Гипотеза мира рнк кратко
Обновлено: 05.07.2024
Гипотеза мира РНК считает, что РНК фактически была первой формой жизни на Земле, которая позже развила вокруг себя клеточную мембрану и стала первой клеткой прокариот.
Поддержка идеи
Идея мира РНК
Эти нуклеотидные цепочки предложены как первые, примитивные формы жизни. В мире РНК различные формы РНК конкурировали друг с другом за свободные нуклеотиды и, таким образом, участвовали в естественном отборе. Самые эффективные молекулы РНК, которые способны были эффективно катализировать свое собственное воспроизводство, выдержали этот отбор и развились до современной РНК.
Соревнования между РНК могло привести к появлению кооперации между различными цепочками РНК, открыв путь для создания первой прото-клетки. В конечном счете, цепочки РНК, спонтанно развили с каталитические свойства, которые помогают связывать вместе аминокислоты (пептидный связь). Эти аминокислоты могли бы тогда помочь с синтеза РНК, предоставив тем цепочкам РНК, которые служат рибозимами, преимущества в отборе. Наконец ДНК, липиды, углеводы, и все другие органические химические вещества включались в жизнь. Это привело к первым клеток прокариот, и в конечном счете к жизни, такого, каким мы его знаем.
Хрупкость нуклеиновых кислот
Предложенная альтернатива мира РНК — пептидные нуклеиновые кислоты, ПНК (англ. PNA). ПНК значительно устойчивее, чем РНК и кажется, может быть синтезирована в пре-биотических условиях скорее РНК, особенно если синтез рибозы и добавления к ней фосфатных групп проблематичны. Как другие альтернативы РНК были предложены треозна нуклеиновая кислота (ТНК, англ. TNA) и гликольна нуклеиновая кислотная (ГУК, англ. GNA). Принципиально другая альтернатива процессов сбора РНК предложена в гипотезе мира ПАГ (англ. PAH world hypothesis), согласно которой полициклические ароматические углеводороды (ПАГ) могли быть катализаторами формирования структур РНК.
Данная молекула РНК в прошлом могла прожить дольше, чем сегодня. Ультрафиолетовая радиация также может заставить РНК полимеризоваться, в то же время разбивая другие виды органических молекул, которые могли бы иметь потенциал катализа гидролиза РНК (рибонуклеазы), предлагая, что РНК могла быть значительно распространенной веществом на Земле. Однако эта теория еще нет экспериментальных подтверждений, поскольку базируется на постоянной концентрации сахаро-фосфатных молекул.
Значение
Гипотеза мира РНК, если она истина, имеет важное значение для определения жизни. Сейчас понятие жизни в значительной степени определено в терминах ДНК и белков, в сегодняшнем мире, ДНК и белки являются доминирующими макромолекулами в живой клетке, тогда как РНК служит только как вспомогательная молекула в создании белков по информации, закодированной в ДНК. Но гипотеза мира РНК размещает РНК в центре на время зарождения жизни, требуя определение жизни в терминах РНК и стратегий которые РНК использует для своего воспроизводства.
В 2001, гипотеза мира РНК получила значительную поддержку со расшифровкой структуры рибозима, которая показала, что ключевые каталитические сайты рибозима составленные из РНК, 3-мерную структуру, а белки, играют только структурную роль в содержании рибозима вместе. Особенно, образование пептидной связи, связывающего вместе аминокислоты создавая белки, может катализуватися РНК. Это открытие показывает, что молекулы РНК могли быть способными к синтезу первых белков.
Трудности
Неизвестно правдоподобного пре-биотического метода синтеза цитозина, одной основы в составе современной РНК, так как он легко подвергается гидролизу.
Пре-биотические модели, при которых создаются нуклеотиды, несовместимые с условиями, необходимыми для создания сахаров (за большой концентрации формальдегида). Так что они должны быть синтезированы в разных местах, а затем перенесены в какое-то одно место. Однако, они не реагируют в воде. Безводные реакции легко связывают пурины с сахарами, но только 8% из них соединяют правильный углеродный атом на сахаре с правильным атомом азота на основе. Пиримидины, однако, не будут реагировать с рибозой, даже в безводных условиях.
Кроме того, необходимы для синтеза фосфаты в природе встречаются крайне редко, так как они легко выпадают в осадок. При введении фосфата, последний должен быстро соединяться с правильной гидроксильной группой нуклеотида.
Чтобы нуклеотиды могли сформировать РНК, они сами должны быть активизированы. Активизированы пуриновые нуклеотиды формируют маленькие цепочки существующего шаблона пиримидиновых РНК, но этот процесс не идет наоборот потому что пиримидиновые нуклеотиды НЕ полимеризуются так легко.
Дополнительно, вся рибоза должна быть одного стерео-изомерного типа, потому что любой нуклеотид неправильной хиральности действует как терминатор цепочки.
Согласно критиками гипотезы мира РНК (например А.Каинс-Смит AG Cairns-Smith), процесс строительства нуклеиновых кислот требовал бы синхронизации возникновения благоприятных условий и событий. Более того, эта синхронизация должна быть достаточно протяженной во времени (в течение миллионов лет) для создания достаточного количества необходимых веществ.
