Молекулярная эволюция: общебиологические аспекты

[Xasiyev Huseyn]

Молекулярная эволюция: введение
Молекулярная эволюция включает в себя две области исследования: эволюцию макромолекул и реконструкцию эволюционной истории генов и организмов. Под изучением эволюции макромолекул мы подразумеваем исследование скоростей и типов изменений, происходящих в генетическом материале (последовательностях ДНК) и его "продуктах" (белках), и механизмов, ответственных за эти изменения. Вторая область, известная также как молекулярная филогения, имеет дело с эволюционной историей организмов и макромолекул, получаемой на основе молекулярных данных.

На первый взгляд может показаться, что эти две области являются совершенно независимыми друг от друга, поскольку целью первой является установление причин и следствий эволюционных изменений в молекулах, тогда как вторая использует эти молекулы просто как средство для восстановления биологической истории организмов и их генетических составляющих. Однако на практике две эти дисциплины глубоко взаимосвязаны, и прогресс в одной способствует исследованиям в другой. Например, знание филогении необходимо для определения последовательности изменений в изучаемых молекулярных структурах. И наоборот, знание способов и темпов изменений изучаемой молекулы необходимо для попыток восстановления эволюционной истории группы организмов.

В рамки молекулярной эволюции традиционно принято включать и третью область - пребиотическую эволюцию или "происхождение жизни". Однако этот предмет слишком умозрителен и в гораздо меньшей степени поддается количественному анализу, нежели два первых. Более того, законы, направляющие процесс переноса информации в пребиотических системах (т.е. системах, лишенных реплицирующихся генов), в наше время не известны. Поэтому в дальнейших главах будут обсуждаться только первые два раздела молекулярной эволюции.

Изучение молекулярной эволюции основывается на двух совершенно разных дисциплинах: популяционной генетике и молекулярной биологии. Популяционная генетика дает теоретическую базу для изучения эволюционных процессов, тогда как молекулярная биология предоставляет опытные данные. Поэтому для понимания молекулярной эволюции необходимо знать основы как теории популяционной генетики, так и молекулярной биологии.
Последовательности ДНК и РНК: хранители наследственной информации
Наследственная информация всех живых организмов, за исключением некоторых вирусов, хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК.

ДНК обычно состоит из двух нитей, закрученных одна вокруг другой, формируя спираль. Каждая цепь является линейным полимером состоящим из четырех типов мономеров, называемых нуклеотидами. Пурины аденин (А) и гуанин (G), и пиримидины тимин (Т) и цитозин (С).

Формирование двойной спирали происходит за счет водородных связей расположенных друг против друга оснований. Аденин взаимодействует с тимином образуя "слабую связь" (две водородных связи), а гуанин с цитозином образуя "сильную связь" (три водородных связи).

Остов молекулы ДНК состоит из сахара и фосфата соединенных последовательно.

Структура молекулы ДНК схематично представлена на рисунке, dR - сахар (дезоксирибоза), P - фосфат, | - водородная связь.
</p><pre>5'
P───dR───P───dR───P───dR───P───dR───P───dR───OH
3'
│ │ │ │
│
A A C T G
|| ||| || ||| ||
T G A C T
│ │ │ │
│
3'
OH──dR───P───dR───P───dR───P───dR───P───dR───P
5'


</pre>
С одной стороны цепь ДНК имеет на конце фосфат и этот конец обычно обозначают 5', с другой радикал OH и этот конец обозначается 3'. По соглашению единичная цепь ДНК всегда рисуется от 5' к 3' концу, это совпадает с направлением процесса транскрипции.

Молекулы РНК также состоят из нуклеотидов, но вместо дезоксирибозы у них стоит рибоза и вместо нуклеотида тимина используется урацил - U. РНК молекулы гораздо менее стабильны и поэтому используются либо как промежуточные передатчики информации (мРНК), либо как функциональные структуры живущие много менее одного клеточного цикла (тРНК, рРНК и т.д.).

Последовательность ДНК или РНК записывается в виде последовательности нуклеотидов, если нуклеотид неизвестен или же в данной позиции могут быть несколько вариантов нуклеотидов, то прибегают к консенсусным символам.