генетических функций репликации генома и репликации мРНК от РНК к ДНК создали новые условия для успешной биологической эволюции, дивергенции видов и генетической устойчивости особей. Так возник ДНК-РНК-белковый мир, положивший начало долгой и продуктивной эволюции в течение 3,8 млрд лет на Земле.

ORIGIN OF DNA FROM RNA

От колоний РНК через рибоциты и прогеноты к клеткам

BIRTH AND EVOLUTION OF RNA WORLD: ABIOGENOUS RIBONUCLEOTIDES ↓ OLIGORIBONUCLEOTIDES, TRANSESTERIFICATION ↓ POLYRIBONUCLEOTIDES, RECOMBINATIONS ↓ LIGAND RECOGNITIONS, CATALYTIC ACTIVITIES

RNA WORLD: Evolution by cycles of replication selection

“UNIVERSAL ANCESTOR” ORIGIN OF MODERN LIFE

CATALYTIC REPLICATION OF RNAs: COMMUNAL RNA POOL IN A “DARWINIAN PUDDLE” DRYING OUT SELECTION OF APT RNAs: GROWTH OF MIXED RNA COLONIES ON MOIST SOLID SURFACE

RIBOCYTES ORIGIN OF PROTEIN SYNTHESIS, UNIVERSAL GENETIC CODE; ORIGIN OF DNA PROGENOTES ↓ CELLS, ORGANISMS

FLOODING

W.F. Doolittle (1998) A paradigm gets shifty. Nature 392: 15-16

W. Martin & M. Müller (1998) The hydrogen hypothesis for the first eukaryote. Nature 392: 37-41

Общая схема биосинтеза белков Д Н К

ТРАНСКРИПЦИЯ Р Н К

ПРОЦЕССИНГ И ТРАНСПОРТ РНК 5'

3'

м Р Н К

РИБОСОМА

ТРАНСЛЯЦИЯ РИБОСОМА

3'

РИБОСОМА 5'

РАСТУЩИЙ ПЕПТИД

т РН К т РН К

т РН К

СВОРАЧИВАНИЕ ПРОЦЕССИНГ И ТРАНСПОРТ ПОЛИПЕПТИДА БЕЛОК

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И ДЕКОДИРОВАНИЕ мРНК

ПОЛЯРНОСТЬ ПОЛИРИБОНУКЛЕОТИДНОЙ ЦЕПИ 5'

O -

N H

-

O

N

P

O -

N

H

O O H 2C

N

O

O

N

N

N H

H

O O H 2C

A H

O

O H

P

2

N

O

N

N H

G 2

O H O -

O P

N

H O

H 2C

O

O

C O

N

O H

P O O H 2C

X

O

n

O H O -

O

O

H

P

N H

O

O

H O

H 2C

3'

2

O

O

-

N H

H

O H

N

O H

O

U

КОДОВАЯ ТАБЛИЦА (1966 г.)

Код триплетный, вырожденный, неперекрывающийся, без запятых. Три некодирующих триплета: UAA, UGA, UAG. Восемь кодоновых семейств: Ser, Leu, Pro, Arg, Thr, Val, Ala, Gly. По одному кодону на Met и Trp. По шесть кодонов на Leu, Ser и Arg. Универсальность.

КОДОВАЯ ТАБЛИЦА (1966 г.)

Код триплетный, вырожденный, неперекрывающийся, без запятых. Три некодирующих триплета: UAA, UGA, UAG. (Иногда UGA – Sec=селеноцистеин). Восемь кодоновых семейств: Ser, Leu, Pro, Arg, Thr, Val, Ala, Gly. По одному кодону на Met и Trp. По шесть кодонов на Leu, Ser и Arg. Универсальность. (Отклонения у примитивных бактерий, некоторых простейших, одноклеточных зеленых водорослей, одноклеточных грибов, а также в митохондриях животных и грибов).

Variations in eubacterial and in nuclear genetic code from “universal” genetic code

Variations in mitochondrial genetic code

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЧАСТКИ мРНК Кодирующая область, нетранслируемые области (НТО). Полицистронные и моноцистронные мРНК. Вторичная и третичная структура различных областей мРНК.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА тРНК («КЛЕВЕРНЫЙ ЛИСТ» Ala

Yeast tRNA U

G C

G hU hU

A

G A

GCGC • UGCG

I G C U

m 22 G

C C C U C

m 1I Ψ

G G G A G A G G C U UCCGG

m 1G U G C AGGCC U U G C C G G • U G C pG C A C C A OH

T Ψ C U U

A

G

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА тРНК («КЛЕВЕРНЫЙ ЛИСТ» Ala

Yeast tRNA U

G C

G hU hU

A

G A

GCGC • UGCG

I G C U

m 22 G

C C C U C

m 1I Ψ

G G G A G A G G C U UCCGG

m 1G U G C AGGCC U U G C C G G • U G C pG C A C C A OH

T Ψ C U U

A

G

ТИПИЧНЫЕ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

O HN

O N H

O

HN O

H H N

R ib o s e

H H

R ib o s e

P s e u d o u rid in e (Ψ )

D ih y d ro u rid in e (D o r h U )

S

O HN

H N O

N R ib o s e

4 -T h io u rid in e (s 4 U )

O

C H

3

N R ib o s e R ib o th y m id in e (T )

ТИПИЧНЫЕ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ОСНОВАНИЯ В ПЕРВОМ ПОЛОЖЕНИИ АНТИКОДОНА O

O O

H N O

CH

3

O CH

H N O

N

CO O H

2

N

R ib o s e

R ib o se

M e th o x y u rid in e ( m o 5 U )

5 -C a rb o x y m e th o x y u r id in e (c m o 5 U o r V ) O H

O O H

N

H N

N H N

CH

N

N

2

N H N

R ib o s e H 2N I n o s in e ( I )

O

R ib o s e Q u e u o sin e (Q u o o r Q )

СХЕМА СКЛАДЫВАНИЯ «КЛЕВЕРНОГО ЛИСТА» В L-ОБРАЗНУЮ СТРУКТУРУ тРНК AC

arm

Cm

A A

U Cm

G hU

G G A

hU

D arm

G A

GAGC C U Cm

m 22 G 2

G A

A G A C C

U U U A G G C pG

AA

AC Y A

Ψ m 5C U G V arm G A G m 7G C U 5 m CUGUG A A U U C G C A C C A arm

Gm

GACAC

U Cm

T Ψ C

G m 1A

C U T Ψ arm

D arm

arm A A

A Ψ G m 5C A U C G V arm C G 2 m 2G A G 7 C m 2G m G G C U A A U C G C A A U G G G hU G hU C Ψ T G U G Um 5 CU U A G G C Gp G CACA G AAUUCGCACCA m 1A U C T Ψ arm

OH

Y A

OH

AA

arm

СХЕМА ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ тРНК

SELF-FOLDING OF THE LINEAR POLYRIBONUCLEOTIDES INTO UNIQUE COMPACT CONFORMATIONS

Atomic model of yeast phenylalanine tRNA

J.D. Robertus, J.E. Ladner, J.T. Finch, D. Rhodes, R.S. Brown, B.F.C. Clark and A. Klug (1974) Structure of yeast phenylalanine tRNA at 3 Å resolution. Nature 250: 546-551. S.H. Kim, F.L. Suddath, G.J. Quigley, A. McPherson, J.L. Sussman, A.H.-J. Wang, N.C. Seeman and A. Rich (1974) Three-dimensional tertiary structure of yeast phenylalanine transfer RNA. Science 185: 435-440.

Три последовательные химические реакции биосинтеза белка

(1) Aa + ATP → Aa~AMP + P~P (2) Aa~AMP + tRNA → Aa~tRNA + AMP (3) Aa~tRNA + Pept~tRNA → Pept-Aa~tRNA + tRNA

АКТИВАЦИЯ АМИНОКИСЛОТЫ N H R +

(1 ) H 3N C H

O C O

-

+

-

O O O O P O P O P O O O O

N

H CH

O

2

O H

N

O H N H

+

H 3N C H

C

O O O P O O -

O

2

N

O H N H

tR N A c c

N

O

H

CH

2

N

O

N

+

N H

3

R C H

+ H

N

[P 2O 7]4 -

+ H

O H

2

N

2

N

H CH

H

N

N

R

(2 )

2

N

C O O

O H

O

O H

-

N H

P O

N

O 2

N H N

O CH

N

O

O

N

H 2

2

N

+ H

O

-

O H N H

P O

N

O 2

N

O

R CH +

N H

3

O H

O H

2

N

H

O C O

H

N

-

CH O H

N

O

O H tR N A c c

N

H

C H

2

N

H

АКТИВАЦИЯ И АКЦЕПТИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТЫ N H R +

(1 ) H 3N C H

O C O

-

+

-

O O O O P O P O P O O O O

N

H CH

O

2

O H

N

O H N H

+

H 3N C H

C

O O O P O O -

O

2

N

O H N H

tR N A c c

N

O

H

CH

2

N

O

N

+

N H

3

R C H

+ H

N

[P 2O 7]4 -

+ H

O H

2

N

2

N

H CH

H

N

N

R

(2 )

2

N

C O O

O H

O

O H

-

N H

P O

N

O 2

N H N

O CH

N

O

O

N

H 2

2

N

+ H

O

-

O H N H

P O

N

O 2

N

O

R CH +

N H

3

O H

O H

2

N

H

O C O

H

N

-

CH O H

N

O

O H tR N A c c

N

H

C H

2

N

H

ДВА КЛАССА АМИНОАЦИЛ-тРНК-СИНТЕТАЗ Класс I

Класс II

Leu, Ile, Val, Cys, Met, Glu, Gln, Arg, Tyr, Trp

His, Pro, Ser, Thr, Asp, Asn, Lys, Gly, Ala, Phe

AC

arm

Cm

A A

m

G

A G A C C

U U U A G G C pG

AA

AC Y A

Ψ m 5C U G V arm G A G m 7G C U 5 m C UG U G A A U U C G C A C C A

GAC AC

T Ψ C G 1 C Um A T Ψ arm

D arm

АRS - tRNA COMPLEX

arm

Gm A A U Y A Cm A Ψ G m 5C A U C G V arm C G m 22 G A G 7 C m 2G m G G C U A A U C G C A A U G G G hU G hU C Ψ T G U G Um 5 CU U A G G C Gp G C A CA G A AU UC G C AC C A m 1A U C T Ψ arm

OH

AA

arm

OH

arm

D-loop side contact

TΨ-loop side contact

Classification of E.coli aminoacyl-tRNA synthetases

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ СОБЫТИЙ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ДВУХ-ДОМЕННОЙ ИЛИ ДИМЕРНОЙ ARS-азы (“half-of-the-sites-reactivity”)

ATP

AA

PP

tRNA Aa-tRNA

AMP 6 5

1 ATP

tRNA

4 3 PP

2 AA

АНТИПАРАЛЛЕЛЬНОЕ КОДОН-АНТИКОДОНОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

3' mRNA codon

5'

Anticodon

Антипараллельное кодон-антикодоновое спаривание

Антипараллельное кодон-антикодоновое спаривание

Спаривание 1-го основания антикодона с 3-им основанием кодона anticodon, 1st

G

codon, 3rd

U G

I

I

I

C

C

U

A

A

U

U

C

G

G

Спаривание 1-го основания антикодона с 3-им основанием кодона anticodon, 1st

G

codon, 3rd

U G

A → I

I

I

I

C

C

U

A

A

U

U

C

G

G

Спаривание 1-го основания антикодона с 3-им основанием кодона anticodon, 1st

G

codon, 3rd

G

I

C

U

codon, 3rd

I

C

U

I

anticodon, 1st

A

A

U

U

C

G

G

WOBBLE HYPOTHESIS ( F. Crick, 1966 )

ANTICODON

CODON

1st POSITION

3rd POSITION

{ U

C1'

X

U C

C U

G I

U U G I A

U

STANDARD:

} U U

U

G

A A G

A U G C I

U A C G C

WOBBLE RULES UNIVERSAL:

Anticodon, 5’

A

U

I

C U A

G

C U

C

G

U*

A G

MITOCHONDRIAL

U

A G C U

3’, Codon

МОДИФИКАЦИИ ПЕРВОГО ОСНОВАНИЯ КОДОНА

O

O O

H N O

CH

3

O CH

H N O

N

CO O H

2

N

R ib o s e

R ib o se

M e th o x y u rid in e ( m o 5 U )

5 -C a rb o x y m e th o x y u r id in e (c m o 5 U o r V ) O H

O O H

N

H N

N H N

CH

N

N

2

N H N

R ib o s e H 2N In o s in e (I)

O

R ib o s e Q u e u o s in e (Q u o o r Q )

WOBBLE RULES UNIVERSAL:

Anticodon, 5’

A

U

I

C U A

G

C U

U*

A G

C

G

MITOCHONDRIAL

U

A G C U

3’, Codon