nastya_maks (nastya_maks) wrote,
nastya_maks
nastya_maks

Был ли на Земле мир РНК?

Как известно, в основе жизни лежит «содружество» нуклеиновой кислоты и белка. Нуклеиновые кислоты зашифровывают в себе генетическую информацию (то есть информацию о строении белков), а белки выполняют химические реакции, которые сами по себе идти не могут (в том числе и реакцию копирования нуклеиновой кислоты).



Иными словами, белок не может появиться без нуклеиновой кислоты, а нуклеиновая кислота – без белка. Но тогда возникает вопрос, как мог возникнуть генетический код. Все не могло вдруг собраться случайно и заработать: вероятность случайной сборки самой простой системы из белка и нуклеиновой кислоты исчезающе мала.

Когда говорят, что белки выполняет химические реакции, то имеют в виду, что они их катализирует, ускоряют. Белки-катализаторы называют ферментами, и их существует огромное количество (хотя ферменты – это все-таки не все белки). Такой успех на ферментативном поприще обусловлен общей структурой белковой молекулы: как мы знаем, любой белок представляет собой длинную цепочку из аминокислот, которые взаимодействуют друг с другом, так что цепочка начинает изгибаться и сворачиваться в довольно сложную трехмерную структуру.
Именно от трехмерной структуры зависит функция белка, и у каждого белка есть свой особенный 3D-портрет, так что структура миоглобина, который удерживает кислород в наших мышцах, заметно отличается от структуры пищеварительного фермента трипсина, расщепляющего другие белки на части. Более того, отдельные аминокислотные цепи могут взаимодействовать друг с другом (как, например, в случае с гемоглобином, который формируется четырьмя молекулами глобина), и функция тут зависит уже от того, как они взаимодействуют. В общем, белки можно приспособить для самых разных реакций.

А вот нуклеиновые кислоты не могут катализировать ничего – во всяком случае, раньше так казалось. Поэтому и возникала проблема, кто был на Земле раньше: белки не могли появиться без генетического кода и его носителей – ДНК и РНК, а нуклеиновые кислоты не могли появиться без белков.
Но потом оказалось, что среди РНК есть такие, которые могут катализировать реакцию сборки других РНК, и что такие каталитические РНК можно даже заставить копировать самих себя. И вскоре возникла гипотеза мира РНК, согласно которой РНК в начале эволюции живого обходились вообще без белка – одновременно и кодировали информацию, и сами размножались. Белки же появились позже как намного более эффективные катализаторы.

Но исследователи из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и Оклендского университета утверждают, что гипотеза мира РНК на самом деле неверна, и что к ней просто слишком привыкли, чтобы обращать внимание на ее слабые места и на новые данные, которые говорят не в ее пользу. Авторы работы полагают, что ключевое событие в зарождении жизни – это не то, что нуклеиновые кислоты «научились» сами себя копировать, а то, что появился механизм, который поставил в соответствие определенным комбинациям в нуклеиновой кислоте определенные аминокислоты. Иными словами, самое важное в зарождении жизни – появление генетического кода, когда генетическая информация действительно стала информацией.

За все время существования гипотезы мира РНК никто так и не смог – даже приблизительно – смоделировать, как случайная самокопирующаяся система из нуклеиновых кислот могла стать в высшей степени неслучайной, и как в ней могли появиться те свойства, которые есть у системы из нуклеиновых кислот и белков. В то же время есть современные биохимические и биоинформатические исследования, указывающие на то, что нуклеиновые кислоты и белки были вместе самого начала, и информация возникала параллельно и взаимозависимо сразу в двух «носителях».

Как это могло происходить, описывается в статье в Molecular Biology and Evolution. Чарльз Картер (Charles Carter) и Питер Уиллс (Peter Wills) сосредоточилась на ферментах аминоацил-тРНК-синтетазах, или арсазах. Они соединяют аминокислоты с транспортными РНК (тРНК), которые называются так потому, что приносят нужные аминокислоты туда, где синтезируется белок. Каждую аминокислоту нужно прицепить к ее тРНК, и именно эту работу выполняют арсазы. Фермент должен точно узнать тРНК и аминокислоту, которую он собирается к ней присоединить; если фермент сработает неточно, то при синтезе белка возникнет ошибка и белок может оказаться нерабочим, а то и вообще вредным.

Здесь важно, что арсазы соединяют тРНК и аминокислоты в соответствии с правилами генетического кода: в определенном месте в молекулах тРНК есть последовательности из трех нуклеотидов, которые соответствуют той или иной аминокислоте, и фермент должен распознать эту последовательность. Иными словами, арсазы выполняют первый этап перевода генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Как мы знаем, аминокислот, из которых синтезируются белки, всего 20 – и столько же в клетках плавает ферментов арсаз, по одной на каждую аминокислоту. Но по структуре они делятся на две разные семьи, по 10 ферментов в каждой. Каждая семья произошла от собственного белка-предка, и недавние исследования тех же Чарльза Картера и Питера Уиллса показали, что оба белка-предка для каждого семейства арсаз некогда кодировал один и тот же ген, просто один белок был закодирован в нем в одном направлении, а другой – в другом. (Соответственно, ген нужно было читать в обе стороны.)

Оба предка связывались всего лишь с двумя аминокислотами – и объем генетической информации ограничивался всего лишь двумя аминокислотами (напомним, что генетическая информация рождалась тогда, когда устанавливалось соответствие между последовательностью нуклеотидов и аминокислотой). Но и белки, и нуклеиновые кислоты менялись, появлялись новые арсазы, код усложнялся, новая генетическая информация формировалась под неослабевающим действием отбора – и главное, что и белки, и нуклеиновые кислоты должны были эволюционировать параллельно, и история арсаз хорошо это демонстрирует.

Впрочем, какими были самые первые белки, мы сейчас может только догадываться, и, очевидно, авторам работы придется приложить еще немало усилий, чтобы убедить всех в своих рассуждениях, все-таки «мир РНК» – действительно очень и очень уважаемая гипотеза.
С другой стороны, если сейчас уже известно, что и белки, и нуклеиновые кислоты как таковые могли появиться сравнительно просто, то у нас все равно остается проблема возникновения именно генетического кода. И не исключено, что тут все происходило по такому же сценарию, как с арсазами – вне зависимости от того, кто возник первым.

Автор: Анастасия Субботина
Tags: генетика, наука, новости, рнк, человек
Subscribe
promo nastya_maks июль 17, 2014 10:14 23
Buy for 20 tokens
Оригинал взят у nyanwarcat в Осторожно! Очень залипабельно!
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments