БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 8, с. 1105 - 1119

УДК 577.1, 577.213, 577.214.32, 577.22

А.С. СПИРИН О МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАШИНАХ

И ПРОИСХОЖДЕНИИ ЖИЗНИ

Обзор

А.Б. Четверин

Институт белка РАН, 142290 Пущино, Московская область, Россия;

электронная почта: achetverin@yandex.ru

Поступила в редакцию 17.05.2021

После доработки 17.05.2021

Принята к публикации 18.05.2021

Считалось, что рибосомная РНК кодирует белки, а гидролиз GTP снабжает синтез белка энергией. С при"

ходом А.С. Спирина в науку все изменилось. Оказалось, что белки кодирует совсем другая РНК, а гидролиз

GTP лишь ускоряет процесс, энергетически обеспеченный и без него. Именно Спирин впервые выдвинул

идею броуновского храповика и объяснил, как и зачем молекулярные машины могли возникнуть в мире

РНК.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мир РНК, эволюция, рибосома, броуновский храповик, гидролиз ATP, преобразова"

ние энергии, силовые удары.

DOI: 10.31857/S0320972521080042

ВВЕДЕНИЕ

В результате возникла целостная концепция,

которую я попытался здесь представить.

При всей кажущейся разнородности тем, ука"

занных в заголовке, основной персонаж здесь

один: главный рибозим природы и главное увле"

ВНАЧАЛЕ БЫЛА РНК

чение Александра Сергеевича Спирина - рибо"

сома. Ей он посвятил фактически всю свою науч"

Свою научную работу Спирин начал со срав"

ную жизнь, выясняя, как она устроена, как рабо"

нения нуклеотидного состава РНК и ДНК бак"

тает и как возникла. Одна из первых работ

терий под руководством Андрея Николаевича

А.С. Спирина [1] стала указанием на то, что со"

Белозерского. Это случилось в 1954 г., через год

держащаяся в рибосомах РНК, которая составля"

после выхода статей Дж. Уотсона и Ф. Крика о

ет основную часть РНК клетки, не кодирует бел"

структуре ДНК и ее биологическом смысле [3, 4],

ки, как тогда думали, а выполняет структурную

положивших начало молекулярной биологии.

роль. Рибосоме посвящена и его последняя науч"

Как писал сам Александр Сергеевич [5], тогда

ная публикация, вышедшая 61 год спустя [2].

он был аспирантом Института биохимии им.

Исследование структуры рибосом помогло

А.Н. Баха АН СССР, но фактически работал в

Спирину сформулировать гипотезу, что рибосо"

только что построенном здании биологического

ма является машиной, работающей благодаря

(тогда - биолого"почвенного) факультета МГУ

подвижности ее двух субчастиц. Чтобы узнать,

им. М.В. Ломоносова на Ленинских горах, кото"

какой «двигатель» приводит субчастицы в дви"

рое было официально открыто

сентября

жение, как он работает и что служит для него

1954 г. [6].

«топливом», Спирин занялся выяснением об"

Из работ, опубликованных в то время, особо

щих принципов функционирования клеточных

выделяется статья, вышедшая в 1957 г. в журна"

механохимических систем. А когда подтверди"

ле «Биохимия» [1]. В обзоре «Ab ovo usque ad

лась его долго вынашиваемая мысль, что имен"

mala» («От начала до конца»), посвященном

но рибосомная РНК (рРНК) осуществляет ката"

50"летию ее публикации [7], Александр Сергее"

лиз синтеза белка, ему захотелось понять, как

вич отметил, что эта статья дала начало трем но"

такая машина могла возникнуть в мире РНК.

вым направлениям молекулярной биологии: ге"

носистематике, изучению мРНК (информаци"

онных, или матричных, РНК) и, наконец, изу"

Принятые сокращения: Aa - аминокислота, амино"

ацил.

чению некодирующих РНК. В ней впервые был

1105

1106

ЧЕТВЕРИН

определен нуклеотидный состав суммарной

На самом же деле, эти статьи в «Биохимии» и

РНК в организмах с сильно различающимся

«Nature» как раз ситуацию проясняли. Из них

нуклеотидным составом ДНК. Такие попытки

следовало, что РНК, кодирующая белки и соот"

предпринимались и раньше, но были не слиш"

ветствующая ДНК по нуклеотидному составу,

ком успешными ввиду того, что потери РНК из"за

существует, но она составляет лишь небольшую

рибонуклеазной деградации в процессе выделе"

долю суммарной клеточной РНК и не входит в

ния сильно искажали результат. Здесь же РНК

состав выделенных рибосом; сейчас она извест"

не выделяли, а подвергали щелочному гидроли"

на как матричная РНК (мРНК) [12]. Основная

зу непосредственно в составе промытой бакте"

же масса клеточной РНК, содержащаяся в рибо"

риальной массы, что исключало ошибки, выз"

сомах, филогенетически консервативна и не

ванные потерями РНК. Был также разработан

служит матрицей для синтеза белка. Таким об"

новый метод, позволяющий на одной хромато"

разом, статья в «Биохимии» [1], составившая ос"

грамме видеть все 4 нуклеотидных основания,

нову кандидатской диссертации Спирина [13],

что позволило точнее определять их относи"

стала первым указанием на существование как

тельное содержание. Оказалось, что, хотя соот"

кодирующих, так и класса некодирующих РНК,

ношение (G + C)/(A + T) в ДНК 19 исследован"

к которому относятся и рибосомные.

ных видов бактерий отличалось более, чем в

6 раз, соотношение (G + C)/(A + U) в их РНК

отличалось чуть больше, чем на 20%.

СТРУКТУРА РИБОСОМЫ

Осознать значение этого результата для мо"

ДЕРЖИТСЯ НА РНК

лекулярной биологии можно, посмотрев на него

с точки зрения Ф. Крика, изложенной в его кон"

После публикации статей в «Биохимии» и

цептуальной статье «О синтезе белка», опубли"

«Nature» Спирин занялся изучением физичес"

кованной в 1958 г. [8], где он впервые сформули"

ких свойств высокомолекулярных РНК. Эта ра"

ровал центральную догму молекулярной биоло"

бота проводилась в основном в лаборатории хи"

гии (возможен перенос информации от нуклеи"

мии и биохимии нуклеиновых кислот Институ"

новой кислоты к нуклеиновой кислоте или к

та биохимии им. А.Н. Баха АН СССР, которую

белку, но не от белка к белку или к нуклеиновой

Спирин возглавил после защиты им докторской

кислоте) и адапторную гипотезу (трансляция ге"

диссертации в 1962 г. [14].

нетической информации в белок осуществляет"

Поскольку выяснилось, что некодирующая

ся с помощью молекул, связанных с аминокис"

рибосомная РНК составляет бóльшую часть

лотой и несущих 2-3 нуклеотида, комплемен"

РНК клетки, именно она привлекла внимание

тарных матрице). Наряду с этими двумя гени"

Спирина [5]. Однако сначала, в порядке трени"

альными догадками, Ф. Крик выдвинул еще од"

ровки, была исследована геномная РНК вируса

ну гипотезу - о природе «микросомных частиц»

табачной мозаики (ВТМ). Ее можно было отно"

(в том же году названных «рибосомами» [9]),

сительно легко выделить в больших количест"

состоящих из РНК и белка. К тому моменту уже

вах*. Кроме того, целостность этой РНК могла

было известно, что именно в этих частицах на"

быть однозначно установлена с помощью теста

ходится основная часть клеточной РНК и что в

на инфекционность [15], и именно ее исследо"

них происходит синтез белка. Согласно гипоте"

вание привело к обнаружению скрытых внут"

зе Крика, рибосомы подобны сферическим

ренних разрывов в кажущейся неповрежденной

РНК"содержащим вирусам: внутри каждой на"

высокомолекулярной РНК.

ходится кодируемая ДНК"геномом РНК"матри"

В отличие от РНК в составе вирусной части"

ца для синтеза определенного белка, и в клетке

цы, выделенная ВТМ"РНК быстро теряла ин"

существует столько разных рибосом, сколько в

фекционность при хранении даже в асептичес"

ней разных генов и разных белков. Отсюда сле"

ких условиях, хотя по всем физическим тестам

довало ожидать тесную корреляцию нуклеотид"

(электронная микроскопия, спектральные ис"

ных составов клеточных ДНК и РНК - поэтому

следования, седиментация, вискозиметрия) по"

результат, опубликованный в «Биохимии» [1],

терявшая инфекционность РНК не отличалась

был абсолютно неожиданным: он опровергал

от свежевыделенной [15]. Однако выяснилось,

постулат о том, что рибосомные РНК служат

что поведение этих РНК начинает различаться

матрицами для синтеза белков. Ф. Крик не мог

прочитать статью на русском языке, однако он

∗ Из 1 л сока, выжатого из зараженной ВТМ томатной бот"

вы, получали до 1 г чистого препарата вируса [15]. Когда в

сразу же отреагировал на ее основные выводы,

1974 г. мы с Таней Власик и Колей Руткевичем пришли ра"

опубликованные в следующем году в журнале

ботать в лабораторию Спирина в Институте белка, нам по"

«Nature» [10], назвав сложившуюся ситуацию

казали большую колбу с высаженным сульфатом аммония

«сбивающей с толку» [11].

ВТМ, сохранившуюся с тех пор в холодной комнате.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1107

при нагревании выше 50 °С: вязкость инфекци"

жестким каркасом, на котором держится струк"

онной РНК резко увеличивалась, причем дан"

тура рибосомных субчастиц. Этот вывод стал ре"

ный переход наблюдался в узком температур"

шающим для понимания принципов структур"

ном диапазоне; вязкость же РНК, утратившей

ной организации рибосом и, по"видимому, по"

инфекционность, не только не возрастала, но

мог Спирину сформулировать модель работы

даже падала при нагревании. Поскольку сниже"

рибосомы. Это произошло уже после того, как в

ние вязкости указывало на уменьшение размера

июне 1967 г. он возглавил созданный им Инсти"

макромолекул, был сделан вывод, что при хра"

тут белка АН СССР.

нении «непрерывная одноцепотчатая структура

нативной РНК переходит в прерывистую» [16].

Подобная история случилась и с рибосом"

ЦИКЛИЧЕСКИ РАБОТАЮЩАЯ

ными РНК. Так, Б.Д. Холл и П. Доти сообщили,

БИОХИМИЧЕСКАЯ МАШИНА

что нагревание 18S (600 кДа) и 28S (1300 кДа)

РНК из рибосом печени теленка приводит к па"

Именно так названа рибосома в знаменитой

дению их вязкости, сопровождающемуся распа"

модели смыкания"размыкания рибосомных

дом на фрагменты с молекулярной массой око"

субчастиц, опубликованной в 1968 г. [25]. К тому

ло 120 кДа. Авторы сделали вывод, что 18S и

времени с блеском подтвердилась адапторная

28S РНК построены из 5 и 10 субъединиц соот"

гипотеза Крика [8]: было установлено, что ами"

ветственно, хотя оговорились, что остается воз"

нокислоты для синтеза белка поступают в рибо"

можность, что эти субъединицы возникают в ре"

сому в виде аминоацил"тРНК (Аа"тРНК, синте"

зультате скрытых расщеплений («hidden scis"

зируемых аминоацил"тРНК"синтетазами из

sions») РНК рибонуклеазой [17].

тРНК и аминокислот, активируемых с помощью

То, что реализуется именно такая возмож"

ATP), содержащих антикодоны, комплементар"

ность, было показано в группе Спирина в следу"

ные трехнуклеотидным кодонам (триплетам)

ющем же году [18]. Для предотвращения рибо"

связанной с рибосомой мРНК, и там из них

нуклеазной деградации РНК ее выделяли не из

синтезируется полипептидная цепь в виде пеп"

рибосом, а непосредственно из гомогенизиро"

тидил"тРНК.

ванной ткани путем фенольной экстракции.

Было также установлено, что рибосома сос"

Вязкость выделенной высокомолекулярной

тоит из двух слабо связанных между собой суб"

РНК, по размеру совпадающей с рибосомной

частиц, причем мРНК и Аа"тРНК связываются с

РНК, изученной Холлом и Доти, при нагрева"

малой субчастицей (30S - у бактерий, 40S - у эу"

нии не уменьшалась - наоборот, подобно интакт"

кариот), а пептидил"тРНК - с большой (50S -

ной ВТМ"РНК, скачкообразно возрастала. На"

у бактерий, 60S - у эукариот), и там же находит"

блюдаемое же Холлом и Доти падение вязкости

ся пептидилтрансферазный центр, где происхо"

наблюдалось, как и в случае ВТМ"РНК, лишь

дит катализ синтеза пептидных связей. Этот

после хранения препарата рибосом, сопровож"

синтез происходит путем атаки пептидил"тРНК

дающегося деградацией РНК. Несколько позже

(ее сложноэфирной связи между карбоксильной

было показано, что при обработке рибосом ри"

группой последнего аминокислотного остатка и

бонуклеазой действительно возникают скрытые

3′"гидроксильной группой 3′"концевого нуклео"

разрывы в РНК, которые не приводят к види"

тида тРНК) аминогруппой новой Аа"тРНК. В

мым повреждениям рибосом и их субчастиц [19].

результате удлиненная на один аминокислотный

Таким образом, Спириным и сотрудниками

остаток (а.о.) полипептидная цепь оказывается

было установлено, что рибосомные РНК явля"

связанной с новой тРНК (а, следовательно, с ма"

ются ковалентно"непрерывными полинуклео"

лой субчастицей), а тРНК, входившая в состав

тидными цепями. Также было показано, что в

пептидил"тРНК, оказывается деацилированной.

растворах с высокой ионной силой выделенные

После синтеза пептидной связи происходит акт

рибосомные РНК способны приобретать ком"

транслокации, включающий смещение удли"

пактную конфигурацию [20], что простран"

ненной пептидил"тРНК от малой к большой

ственная структура РНК держится на водород"

субчастице (к которой она имеет большее срод"

ных и электростатических (солевых) взаимодей"

ство), сопряженное с перемещением мРНК на

ствиях [21-23] и что, понижая ионную силу

один кодон и диссоциацией деацилированной

раствора в отсутствие ионов Mg²⁺, можно обра"

тРНК от большой субчастицы в раствор. Теперь

тимо развернуть рибосомные субчастицы в ри"

Аа"тРНК"связывающий центр малой субчасти"

бонуклеопротеидные тяжи, где рибосомные

цы с установленным в нем новым кодоном готов

белки остаются связанными с РНК [24]. Отсю"

принять следующую Аа"тРНК.

да, в частности, следовало, что в физиологичес"

Таким образом, рибосома работает цикли"

ких условиях рибосомные РНК являются весьма

чески: каждый цикл начинается связыванием

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

1108

ЧЕТВЕРИН

Аа"тРНК, продолжается синтезом очередной

честве эпиграфа к одной из глав учебника по

пептидной связи и заканчивается транслокаци"

молекулярной биологии [31]: «Гиена - хищный

ей (подробное описание этих событий с учетом

зверь, охотится ночью только при луне, а если

новых данных можно найти в учебнике Спири"

луны нет, то без». Эту же притчу он вспоминал

на [26] и в его последних научных публикациях

на лекциях по энергетике рибосомы.

по этой проблеме [2, 5, 27]).

Если рибосома - машина, то что же являет"

Особенностями рибосомы в сравнении с

ся ее мотором и топливом? Ко времени созда"

обычными ферментами являются большая мас"

ния модели смыкания"размыкания рибосом"

са субстратов (Аа"тРНК и пептидил"тРНК при"

ных субчастиц ответ на этот вопрос казался оче"

мерно на два порядка массивнее субстратов

видным. Было известно, что для синтеза белка

стандартных биохимических реакций) и строгая

на рибосоме необходим GTP и белковые факто"

направленность катализируемого процесса: ри"

ры элонгации T (EF"Tu) и G (EF"G), обладаю"

босома прочитывает матрицу в направлении от

щие GTPазной активностью и участвующие в

5′" к 3′"концу, что задает последовательность

связывании Аа"тРНК и транслокации соответ"

аминокислот в белке. Модель смыкания"размы"

ственно. Таким образом, помимо молекулы

кания рибосомных субчастиц как раз и объясня"

ATP, используемой при синтезе Аа"тРНК, на

ет, как рибосома решает эти проблемы. Смыка"

синтез каждой пептидной связи тратится не ме"

ние субчастиц приводит к сближению связан"

нее двух молекул GTP. Считалось, что, по ана"

ных с ними Аа"тРНК и пептидил"тРНК, в том

логии с гидролизом ATP при мышечном сокра"

числе групп, участвующих в пептидилтрансфе"

щении, энергия гидролиза GTP используется

разной реакции, а размыкание - к транслока"

для перемещений мРНК и тРНК в рибосоме

ции матрицы, которую увлекает за собой свя"

[32]. Поэтому было естественно предположить,

занная с ней пептидил"тРНК [25]. Основные

что именно факторы элонгации смыкают и раз"

положения этой модели были подтверждены ре"

мыкают рибосомные субчастицы; они являются

зультатами работ по кристаллической структу"

моторами, а топливом для них служит GTP

ре, криоэлектронной микроскопии и динамике

[25, 29, 30].

рибосом [2, 5, 27].

Однако С. Пестка показал, что синтез поли"

В том же 1968 г. похожая модель была пред"

фенилаланина на поли(U)"матрице может про"

ложена британским ученым М. Бретчером [28],

исходить и в отсутствие факторов элонгации и

однако приоритет Спирина становится очевид"

GTP [33, 34]. В лаборатории Спирина этот ре"

ным, если обратить внимание на даты поступле"

зультат был подтвержден, а затем было установ"

ния рукописей в редакции журналов: 29 января

лено, что обработка рибосом SH"реагентом

[25] и 26 апреля [28]. В своем докладе на конфе"

п"хлормеркурибензоатом (который полностью

ренции, посвященной его 80"летнему юбилею,

инактивирует факторы элонгации) не только не

Александр Сергеевич рассказал, что почти од"

подавляет, но даже стимулирует бесфакторный

новременно с русскоязычной версией статьи,

синтез полифенилаланина [35, 36]. Данный

представленной в «Доклады АН СССР», он пос"

факт развеял последние подозрения в том, что

лал ее англоязычную версию в «Journal of

наблюдаемый синтез обусловлен примесями

Molecular Biology», однако та была отвергнута

факторов элонгации и GTP. В последующих ра"

редакцией; много лет спустя Бретчер признался

ботах лаборатории было показано, что в отсут"

ему, что именно он был рецензентом рукописи.

ствие факторов элонгации механизм синтеза

Поэтому англоязычную версию Спирин опуб"

белка рибосомами точно такой же, как и в их

ликовал в малоизвестном издании «Currents in

присутствии; разница лишь в том, что в присут"

Modern Biology» [29]. Зато в следующем году он

ствии факторов элонгации и GTP синтез проис"

с успехом представил свою модель по"английс"

ходит с большей скоростью и более устойчив к

ки на симпозиуме «The mechanism of protein syn"

действию ингибиторов, в том числе антибиоти"

thesis» («Механизм синтеза белка») в Колд"

ков (см. обзоры [37-39]).

Спринг"Харбор (США), где собрались все веду"

Таким образом, к середине 1970"х гг. Спири"

щие специалисты в этой области [30].

ну стало ясно, что синтез белка энергетически

обеспечен и без GTP (достаточно того АТР, что

используется при синтезе Аа"тРНК) и что в слу"

РИБОСОМА - МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАШИНА,

чае бесфакторной трансляции все механические

РАБОТАЕТ ТОЛЬКО C ГИДРОЛИЗОМ GTP,

перемещения в процессе работы рибосомы осу"

А ЕСЛИ GTP НЕТ, ТО БЕЗ

ществляются за счет броуновского движения

[37]. Зачем же тогда нужны факторы элонгации

Это - перефразированная восточная притча,

и гидролиз GTP? Может быть, все"таки для то"

которую Александр Сергеевич использовал в ка"

го, чтобы придать движению субчастиц допол"

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1109

нительный импульс и тем самым увеличить

МОЖЕТ ЛИ БЕЛОК

мощность рибосомы"машины?

СЛУЖИТЬ МОТОРОМ?

Осенью 1980 г. Александр Сергеевич предло"

РАБОТА МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАШИН

жил мне вместе поработать над этой проблемой.

НЕ СОПРОВОЖДАЕТСЯ ИЗМЕНЕНИЕМ

Работа шла почти год, мы часто встречались и

ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА

подолгу беседовали. Свои выводы и аргументы

мы «обкатывали» в продолжительных и подчас

Поставленные выше вопросы вызвали инте"

жарких дискуссиях с признанными авторитета"

рес А.С. Спирина и к другим механохимичес"

ми в области физики белка и полимеров Дмит"

ким системам, работа которых сопровождается

рием Сергеевичем Чернавским и Александром

гидролизом нуклеозидтрифосфатов (NTP). На

Юльевичем Гросбергом. В результате родилась

биологическом факультете МГУ он иницииро"

статья «Биоэнергетика и синтез белка», опубли"

вал работы по изучению клеточной подвижнос"

кованная в английском [38] и русском [39] вари"

ти (их проводили В.И. Гельфанд, В.А. Розенблат,

антах*.

Ф.К. Гиоева и Н.А. Шанина) и кальциевого на"

Основная мысль этой статьи заключается в

соса (В.И. Мельгунов). О широте интересов

том, что в условиях теплового (броуновского)

Спирина в этой области можно судить по теме

движения белок не может служить энергетичес"

обзора, который он поручил мне подготовить в

ким посредником; в частности, нельзя сохра"

качестве курсовой работы в 1973"1974 учебном

нить энергию в «напряженной» конформации

году: «Молекулярно"энергетические механизмы

белка на время, сопоставимое со временем ра"

клеточной механики», куда, помимо работы ри"

бочего цикла молекулярной машины. Не будучи

босомы, вошли мышечное сокращение, сокра"

физиками, мы не смогли убедить в этом

тительные системы вирусов, бактерий и эукари"

Д.С. Чернавского с помощью физических аргу"

отических клеток, а также системы трансмемб"

ментов. Однако, будучи биохимиками, мы вы"

ранного транспорта.

двинули другой аргумент - давно известный в

В этой связи его особенно интересовал воп"

биохимии принцип общего промежуточного

рос о том, какого рода конформационные изме"

продукта, который заключается в том, что един"

нения происходят в белках, осуществляющих

ственным способом передачи химической энер"

гидролиз NTP, так как в то время весьма попу"

гии от одной биохимической реакции к другой

лярной была идея о том, что энергия гидролиза

является сопряжение этих реакций через высо"

NTP запасается в напряженной конформации

коэнергетический интермедиат (сс. 354-355

белка и затем используется для совершения той

в [46]).

или иной механической работы. Ожидалось, что

В качестве примера можно привести синтез

при этом могут происходить «драматические»

Аа"тРНК, при котором ATP служит для образо"

изменения во вторичной структуре белка типа

вания макроэргической сложноэфирной связи

перехода α"спираль → β"структура, наблюдае"

между аминокислотой и тРНК. Этот синтез

мого в кератине [40, 41]. Поэтому целью моей

происходит в две стадии: Аа + АMР∼PP →

дипломной работы [42] стал поиск различий в

→ Аа∼АМР + PPi и Аа∼АМР + тРНК →

конформациях фактора элонгации EF"Tu в сос"

→ Аа∼тРНК + АМР, катализируемые амино"

таве комплексов EF"Tu - GTP (± Аа"тРНК) и

ацил"тРНК"синтетазой. Здесь тильдой (∼) обоз"

EF"Tu - GDP, соответствующих состоянию фак"

начены макроэргические связи, а ATP изобра"

тора до и после гидролиза GTP, а основной зада"

жен как АMР∼PP. На первой стадии аминокис"

чей кандидатской диссертации [43] - сравнение

лота «активируется», то есть переходит в форму

конформаций альтернативных Na" и K"форм

высокоэнергетического производного - амино"

Na,K"ATPазы. Однако каких"либо различий во

ациладенилата (Аа∼АМР), который на второй

вторичной структуре белков, превышающих

стадии реагирует с тРНК. Таким образом,

ошибку измерений (2-3%), обнаружить не уда"

Аа∼АМР является высокоэнергетическим про"

лось и был сделан вывод, что, даже если измене"

межуточным продуктом для этих двух реакций.

ния внутренней структуры имеют место, они но"

Аналогичный подход (активация субстратов)

сят исключительно локальный характер [44, 45].

широко используется в органическом синтезе

Два факта - способность рибосомы работать

без гидролиза GTP и отсутствие крупных кон"

* Это была первая наша совместная публикация, несмотря

на то что с 1973 г. А.С. Спирин был моим научным руково"

формационных изменений в белках"NTPазах -

дителем, формулировал решаемые мной научные задачи и

заставили А.С. Спирина усомниться в справед"

обсуждал результаты; раньше он отказывался быть соавто"

ливости популярных представлений о принци"

ром в моих статьях, говоря, что его вклад недостаточно ве"

пах работы механохимических систем.

лик.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

1110

ЧЕТВЕРИН

(например, в синтезе олигонуклеотидов), но там

ями. Связывание факторов в нужном месте и в

нет белков"ферментов.

нужное время резко ограничивает число степе"

Если бы белок мог служить энергетическим

ней свободы - фиксирует транслирующую ри"

посредником, то с его помощью можно было бы

босому так, что перемещения происходят по вы"

осуществлять прямую реакцию конденсации

деленным траекториям. Это значительно увели"

аминокислоты и тРНК, сопрягая ее с гидроли"

чивает вероятность осуществления (а, следова"

зом ATP через фермент. Более того, гидролиз

тельно, скорость и помехоустойчивость) соответ"

ATP можно было бы использовать в качестве

ствующих стадий.

универсального источника энергии для любой

Но приведет ли такая фиксация к ускорению

эндергонической реакции. Однако такого спо"

всего процесса? Ответ на этот вопрос дали экс"

соба сопряжения биохимических реакций в

перименты с негидролизуемыми аналогами

природе не обнаружено. Поэтому мы сделали

GTP [37, 48]. Оказалось, что в присутствии

вывод, что и в циклически работающих механо"

GMP"P(CH₂)P или GMP"P(NH)P факторы

химических системах белок не может передавать

элонгации практически так же хорошо катали"

энергию гидролиза NTP в другой, сопряженный

зировали

кодон"зависимое

связывание

в пространстве и времени, процесс. Из этого

Аа"тРНК (EF"Tu) и транслокацию (EF"G), как в

вывода, в частности, следовало, что факторы

присутствии GTP, однако дальнейшие стадии

элонгации не могут служить моторами для ри"

цикла (пептидилтрансферазная реакция и свя"

босомы. В чем же тогда их функция?

зывание следующей Аа"тРНК соответственно)

не осуществлялись. Для продолжения цикла

комплекс фактора элонгации с негидролизуе"

ЭНЕРГОЗАВИСИМЫЙ КАТАЛИЗ

мым аналогом необходимо было отмыть от ри"

босомы (с помощью центрифугирования через

Факторы элонгации ускоряют синтез белка

сахарозную «подушку» [49] или пропускания бу"

на 1-2 порядка, то есть являются катализатора"

фера через колонку поли(U)"целлюлозы со свя"

ми. Считается, что ферменты ускоряют реак"

занными транслирующими рибосомами [50]).

ции, разбивая их на ряд элементарных стадий,

Таким образом, гидролиз GTP необходим, что"

каждая из которых имеет меньший активацион"

бы факторы ушли от рибосомы; иначе процесс

ный барьер, чем неферментативная реакция.

не сможет продолжаться.

Это можно обнаружить по уменьшению величи"

Важно отметить, что факторы задают траек"

ны энергии активации Аррениуса (Е_a), сравни"

торию перемещения массивных компонентов

вая температурные зависимости скоростей фер"

транслирующей рибосомы, но не направление

ментативной и неферментативной реакций.

этого движения [38, 39]. После того, как фактор

Оказалось, что если температурные зависи"

потерял связь с рибосомой, все могло бы вер"

мости фактор"зависимой и бесфакторной

нуться в исходное положение, если бы не про"

трансляции определять при повышенной кон"

изошло образования очередной пептидной свя"

центрации ионов Mg²⁺, когда скорость"лимити"

зи (и, следовательно, удлинения полипептид"

рующей стадией является транслокация, то зна"

ной цепи) или если бы произошло обращение

чения Е_a совпадают [47]. Этот результат под"

пептидилтрансферазной реакции. Таким обра"

твердил сделанный ранее вывод, что факторы

зом, не факторы элонгации и гидролиз GTP, а

элонгации не изменяют механизм работы рибо"

именно растущая пептидил"тРНК является тем

сомы, в частности механизм транслокации (не

самым храповиком (см. ниже), который позво"

разбивают ее на несколько стадий). Он также

ляет рибосоме работать за счет броуновского

указал на то, что ускорение процесса достигает"

движения. (Дополнительным источником энер"

ся через понижение энтропии системы (что не

гии для этого храповика может служить процесс

сказывается на температурной зависимости, то

сворачивания полипептидной цепи в белковую

есть величине Е_a); иными словами, факторы

глобулу, который, как предсказал А.С. Спирин,

элонгации осуществляют энтропийный катализ

происходит котрансляционно [51].)

[38, 39, 47].

По мысли А.С. Спирина, перемещения всех

массивных компонентов транслирующей рибо"

БРОУНОВСКИЙ (ТЕПЛОВОЙ) ХРАПОВИК

сомы (субчастиц, тРНК, матрицы) происходят

за счет энергии броуновского движения [37]. В

Идею молекулярной машины, приводимой в

отсутствие факторов элонгации они происходят

действие броуновским (тепловым) движением,

более или менее беспорядочно, так что продук"

А.С. Спирин опубликовал еще в 1978 г. [37]. В

тивные перемещения (по надлежащим траекто"

1982 г. было опубликовано подробное описание

риям) являются относительно редкими событи"

принципа действия такой машины на примере

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1111

работы рибосомы и сделан вывод, что на подоб"

И. Банга [63]*. Однако из того факта, что гидро"

ном же принципе должны работать все механо"

лиз ATP сопровождает работу мышц, еще не

химические системы, в том числе система мы"

следует, что он служит источником энергии для

шечного сокращения [38, 39]. Наконец, было

мышечного сокращения.

показано, что направленность процесса работы

Аналогия с мышечным сокращением позво"

рибосомы обеспечивается энергией синтеза

лила Ф. Липманну предположить, что осущест"

пептидной связи; не было лишь произнесено

вляемый фактором элонгации G гидролиз GTP

слово «храповик».

является источником энергии для транслокации

Однако эта идея осталась почти незамечен"

пептидил"тРНК и мРНК в рибосоме [32, 64].

ной, хотя А.С. Спирин неоднократно возвра"

Этот тезис казался настолько естественным и

щался к ней в последующих публикациях

самоочевидным, что никто и не подумал бы

[52-54]. Исследователи, занимающиеся меха"

сомневаться в его справедливости, если бы не

нохимическими системами, продолжали ве"

было обнаружено, что весь процесс синтеза бел"

рить, что работа таких систем основана на «си"

ка рибосомой, включая транслокацию, может

ловых ударах» (power strokes), питаемых энерги"

происходить в отсутствие гидролиза GTP. И, хо"

ей гидролиза ATP [55, 56]. Лишь к середине

тя мышечного сокращения в отсутствие ATP по"

1990"х гг. некоторые ученые начали осознавать,

ка никто не видел, та же аналогия позволяет по"

что такой способ превращения химической

дозревать, что не гидролиз ATP служит источни"

энергии в механическую невозможен: расчет

ком энергии для мышечного сокращения.

показывает, что суммарная мощность ударов,

Как обсуждалось выше, факторы элонгации

сыплющихся на молекулярную машину со всех

катализируют процесс, уже обеспеченный энер"

сторон в результате теплового (броуновского)

гией. Этот катализ является энергозависимым,

движения молекул растворителя, примерно в

так как заключается в циклической фиксации"

миллиард раз больше мощности, получаемой

дефиксации массивных объектов, перемещае"

той же машиной от гидролиза ATP [57]. Поэто"

мых под действием броуновского движения. По"

му, если силовые удары на молекулярном уровне

добная же циклическая фиксация"дефиксация

и происходят, то их осуществляет именно броу"

массивных объектов (миозиновых и актиновых

новское движение.

волокон) наблюдается и при сопряженном с

В качестве альтернативы была предложена

гидролизом ATP мышечном сокращении [55,

идея броуновского (теплового) храповика -

56]. Если биологические процессы следуют еди"

функционального аналога макроскопического

ной логике (а, по"видимому, именно этим сооб"

храповика (шестерни с асимметричными зубья"

ражением руководствовался Липманн, проводя

ми, снабженной препятствующей обратному

аналогию между работой мышц и рибосомы), то

вращению собачкой), который превращает не"

вероятно, что и в этом случае энергия гидролиза

упорядоченное тепловое движение в направлен"

NTP расходуется не на мышечное сокращение, а

ное движение молекулярной машины. Чтобы не

на его катализ. Источником же энергии для бро"

допустить нарушения второго закона термоди"

уновского храповика в случае мышечного сок"

намики, было постулировано, что броуновский

ращения мог бы быть, например, клеточный ме"

храповик питается энергией сопряженного хи"

таболизм в целом (в том числе и гидролиз ATP),

мического процесса [58-60]. По сути, это яви"

изменяющий состояние клеточной среды в нап"

лось повторением идеи А.С. Спирина, но лишь

равлении, делающем процесс сокращения энер"

в одной статье на эту тему [61] дается ссылка на

гетически выгодным [38, 39]**.

статью 1982 года [38].

После того, как термины «тепловой храпо"

Какой же процесс снабжает энергией броу"

вик» и «броуновский храповик» прижились и

новский храповик и, следовательно, является

стали популярными, Спирин опубликовал ряд

источником энергии, за счет которой молеку"

лярная машина производит полезную работу?

* Вероятно, это самая короткая в истории науки статья.

В частности, практически в каждой статье по

Она состоит лишь из двух фраз (мой перевод с английско"

мышечному сокращению содержится утверж"

го):

«Наши эксперименты подтверждают результаты

В.А. Энгельгардта и М.Н. Любимовой, согласно которым

дение, что источником энергии для него явля"

аденозинтрифосфатаза связана с миозином. Фермент ак"

ется гидролиз ATP, однако нигде не дается

тивируется Са; Са может быть замещен другими двух"

ссылка на работу, где бы это было неопровер"

валентными металлами».

жимо доказано. Анализ литературы привел к

** В этих статьях сказано: «Роль гидролиза АТР в мышеч"

ном сокращении... состоит, на наш взгляд, в снятии акти"

классической статье В.А. Энгельгардта и

вационных барьеров для сопряженного процесса... такая

М.Н. Любимовой, где было показано, что мио"

интерпретация позволяет рассматривать АТР в качестве

зин обладает ATPазной активностью [62]. Этот

регулятора мышечной активности и скорости мышечного

результат затем подтвердили А. Сент"Дьердьи и

сокращения и, следовательно, мощности мышцы».

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

1112

ЧЕТВЕРИН

статей с целью «перевести» свои идеи о меха"

ки. В клетках же прокариот, где транскрипция и

низме работы и энергетике рибосомы на новый

трансляция осуществляются в одном компарт"

язык, а также детализировать модель смыкания"

менте, эти процессы строго скоординированы

размыкания рибосомных субчастиц с учетом

[68]. Трансляция мРНК начинается в процессе

новых данных по структуре и функции рибосо"

ее синтеза, как только инициаторный кодон

мы; при этом суть осталась неизмен"

становится доступным для посадки рибосомы.

ной [2, 5, 27, 65, 66].

Время элонгационного цикла рибосомы, свя"

занного с перемещением мРНК на один кодон

(3 нуклеотида), ровно в 3 раза больше, чем вре"

РИБОСОМА И РНК-ПОЛИМЕРАЗА:

мя синтеза одной межнуклеотидной связи РНК"

ДВЕ МАШИНЫ В ОДНОЙ УПРЯЖКЕ

полимеразой; таким образом, РНК"полимераза

и рибосома читают свои матрицы с одинаковой

В номере журнала «Молекулярная биоло"

скоростью. Более того, замедление трансляции

гия», посвященном 80"летию Р.Б. Хесина"Лурье,

(например, под действием антибиотика или при

одного из пионеров исследования транскрип"

встрече с редкими кодонами) пропорционально

ции, Спирин опубликовал статью, где показал,

замедляет транскрипцию. В норме транслирую"

что работа ДНК"зависимой РНК"полимеразы

щая рибосома стимулирует транскрипцию, по"

может быть целиком основана на модели броу"

могая РНК"полимеразе избегать «отката» (обра"

новского храповика без привлечения каких"ли"

щения транслокации, в результате которого по"

бо силовых ударов. По Спирину, РНК"полиме"

лимераза откатывается назад, на уже прочитан"

раза построена и работает на тех же принципах,

ный участок ДНК"матрицы, а растущий конец

что и рибосома: она содержит несколько под"

мРНК, отожженный с ДНК"матрицей, высовы"

вижных структурных блоков, взаимная ориента"

вается из активного центра) [68]. Иными слова"

ция которых изменяется в течение элонгацион"

ми, подталкивая РНК"полимеразу сзади, рибо"

ного цикла за счет броуновского движения; этот

сома помогает той избегать пробуксовывания

цикл включает транслокацию (направленное пе"

храповика. Таким образом, рибосома и РНК"

ремещение матрицы и растущей цепи РНК) и

полимераза оказываются в одной упряжке и

наращивание полимера на одно звено (синтез

вместе «тащат воз» экспрессии генов, объеди"

очередной межнуклеотидной связи*) [67].

нив свои энергетические ресурсы.

В отличие от рибосомы, работа РНК"поли"

В конце статьи об энергетике РНК"полиме"

меразы не сопряжена с гидролизом какого"либо

разы Спирин написал: «В дальнейших публика"

NTP; поэтому здесь в принципе не стоит вопрос

циях я постараюсь показать, что те же принци"

о его вкладе в энергетику процесса, а также о

пы могут быть применены для описания движе"

том, что является храповиком: им может быть

ния и других молекулярных машин - рибосомы,

только синтезируемая цепь РНК, рост которой и

миозина, кинезина, динеина, трансмембранных

определяет направление всего процесса.

АТР"синтаз и бактериальных жгутиков - без

Почему же при работе рибосомы, в отличие

всяких «моторов», «роторов» и «статоров»» [67].

от РНК"полимеразы, тратится еще 2 молекулы

К сожалению, он успел сделать не все из запла"

GTP в каждом элонгационном цикле? Вероятно

нированного.

потому, что работа рибосомы связана с переме"

щением бóльших масс (помимо собственной

массы, которая у рибосомы на порядок больше,

ВНАЧАЛЕ БЫЛА РНК - 2

ей надо переместить дополнительно 2-3 моле"

кулы тРНК), а также потому, что ей надо за один

Если следовать хронологии Природы, то

цикл передвинуть матрицу на большее расстоя"

этот эпизод - о роли РНК в происхождении

ние (три нуклеотида вместо одного).

жизни - в данном сериале должен быть первым,

В отсутствие гидролиза GTP скорость транс"

так как его действие развивается задолго до воз"

ляции падает на 1-2 порядка [47], что, вероят"

никновения клеток, рибосом и других совре"

но, несовместимо с жизнедеятельностью клет"

менных молекулярных машин. Однако в жизни

Спирина он стал продолжением его увлечения

РНК, начавшегося почти на полвека раньше.

* Фактически на добавление одного звена и в полирибо"

нуклеотид (РНК"полимераза), и в полипептид (рибосома)

Какое внимание Спирин уделял этому вопросу,

расходуется энергия связи между α" и β"фосфатами NTP:

можно увидеть из того факта, что ему он посвя"

в первом случае - непосредственно при наращивании по"

тил почти половину своего доклада, сделанного

лимера, во втором - на стадии аминоацилирования тРНК.

15 мая 2002 г. на Общем собрании Российской

В обоих случаях сдвиг равновесия в сторону синтеза поли"

мера происходит благодаря гидролизу образующегося пи"

академии наук при награждении Большой золо"

рофосфата (PPi).

той медалью им. М.В. Ломоносова [69].

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1113

По"видимому, интерес к роли РНК в проис"

честве любую желаемую РНК. Для выполнения

хождении жизни Спирин унаследовал от своего

этого проекта Спирин в 1985 г. организовал в

учителя А.Н. Белозерского, который сказал на

Институте белка АН СССР группу (позже

Московском международном симпозиуме

трансформированную в лабораторию) биохи"

«Происхождение жизни на Земле» в августе

мии вирусных РНК, руководить которой он по"

1957 г.: «Создается впечатление, что РНК, свя"

ручил мне. Это стало полной неожиданностью

занная с наиболее общими проявлениями жиз"

для меня, до этого занимавшегося проблемами

недеятельности, сформировалась на более ран"

механохимического сопряжения и ионного

нем этапе развития жизни, в то время как воз"

транспорта [43]; тем самым Александр Сергее"

никновение ДНК связано с формированием бо"

вич ввел меня в мир РНК, передав эстафету, по"

лее узких и филогенетически более поздних

лученную от Белозерского.

свойств организмов» [70]. По мнению Спирина

Создание этого проекта было обязано еще

[71], это была первая публичная постановка

одному увлечению Спирина - крупномасштаб"

вопроса о древних формах жизни на основе

ному бесклеточному синтезу белков [82], для

РНК. Лишь десятилетие спустя Ф. Крик [72] и

которого требовались большие количества

Л. Оргел [73] опубликовали согласованные кон"

мРНК. Он надеялся, что их можно будет нараба"

цепции о первичности РНК при возникновении

тывать с помощью Qβ"репликазы (РНК"зависи"

жизни, а почти через 30 лет, после открытия ри"

мой РНК"полимеразы бактериофага Qβ), обла"

бозимов [74, 75], когда выяснилось, что молеку"

дающей непревзойденной способностью раз"

лы РНК могут выполнять практически все жиз"

множать РНК in vitro. Раньше использованию

ненно важные функции (генетические, струк"

Qβ"репликазы для этой цели препятствовала ее

турные и каталитические) без помощи ДНК и

крайне высокая избирательность (матричная

белков, У. Гилберт ввел термин «мир РНК» [76].

специфичность). Однако в 1985 г. казалось [83],

Наконец, в 2000 г. было показано, что пептидил"

что это проблему можно обойти с помощью ме"

трансферазный центр рибосомы целиком состо"

тода, изобретенного в Колумбийском универси"

ит из РНК и, следовательно, рибосома также яв"

тете учениками С. Спигельмана. Идея заключа"

ляется рибозимом [77]. Это отбросило послед"

лась в том, чтобы внедрить целевую РНК внутрь

ние сомнения в том, что «всемогущие» РНК [69,

молекулы эффективной природной матрицы

78] появились раньше белков и, по"видимому,

Qβ"репликазы [84]. И хотя определенный успех

подогрело интерес Спирина к проблеме проис"

в этом направлении был достигнут при работе

хождения жизни.

по проекту [85, 86], его главный результат зак"

Первую статью на эту тему Спирин опубли"

лючался в ином.

ковал в год своего 70"летия [79]. Хотя к тому

времени идея мира РНК стала общепринятой,

оставалось неясным, как этот мир возник. Был

ЗАГАДКА БЕЗМАТРИЧНОГО СИНТЕЗА РНК

продемонстрирован спонтанный синтез олиго"

нуклеотидов из активированных рибонуклеоти"

Как фермент, эффективно синтезирующий

дов [80]. Было предложено несколько вариантов

РНК на РНК"матрице, Qβ"репликаза давно

абиогенного происхождения мономерных нук"

привлекала внимание исследователей, увлечен"

леотидов, в том числе синтез при грозовых раз"

ных происхождением жизни. В 1975 г. сотрудни"

рядах в восстанавливающей (бескислородной)

ками М. Айгена была опубликована сенсацион"

атмосфере, занос из космоса с метеоритами, а

ная статья, сообщившая о невероятно высокой

также синтез в глубоководных гидротермальных

скорости эволюции РНК в пробирке. Как было

источниках - «черных курильщиках» [81]. Од"

заявлено, в реакционной смеси, куда добавляли

нако оставалась незаполненной большая логи"

лишь чистые NTP и чистую Qβ"репликазу, в

ческая брешь: как короткие неупорядоченные

пределах часа накапливалось большое количе"

олигонуклеотиды эволюционировали в молеку"

ство РНК размером около 200 нуклеотидов (нт).

лы РНК, обладающие уникальной простран"

Авторы сделали вывод, что эта РНК синтезиро"

ственной структурой, разнообразными катали"

вана de novo: сначала Qβ"репликаза синтезиро"

тическими функциями и способностью к вос"

вала без матрицы разнообразные случайные по"

произведению?

лирибонуклеотиды, которые в той же пробирке

В поисках ответа на этот вопрос Спирин об"

в пределах часа эволюционировали в ее эффек"

ратил внимание на результаты, полученные при

тивную матрицу [87].

работе по проекту создания бесклеточной систе"

Этот вывод мог осчастливить тех, кто был

мы репликации РНК, целью которого была раз"

озадачен проблемой происхождения жизни, так

работка универсального метода, позволяющего

как он сразу снимал проблему «геологического

получать практически в неограниченном коли"

парадокса», гласящего, что для появления,

2 БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

1114

ЧЕТВЕРИН

размножения и эволюции мира РНК в геологи"

молекулярных колоний, а также ранее сформу"

ческой истории Земли отводилось не более

лированные принципы работы молекулярных

100 млн лет [88]. Из этого вывода следовало, что

машин составили основу Спиринской концеп"

достаточно в первичном бульоне возникнуть

ции возникновения и эволюции мира РНК.

РНК"репликазе, как вся остальная эволюция

произошла бы практически мгновенно. Однако

в таком случае сводились бы почти к нулю шан"

ВОЗНИКНОВЕНИЕ

сы на успех в достижении цели, поставленной

И ЭВОЛЮЦИЯ МИРА РНК

перед нами Спириным, так как вместо заданных

РНК Qβ"репликаза синтезировала бы те эффек"

Неэнзиматический синтез РНК. По мнению

тивные матрицы, которые возникли de novo.

Спирина, обнаруженные нами спонтанные ре"

Синтез РНК в отсутствие добавленной мат"

комбинации могли бы стать решением пробле"

рицы мы увидели в первом же эксперименте с

мы синтеза достаточно длинных РНК. Он пред"

Qβ"репликазой. Однако нуклеотидная последо"

положил, что абиогенно синтезируемые олиго"

вательность основного продукта синтеза пока"

рибонуклеотиды активно рекомбинировали

зала, что он никак не мог возникнуть de novo:

посредством механизма спонтанной неэнзима"

80 нт из его общей длины в 120 нт совпали с

тической трансэстерификации, приводя к обра"

фрагментом гена белка оболочки фага Qβ, а

зованию удлиненных цепей РНК и давая начало

33 нт - с фрагментом аспартиловой тРНК

их многообразию. Именно этим путем в популя"

Escherichia coli. Отсюда следовало, что данный

ции олигонуклеотидов и полинуклеотидов мог"

продукт был синтезирован на матрице, образо"

ли появиться как каталитически активные виды

вавшейся в результате рекомбинации этих двух

РНК (рибозимы), так и другие виды РНК со

РНК [89].

специализированными функциями. Более того,

Выяснить источник РНК"матриц в реакци"

неэнзиматическая рекомбинация олигонуклео"

онной смеси удалось с помощью изобретенного

тидов, рядом отожженных с полинуклеотидной

нами метода молекулярных колоний. Оказа"

матрицей, могла обеспечить сшивание (сплай"

лось, что если Qβ"репликазную реакцию прово"

синг) фрагментов, комплементарных этой мат"

дить не в жидкости, а в агарозном геле, то обра"

рице, в единую цепь. Именно таким способом, а

зуются дискретные колонии РНК, содержащие

не катализируемой полимеризацией мононук"

по 10¹⁰-10¹¹ копий родительской молекулы и

леотидов, могло осуществляться первичное ко"

обнаруживаемые при окрашивании геля бро"

пирование (размножение) РНК [79]. К этому

мистым этидием. Число колоний возрастало,

можно добавить, что, в отличие от полимериза"

если гель держали открытым до начала реакции

ции мономерных нуклеотидов, спонтанные ре"

или если эксперимент проводили в комнате, где

комбинации олигонуклеотидов не требуют их

уже работали с реплицирующимися РНК. От"

предварительной активации [93].

сюда следовало, что РНК"матрицы попадают в

И далее: «Появление достаточно длинных

реакционную смесь из воздуха [90, 91].

полирибонуклеотидов и генерация вариантов за

С помощью того же метода удалось просле"

счет спонтанных цис" и транс"перестроек долж"

дить процесс рекомбинации РНК. С этой целью

ны были привести к случайному появлению ри"

в гель добавляли смесь фрагментов реплицируе"

бозимов, и критическим этапом должно было

мой РНК, не способных к размножению

стать возникновение в популяции РНК"рибози"

Qβ"репликазой. Образование реплицируемых

ма, катализирующего процесс комплементар"

молекул в результате рекомбинации фрагментов

ной репликации РНК... С появлением таких ри"

приводило к появлению колоний РНК [92].

бозимов - хотя бы одной молекулы на популя"

Оказалось, что реплицируемые РНК появляют"

цию молекул РНК в каком"то небольшом водо"

ся, даже если смесь фрагментов инкубируют без

еме - мир РНК обрел свою сущность как само"

Qβ"репликазы или какого"либо иного белка -

сохраняющаяся и развивающаяся материя на

единственным требованием является присут"

древней Земле» [71].

ствие ионов Mg²⁺ - и что рекомбинация проис"

Однако на этом этапе еще не могло быть био"

ходит путем перетрансэстерификации межнук"

логической эволюции. Такой рибозим «одина"

леотидных связей [93, 94]. Тем самым была про"

ково хорошо должен был амплифицировать как

демонстрирована возможность спонтанного

редкие молекулы РНК, обладающие какими"

объединения коротких РНК в более длинные

либо полезными для популяции свойствами...,

молекулы.

так и основную массу неактивных, балластных

Обнаружение способности РНК к самопро"

молекул РНК. Чтобы естественный отбор начал

извольным перестройкам первичной структуры,

работать, необходима была какая"то форма

изобретение способа размножения РНК в виде

компартментализации, обособления отдельных

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1115

ансамблей РНК, в которых рибозимы и их про"

ство самых густонаселенных колоний начинало

дукты удерживались бы вместе. Только тогда ес"

доминировать в популяции. В то же время об"

тественный отбор мог отличить те РНК, чей

воднение создавало условия для «скрещивания»

продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функ"

колоний. Наряду с внутри" и межмолекулярны"

ционально лучше дополняют друг друга» [71].

ми рекомбинациями молекул и ошибками реп"

Молекулярные колонии как доклеточная фор-

ликации это приводило, при очередном высы"

ма компартментализации. Согласно Спирину

хании лужи, к появлению колоний РНК с новы"

[95], идея «выделения из окружения» как усло"

ми свойствами. Повторение циклов высыха"

вия эволюции макромолекул была впервые

ния/обводнения приводило не только к размно"

сформулирована А.И. Опариным [96]*. Однако

жению молекул РНК, но и к их лучшей адапта"

предложенный Опариным способ компартмен"

ции к условиям существования, то есть к воз"

тализации в виде коацерватных капель не мог

никновению механизма естественного отбора.

быть реализован в мире РНК ввиду отсутствия

Колонии РНК могли распространяться на

полипептидов, полисахаридов и иных способ"

большие расстояния как сцепленные ансамбли

ных к коацервации полимеров [69]. Также не

в кусочках глины потоками воды (в виде суспен"

подходила компартментализация с помощью

зии глины) или ветром (в виде сухих частиц).

липидной оболочки (мембраны), так как еще не

Такие колонии РНК удовлетворяют всем

было ни липидов, ни систем трансмембранного

требованиям к «универсальному предшествен"

транспорта для обмена веществ с внешней сре"

нику» живых существ на Земле, сформулиро"

дой.

ванным К. Вузом [99]: высокий уровень мута"

В этих условиях, по мнению Спирина, са"

ций из"за несовершенства механизмов реплика"

мым естественным способом компартментали"

ции генетического материала, свободный обмен

зации могли быть молекулярные колонии, обра"

генетическим материалом между прогенотами

зующиеся при размножении РНК на поверхнос"

(предшественниками клеток) и коммунальный

ти влажной глины после подсыхания лужи типа

способ бытия этих предшественников - когда

Дарвиновского пруда, населенной молекулами

любые продукты и инновации одних становятся

РНК и содержащей активированные нуклеоти"

достоянием всех [69, 71, 95, 98].

ды или их предшественники. Такой способ «врé'

Возникновение молекулярных машин. По

менной» компартментализации создавал усло"

мнению Спирина, эволюция мира РНК с неиз"

вия, с одной стороны, для действия естествен"

бежностью вела к возникновению молекуляр"

ного отбора, с другой - для эволюции всей по"

ных машин. Потребность в таких машинах ост"

пуляции лужи путем систематического обога"

ро возникала при репликации РНК, продуктом

щения удачными вариантами РНК, подобно

которой был дуплекс - двойная спираль, обра"

технологии SELEX [97] (Systematic Evolution of

зуемая комплементарными цепями РНК. С од"

Ligands by EXponential enrichment; системати"

ной стороны, в таком виде РНК гораздо меньше

ческая эволюция лигандов путем экспоненци"

подвержена гидролизу, чем в одноцепочечном

ального обогащения).

состоянии, и это обеспечивало ее лучшую сох"

Возможен был следующий сценарий [71, 95,

ранность. С другой стороны, дуплекс не мог

98]. Если при высыхании лужи в каком"то месте

служить матрицей: для репликации его необхо"

оказывались молекулы реплицирующего рибо"

димо расплетать на составные комплементар"

зима и нескольких других видов РНК, обеспе"

ные цепи [100].

чивающих связывание необходимых веществ и

Подобно ПЦР (полимеразной цепной реак"

катализ необходимых реакций, то здесь вырас"

ции), репликация РНК могла бы осуществлять"

тала смешанная колония РНК. Колонии с наи"

ся благодаря циклическим изменениям темпе"

более активными и лучше всего дополняющими

ратуры: расплавление дуплекса происходило бы

друг друга вариантами молекул РНК росли

при повышении температуры, а копирование

быстрее других. При новом обводнении лужи,

цепей - при ее понижении. Вероятно, необхо"

приводящем к растворению колоний, потом"

димые экстремальные значения дневной и ноч"

ной температуры могли бы достигаться в то вре"

мя в каком"то районе Земли, однако реплика"

* В частности, Опарин писал: «Момент выпадения геля,

ция происходила бы с очень низкой скоростью:

момент образования первородного студня является крайне

важным этапом в процессе самозарождения жизни. В этот

всего один цикл в сутки. Возможно, так и было

момент… совершился переход органического соединения в

на заре мира РНК, но дальнейшее развитие тре"

организованное тело... это тело стало в то же время инди"

бовало ускорения процесса.

видуумом… противопоставило себя окружающей его

Дуплекс расплетается при повышении тем"

внешней среде». И далее: «Расти, развиваться могли толь"

ко наиболее сильные и совершенные, все остальные или

пературы благодаря увеличению суммарной

останавливались в своем развитии, или погибали».

мощности ударов по нему молекул растворителя

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

1116

ЧЕТВЕРИН

(броуновского движения). Однако увеличения

короткие пептиды. Такая машина уже могла

суммарной мощности ударов по мишени можно

транслировать нуклеотидную последователь"

достичь не только путем повышения температу"

ность про"мРНК в аминокислотную последова"

ры, но и путем увеличения размера мишени.

тельность полипептидных цепей, что обеспечи"

По"видимому, в этом и заключается принцип

ло переход жизни на новую ступень разви"

действия молекулярных машин: они «ловят»

тия [79].

броуновское движение как парус ловит ветер и

Где бы ни происходили описанные собы"

«делятся» им со связанным объектом; в данном

тия - на Земле, на других космических телах

случае - с участком дуплекса, который надо

или в ядрах комет - для возникновения комму"

расплести.

нального мира РНК должны были быть обеспе"

Вероятно, по мере увеличения размера реп"

чены следующие условия: (1) наличие жидкой

лицирующего рибозима и повышения специ"

воды и РНК"адсорбирующих поверхностей;

фичности его взаимодействий с РНК он приоб"

(2) осуществление циклов подсушивания и ув"

ретал способность использовать броуновское

лажнения (или затопления), нагревания и ох"

движение для локального расплетания дуплекса

лаждения, замораживания и оттаивания; (3) за"

при все более низкой температуре, пока, нако"

щита от космического излучения [88, 95].

нец, не начал осуществлять репликацию РНК в

В завершение своего Ломоносовского докла"

изотермических условиях. Иными словами,

да Спирин сказал: «Что же стало с миром РНК

реплицирующий рибозим стал молекулярной

после распада коммуны? Хотя коммуна распа"

машиной, способной направленно перемещать"

лась, мир РНК сохранился в каждой клетке каж"

ся вдоль дуплекса и синтезировать РНК, комп"

дого живого организма. Основой современной

лементарную матричной цепи дуплекса, за счет

жизни является наследуемый биосинтез белков,

энергии броуновского движения. Как и в случае

который определяет все признаки ныне сущест"

современной РНК"полимеразы, храповиком,

вующих живых организмов. В качестве цент"

обеспечивающим направленность («ректифика"

рального звена этого процесса биосинтеза бел"

цию») процесса, служила синтезируемая цепь

ков выступает совокупность взаимодействую"

РНК.

щих друг с другом молекул РНК различных ти"

Другая

возможность,

рассмотренная

пов, прежде всего рибосомной РНК, формиру"

А.С. Спириным, заключается в кооперировании

ющей аппарат белкового синтеза, тРНК, достав"

реплицирующего рибозима (элонгазы) с рибо"

ляющей в рибосому активированные аминокис"

зимом"хеликазой, способным локально распле"

лоты для построения полипептидных цепей

тать дуплекс при связывании с ним в комплексе

белков, и мРНК, несущей в своей нуклеотидной

с расщепляемым лигандом типа NTP и покидать

последовательности программу для синтеза бел"

расплетенный участок после расщепления ли"

ка... Можно сказать, что совокупность молекул

ганда, освобождая место для идущей следом

РНК - мир РНК - по"прежнему составляет яд"

элонгазы [100].

ро жизни» [69].

Очевидно, что потенциал идей Спирина еще

далеко не исчерпан и, безусловно, они и дальше

КРУГ ЗАМКНУЛСЯ

будут играть важную роль в развитии молеку"

лярной биологии и смежных областей науки.

Дальнейшее развитие мира РНК привело к

появлению еще одной молекулярной машины,

Финансирование. Работа не была финанси"

состоящей из прорибосомной РНК, обладавшей

рована какими"либо фондами или проектами.

пептидилтрансферазной активностью, и еще

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсут"

одной прорибосомной РНК, способной взаимо"

ствии конфликта интересов.

действовать как с первой прорибосомной РНК,

Соблюдение этических норм. Настоящая

так и с про"мРНК, а также с набором про"тРНК,

статья не содержит описания каких"либо иссле"

специфически связывающих аминокислоты или

дований с участием людей в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Спирин А. С., Белозерский А. Н., Шугаева Н. В., Ва"

Watson, J. D., and Crick, F. H. (1953) Molecular structure

нюшин Б. Ф. (1957) Изучение видовой специфичности

of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid,

нуклеиновых кислот у бактерий, Биохимия, 22, 744"754.

Nature, 171, 737"738, doi: 10.1038/171737a0.

Финкельштейн А. В., Разин С. В., Спирин А. С. (2018)

Watson, J. D., and Crick, F. H. (1953) Genetical implica"

Межсубъединичная подвижность рибосомы, Молекуляр.

tions of the structure of deoxyribonucleic acid, Nature,

биология, 52, 921"934, doi: 10.1134/S0026898418060083.

171, 964"967, doi: 10.1038/171964b0.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1117

Spirin, A. S. (2009) The ribosome as a conveying thermal

26.

Спирин А. С. (2019) Молекулярная биология. Рибосомы

ratchet machine, J. Biol. Chem., 284, 21103"21119,

и биосинтез белка, Лаборатория знаний, Москва.

doi: 10.1074/jbc.X109.001552.

27.

Spirin, A. S., and Finkelstein A. V. (2011) The ribosome as

Газета «Московский университет», 2 сентября 1954 г.,

a Brownian ratchet machine, in Molecular Machines in

URL: http://letopis.msu.ru/content/letopis"biologicheskogo"

Biology (Frank, J., ed.) Cambridge Univ. Press,

fakulteta.

Cambridge, pp. 158"190.

Спирин А. С. (2007) Ab ovo usque ad mala, Биохимия,

28.

Bretscher, M. S. (1968) Translocation in protein synthesis:

72, 1573"1575, doi: 10.1134/s0006297907120012.

A hybrid structure model, Nature,

218,

675"677,

Crick, F. H. (1958) On protein synthesis, Symp. Soc. Exp.

doi: 10.1038/218675a0.

Biol., 12, 138"163.

29.

Spirin, A. S. (1968) How does the ribosome work? A

Roberts, R. B. (1958) Introduction, in Microsomal Particles

hypothesis based on the two subunit construction of the

and Protein Synthesis (Roberts, R. B., ed.) Pergamon Press,

ribosome, Curr. Mod. Biol., 2, 115"127, doi: 10.1016/0303"

N. Y., pp. vii"viii.

2647(68)90017"8.

10.

Belozersky, A. N., and Spirin, A. S. (1958) A correlation

30.

Spirin, A. S. (1969) A model of the functioning ribosome:

between the compositions of deoxyribonucleic and ribonu"

locking and unlocking of the ribosome subparticles, Cold

cleic acids, Nature, 182, 111"112, doi: 10.1038/182111a0.

Spring Harbor Symp. Quant. Biol.,

34,

197"207,

11.

Crick, F. H. (1959) The present position of the coding

doi: 10.1101/SQB. 1969.034.01.026.

problem, Brookhaven Symp. Biol., 12, 35"39.

31.

Спирин А. С. (1986). Молекулярная биология. Структу'

12.

Jacob, F., and Monod, J. (1961) Genetic regulatory mech"

ра рибосомы и биосинтез белка, Высшая школа, Москва.

anisms in the synthesis of proteins, J. Mol. Biol., 3, 318"

32.

Nishizuka, Y., and Lipmann, F. (1966) The interrelation"

356, doi: 10.1016/s0022"2836(61)80072"7.

ship between guanosine triphosphatase and amino acid

13.

Спирин А. С. (1957) Изучение видовой специфичности

polymerization, Arch. Biochem. Biophys., 116, 344"351,

нуклеиновых кислот у бактерий. Дис. канд. биол. наук,

doi: 10.1016/0003"9861(66)90040"3.

Институт биохимии им. А.Н. Баха АН СССР, Москва.

33.

Pestka, S. (1968) Studies on the formation of transfer

14.

Спирин А. С. (1962) Макромолекулярная структура

ribonucleic acid-ribosome complexes. III. The formation

высокомолекулярных рибонуклеиновых кислот. Дис.

of peptide bonds by ribosomes in the absence of super"

докт. биол. наук, Институт биохимии им. А.Н. Баха

natant enzymes, J. Biol. Chem.,

243,

2810"2820,

АН СССР, Москва.

doi: 10.1016/S0021"9258(18)93445"9.

15.

Гаврилова Л. П., Спирин А. С. (1959) Инфекционная

34.

Pestka, S. (1969) Studies on the formation of transfer

рибонуклеиновая кислота вируса табачной мозаики и

ribonucleic acid"ribosome complexes. VI. Oligopeptide

ее поведение в процессе потери инфекционности,

synthesis and translocation on ribosomes in the presence

Биохимия, 24, 503"513.

and absence of soluble transfer factors, J. Biol. Chem., 244,

16.

Гаврилова Л. П., Спирин А. С., Белозерский А. Н.

1533"1539, doi: 10.1016/S0021"9258(18)91792"8.

(1959) Действие температуры на состояние макромо"

35.

Gavrilova, L. P., and Spirin, A. S. (1971) Stimulation of

лекул вирусной рибонуклеиновой кислоты в растворе,

“non"enzymic” translocation in ribosomes by p"

Докл. АН СССР, 126, 1121"1124.

chloromercuribenzoate, FEBS Lett.,

17,

324"326,

17.

Hall, B. D., and Doty, P. (1959) The preparation and phys"

doi: 10.1016/0014"5793(71)80177"1.

ical chemical properties of ribonucleic acid from microso"

36.

Гаврилова Л. П., Спирин А. С. (1972) Изучение меха"

mal particles, J. Mol. Biol., 1, 111"126, doi: 10.1016/

низма транслокации в рибосомах. II. Активация спон"

S0022"2836(59)80040"1.

танной («неэнзиматической») транслокации в рибо"

18.

Спирин А. С., Мильман Л. С. (1960) Действие темпе"

сомах Escherichia coli парахлормеркурибензоатом, Мо'

ратуры на состояние макромолекул высокополимер"

лекуляр. биология, 6, 311"319.

ной рибонуклеиновой кислоты из животных тканей,

37.

Spirin, A. S. (1978) Energetics of the ribosome, Prog.

Докл. AH CCCP, 134, 717"720.

Nucleic Acid Res. Mol. Biol., 21, 39"62, doi: 10.1016/

19.

Шакулов Р. С., Айтхожин М. А., Спирин А. С. (1962)

s0079"6603(08)60266"4.

О скрытой деградации рибосом, Биохимия, 27, 744"751.

38.

Chetverin, A. B., and Spirin, A. S. (1982) Bioenergetics

20.

Kisselev, N. A., Gavrilova, L. P., and Spirin, A. S. (1961) On

and protein synthesis, Biochim. Biophys. Acta, 683, 153"

configurations of high"polymer ribonucleic acid macro"

179, doi: 10.1016/0304"4173(82)90009"x.

molecules as revealed by electron microscopy, J. Mol. Biol.,

39.

Четверин А. Б., Спирин А. С. (1983) Биоэнергетика и

3, 778"783, doi: 10.1016/s0022"2836(61)80083"1.

синтез белка, Успехи биол. химии, 24, 3"39.

21.

Спирин А. С., Гаврилова Л. П., Бреслер С. Е., Мосе"

40.

Astbury, W. T., and Bell, F. O. (1941) Nature of the

вицкий М. И. (1959) Исследование макромолекуляр"

intramolecular fold in alpha"keratin and alpha"myosin,

ных структур инфекционной рибонуклеиновой кис"

Nature, 147, 696"699, doi: 10.1038/147696a0.

лоты вируса табачной мозаики, Биохимия, 24, 938"947.

41.

Pauling, L., and Corey, R. B. (1951) The structure of hair,

22.

Богданова Е. С., Гаврилова Л. П., Дворкин Г. А., Кисе"

muscle, and related proteins, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

лев Н. А., Спирин А. С. (1962) Исследования макро"

37, 261"271, doi: 10.1073/pnas.37.5.261.

молекулярной структуры высокополимерной (рибо"

42.

Четверин А. Б. (1975) Выделение и очистка белковых

сомальной) рибонуклеиновой кислоты из Escherichia

факторов элонгации EF'Tu и EF'G и изучение некото'

coli, Биохимия, 27, 387"402.

рых их свойств. Дипломная работа, МГУ, Москва.

23.

Spirin, A. S. (1960) On macromolecular structure of native

43.

Четверин А. Б. (1985) Структурные основы функциони'

high"polymer ribonucleic acid in solution, J. Mol. Biol., 2,

рования Na,K'зависимой аденозинтрифосфатазы.

436"446, doi: 10.1016/S0022"2836(60)80054"X.

Дисс. канд. биол. наук, Институт белка АН СССР, Пу"

24.

Спирин А. С., Киселев Н. А., Шакулов Р. С., Богданов А. А.

щино.

(1963) Изучение структуры рибосом: обратимое раз"

44.

Chetverin, A. B., Venyaminov, S. Y., Emelyanenko, V. I.,

ворачивание рибосомных частиц в рибонуклеопроте"

and Burstein, E. A. (1980) Lack of gross protein structure

идные тяжи и модель укладки, Биохимия, 28, 920"930.

changes in the working cycle of (Na⁺, K⁺)"dependent

25.

Спирин А. С. (1968) О механизме работы рибосомы.

adenosinetriphosphatase. Evidence from infrared and

Гипотеза смыкания"размыкания субчастиц, Докл.

intrinsic fluorescence spectroscopy data, Eur. J. Biochem.,

АН СССР, 179, 1467"1470.

108, 149"156, doi: 10.1111/j.1432"1033.1980.tb04706.x.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

1118

ЧЕТВЕРИН

45.

Chetverin, A. B., and Brazhnikov, E. V. (1985) Do sodium

65.

Spirin, A. S. (2002) Ribosome as a molecular machine,

and potassium forms of Na,K"ATPase differ in their sec"

FEBS Lett., 514, 2"10, doi: 10.1016/s0014"5793(02)02309"8.

ondary structure? J. Biol. Chem.,

260,

7817"7819,

66.

Spirin, A. S. (2004) The ribosome as an RNA"based mole"

doi: 10.1016/S0021"9258(17)39524"8.

cular machine, RNA Biol., 1, 3"9, doi: 10.4161/rna.1.1.889.

46.

Ленинджер А. Л. (1976) Биохимия, Мир, Москва.

67.

Спирин А .С. (2002) РНК"полимераза как молекуляр"

47.

Кахниашвили Д. Г., Спирин А. С. (1977) Зависимость

ная машина, Молекуляр. биология, 36, 208"215.

бесфакторных и фактор"промотируемых систем

68.

Proshkin, S., Rahmouni, A. R., Mironov, A., and

трансляции от температуры. Отсутствие влияния фак"

Nudler, E. (2010) Cooperation between translating ribo"

торов элонгации и ГТФ на энергию активации, Докл.

somes and RNA polymerase in transcription elongation,

АН СССР, 234, 958"963.

Science, 328, 504"508, doi: 10.1126/science.1184939.

48.

Kaziro, Y. (1978) The role of guanosine 5′"triphosphate in

69.

Спирин А. С. (2003) Рибонуклеиновые кислоты как

polypeptide chain elongation, Biochim. Biophys. Acta, 505,

центральное звено живой материи, Вестник РАН, 73,

95"127, doi: 10.1016/0304"4173(78)90009"5.

117"127.

49.

Yokosawa, H., Kawakita, M., Arai, K., Inoue"

70.

Белозерский А. Н. (1959) О видовой специфичности

Yokosawa, N., and Kaziro, Y. (1975) Binding of aminoa"

нуклеиновых кислот у бактерий. Труды Первого между"

cyl"tRNA to ribosomes promoted by elongation factor Tu.

народного симпозиума о возникновении жизни на

Studies on the role of GTP hydrolysis, J. Biochem., 77,

Земле, Москва, 19"24 августа 1957 г., с. 198"205.

719"728, doi: 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a130775.

71.

Спирин А. С. (2005) Мир РНК и его эволюция, Моле'

50.

Belitsina, N. V., Glukhova, M. A., and Spirin, A. S. (1975)

куляр. биология, 39, 550"556.

Translocation in ribosomes by attachment"detachment of

72.

Crick, F. H. (1968) The origin of the genetic code, J. Mol.

elongation factor G without GTP cleavage: evidence from

Biol., 38, 367"379, doi: 10.1016/0022"2836(68)90392"6.

a column"bound ribosome system, FEBS Lett., 54, 35"38,

73.

Orgel, L. E. (1968) Evolution of the genetic apparatus,

doi: 10.1016/0014"5793(75)81062"3.

J. Mol. Biol.,

38,

381"393, doi:

10.1016/0022"

51.

Спирин А. С. (1984) Котрансляционное сворачива"

2836(68)90393"8.

ние, компартментализация и модификация белка,

74.

Kruger, K., Grabowski, P. J., Zaug, A. J., Sands, J.,

Молекуляр. биология, 18, 1445"1460.

Gottschling, D. E., and Cech, T. R. (1982) Self"splicing

52.

Spirin, A. S. (1985) Ribosomal translocation: facts and

RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal

models, Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol., 32, 75"114,

RNA intervening sequence of Tetrahymena, Cell, 31, 147"

doi: 10.1016/s0079"6603(08)60346"3.

157, doi: 10.1016/0092"8674(82)90414"7.

53.

Spirin, A. (1987) Structural dynamic aspects of protein

75.

Guerrier"Takada, C., Gardiner, K., Marsh, T., Pace, N.,

synthesis on ribosomes, Biochimie,

69,

949"956,

and Altman, S. (1983) The RNA moiety of ribonuclease P

doi: 10.1016/0300"9084(87)90228"8.

is the catalytic subunit of the enzyme, Cell, 35, 849"857,

54.

Spirin, A. S. (1988) Energetics and dynamics of the pro"

doi: 10.1016/0092"8674(83)90117"4.

tein"synthesizing machinery, in The Roots of Modern Bio'

76.

Gilbert, W. (1986) Origin of life: the RNA world, Nature,

chemistry. Fritz Lippmann’s Squiggle and its Consequences

319, 618, doi: 10.1038/319618a0.

(Kleinkauf, H., von Döhren, H., and Jaenicke, L., eds.)

77.

Nissen, P., Hansen, J., Ban, N., Moore, P. B., and Steitz,

Walter de Gruyter and Co., Berlin, pp. 511"533.

T. A. (2000) The structural basis of ribosome activity in

55.

Eisenberg, E., and Hill, T. L. (1985) Muscle contraction

peptide bond synthesis, Science,

289,

920"930,

and free energy transduction in biological systems, Science,

doi: 10.1126/science.289.5481.920.

227, 999"1006, doi: 10.1126/science.3156404.

78.

Spirin, A. S. (2002) Omnipotent RNA, FEBS Lett., 530, 4"

56.

Cooke, R. (1986) The mechanism of muscle contraction,

8, doi: 10.1016/s0014"5793(02)03434"8.

CRC Crit. Rev. Biochem., 21, 53"118, doi: 10.3109/

79.

Спирин А. С. (2001) Биосинтез белков, мир РНК и

10409238609113609.

происхождение жизни, Вестник РАН, 71, 320"328.

57.

Astumian, R. D., and Hänggi, P. (2002) Brownian motors,

80.

Ferris, J. P., and Ertem, G. (1992) Oligomerization of

Phys. Today, 55, 33"39, doi: 10.1063/1.1535005.

ribonucleotides on montmorillonite: reaction of the 5′"

58.

Cordova, N. J., Ermentrout, B., and Oster, G. F. (1992)

phosphorimidazolide of adenosine, Science, 257, 1387"

Dynamics of single"motor molecules: the thermal ratchet

1389, doi: 10.1126/science.1529338.

model, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

89,

339"343,

81.

Orgel, L. E. (1998) The origin of life - a review of facts and

doi: 10.1073/pnas.89.1.339.

speculations, Trends Biochem. Sci.,

23,

491-495,

59.

Magnasco, M. O. (1993) Forced thermal ratchets, Phys.

doi: 10.1016/s0968"0004(98)01300"0.

Rev. Lett., 71, 1477"1481, doi: 10.1103/PhysRevLett.71.

82.

Spirin, A. S., Baranov, V. I., Ryabova, L. A., Ovodov, S. Y.,

1477.

and Alakhov, Y. B. (1988) A continuous cell"free transla"

60.

Hänggi, P., and Bartussek, R. (1996) Brownian rectifiers:

tion system capable of producing polypeptides in high

how to convert Brownian motion into directed transport,

yield, Science, 242, 1162"1164, doi: 10.1126/science.

Lecture Notes Physics, 476, 294"308, doi: 10.1007/

3055301.

BFb0105447.

83.

Lewin, R. (1983) The birth of recombinant RNA technol"

61.

Chowdhury, D. (2013) Stochastic mechano"chemical

ogy, Science, 222, 1313"1315, doi: 10.1126/science.

kinetics of molecular motors: a multidisciplinary enterprise

6197753.

from a physicist’s perspective, Physics Rep., 529, 1"197,

84.

Miele, E. A., Mills, D. R., and Kramer, F. R. (1983)

doi: 10.1016/j.physrep.2013.03.005.

Autocatalytic replication of a recombinant RNA, J. Mol.

62.

Engelhardt, W. A., and Ljubimowa, M. N. (1939) Myosine

Biol., 171, 281"295, doi: 10.1016/0022"2836(83)90094"3.

and adenosinetriphosphatase, Nature, 144, 668"669,

85.

Morozov, I. Yu., Ugarov, V. I., Chetverin, A. B., and Spirin,

doi: 10.1038/144668b0.

A. S. (1993) Synergism in replication and translation of

63.

Szent"Györgyi, A., and Banga, I. (1941) Adenosinetri"

messenger RNA in a cell"free system, Proc. Natl. Acad. Sci.

phosphatase, Science, 93, 158, doi: 10.1126/science.

USA, 90, 9325"9329, doi: 10.1073/pnas.90.20.9325.

93.2407.158.

86.

Chetverin, A. B., and Spirin, A. S. (1995) Replicable RNA

64.

Lipmann, F. (1969) Polypeptide chain elongation in protein

vectors: Prospects for cell"free gene amplification, expres"

biosynthesis, Science, 164, 1024"1031, doi: 10.1126/

sion and cloning, Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol., 51,

science.164.3883.1024.

225"270, doi: 10.1016/s0079"6603(08)60880"6.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

1119

87.

Sumper, M., and Luce, R. (1975) Evidence for de novo pro"

93. Chetverina, H. V., Demidenko, A. A., Ugarov, V. I., and

duction of self"replicating and environmentally adapted

Chetverin, A. B. (1999) Spontaneous rearrangements in

RNA structures by bacteriophage Qβ replicase. Proc. Natl.

RNA sequences, FEBS Lett., 450, 89"94, doi: 10.1016/

Acad. Sci. USA, 72, 162"166, doi: 10.1073/pnas.72.1.162.

s0014"5793(99)00469"x.

88.

Спирин А. С. (2007) Когда, где и в каких условиях мог

94. Четверин А. Б. (1999) Новый взгляд на рекомбинацию

возникнуть и эволюционировать мир РНК? Палеонт.

РНК, Молекуляр. биология, 33, 985"996.

журн., 5, 11"19.

95. Spirin, A. S. (2010) Ancient RNA world, Paleontol. J., 44,

89.

Munishkin, A. V., Voronin, L. A., and Chetverin, A. B.

737"746, doi: 10.1134/S003103011007004X.

(1988) An in vivo recombinant RNA capable of autocat"

96. Опарин А. И. (1924) Происхождение жизни, Московс"

alytic synthesis by Qβ replicase, Nature, 333, 473"475,

кий рабочий, Москва.

doi: 10.1038/333473a0.

97. Tuerk, C., and Gold, L. (1990) Systematic evolution of lig"

90.

Chetverin, A. B., Chetverina, H. V., and Munishkin, A. V.

ands by exponential enrichment: RNA ligands to bacterio"

(1991) On the nature of spontaneous RNA synthesis by Qβ

phage T4 DNA polymerase, Science, 249, 505"510,

replicase, J. Mol. Biol., 222, 3"9, doi: 10.1016/0022"

doi: 10.1126/science.2200121.

2836(91)90729"p.

98. Спирин А. С. (2005) Происхождение, возможные

91.

Chetverina, H. V. and Chetverin, A. B. (1993) Cloning of

формы существования и размеры первозданных осо"

RNA molecules in vitro, Nucleic Acids Res., 21, 2349"2353,

бей, Палеонт. журн., 4, 25"32.

doi: 10.1093/nar/21.10.2349.

99. Woese, C. (1998) The universal ancestor, Proc. Natl. Acad.

92.

Chetverin, A. B., Chetverina, H. V., Demidenko, A. A.,

Sci. USA, 95, 6854"6859, doi: 10.1073/pnas.95.12.6854.

and Ugarov, V. I. (1997) Nonhomologous RNA recombi"

100. Spirin, A. S.

(2013) The emergence of molecular

nation in a cell"free system: evidence for a transesterifica"

machines as a prerequisite of the ancient RNA world evo"

tion mechanism guided by secondary structure, Cell, 88,

lution, Paleontol. J.,

47,

1016"1029, doi:

10.1134/

503"513, doi: 10.1016/s0092"8674(00)81890"5.

S0031030113090190.

ALEXANDER SPIRIN ON MOLECULAR MACHINES

AND THE ORIGIN OF LIFE

Review

A. B. Chetverin

Institute of Protein Research, Russian Academy of Sciences,

142290 Pushchino, Moscow Region, Russia; e'mail: achetverin@yandex.ru

Once it was believed that ribosomal RNA encodes proteins and GTP hydrolysis supplies the energy for protein syn"

thesis. Everything has changed when Alexander Spirin joined the science. It turned out that proteins are encoded by

a completely different RNA, and GTP hydrolysis only accelerates the process which is energetically ensured without

it. It was Spirin who first put forward the idea of a Brownian ratchet and explained how and why molecular machines

could arise in the RNA world.

Keywords: RNA world, ribosome, Brownian ratchet, ATP hydrolysis, energy transduction, power strokes

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021