Сегодня еще рано говорить о достоверности гипотезы мира РНК через большое разнообразие ее вариантов и отсутствие надежных экспериментальных данных, которые бы ее подтвердили.
Ключевым процессом, протекающим в клетке, является биосинтез белка. Для этого нужны три компонента - ДНК, РНК и, как это ни странно, сам белок. Правда, несколько другой, синтезированный до этого.
ДНК служит, так сказать, хранителем информации. РНК - рабочая лошадь, которая считывает информацию, переносит и строит конечный продукт. Белки же выполняют функцию катализа, то есть ускоряют процесс.
Это слаженный ансамбль сложных молекул, в котором все рассчитано с филигранной точностью. По-крайней мере, нам так кажется. Ведь сами в лаборатории мы подобную молекулярную систему создать не можем. Если можем, автору об этом не известно.
И вот об эту сложность бьется головой абиогенез - теория зарождения жизни из неживой материи путем химической эволюции. Главный аргумент критиков: "Как сама по себе могла появиться такая сложная система? Ведь вероятность ее спонтанного появления 10 в минус N степени, то есть нереально." Конкретное значение N спросите у них сами, автор не математик.
В ответ на претензию, да и чтобы самим понять как, биологи разродились идеей так называемого мира РНК . Эта гипотеза упрощает систему до нельзя. Выкидывает из нее ДНК и белок, оставляет только РНК.
Оказывается, РНК - само по себе чудное вещество, молекулы которого могут и удваиваться как ДНК, и катализировать реакции как белок. Все остальное (транскрипция + трансляция) РНК и так делает по сей день.
Разные ученые провели серию опытов, доказав разносторонние свойства РНК. Так, например, были получены химические системы, которые сами эволюционировали в направлении нарастания каталитических свойств у РНК.
Кроме того, в природе есть РНК-вирусы, в которых функцию ДНК выполняет РНК. Также существуют катализаторы, являющиеся молекулами РНК, а не белками.
Но если РНК-мир был самодостаточен, как и зачем в него затесались ДНК и белок? Тут надо понимать, что после того как в процессе химической эволюции могли возникнуть устойчивые РНК-системы, началась биологическая эволюция. У нее свои законы.
Грубо говоря, в какой-то клетке небольшая молекула РНК случайно мутировала или заменилась на ДНК. Благо между ними разница небольшая. Но ДНК легче удваивается. Следовательно, новый мир ДНК-РНК более совершенен и рано или поздно вытеснит РНК-мир.
Потом могла произойти мутация, в результате которой вместо РНК стал синтезироваться простенький белок и оказался полезным. Опять-таки эта новая система начнет вытеснять старые. Постепенно появлялись все новые и новые белки. новые и новые полезные мутации. естественный отбор оставлял все более и более совершенные системы.
То, что более устойчивые системы на каждом этапе оказывались еще и чуть сложнее предыдущих, вопрос десятый. Адресовать его стоит куда-нибудь в сторону кибернетики. Пусть они там объясняют, почему система со множеством компонентов устойчивее и адаптивнее более простой.
Только так: медленно и постепенно происходило становление клетки. Сложность и слаженность не возникали вдруг и сразу, к чему так любят уповать пособники 10 в минус N-ной степени.
Структура рибозима — молекулы РНК, выполняющей функцию возникновения жизни на Земле, в которую функции как хранения генетической информации, так и РНК. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная 1968 году , позже развита Л. Оргелем и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году .
Содержание
Краткое изложение
В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи, вероятность чего крайне низка.
В начале 1980-х годов в лаборатории ферментами) РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие была присуждена рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться.
Что касается абиотического синтеза самой РНК из более простых соединений, он пока не продемонстрирован экспериментально. Впрочем, в 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда (John Sutherland) удалось достичь значительных успехов на пути к объяснению этого феномена, показав возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции (а также с возможностью накопления конечных продуктов) в условиях ранней Земли. [1] [2] В то же время синтез аденозина и гуанозина пока показан лишь в малоэффективном варианте.
Свойства объектов мира РНК
О том, как выглядели самовоспроизводящиеся РНК системы, есть разные предположения. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Б. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала [3] .
После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Еще более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира Примечания
- ↑http://www.nature.com/nature/journal/v459/n7244/abs/nature08013.html
- ↑http://elementy.ru/news/431082
- ↑ Chetverina HV, Chetverin AB (May 1993). "Cloning of RNA molecules in vitro". Nucleic Acids Res.21 (10): 2349–53. PMID 7685078.
Литература
См. также
Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Гипотеза РНК-мира. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .
Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Оргелом (en:Leslie Orgel) и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году.
Содержание
Краткое изложение
В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи.
В начале 1980-х годов в лаборатории Т. Чека и С. Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с ферментами (англ. enzyme ) РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие Томасу Чеку в 1989 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться [1] .
Роль РНК в современном мире
Следы мира РНК остались в современных живых клетках, причём РНК участвует в критически важных процессах жизнедеятельности клетки:
Кроме того, многие вирусы хранят свой генетический материал в виде РНК и поставляют в заражённую клетку РНК-зависимую РНК-полимеразу для его репликации.
Абиогенный синтез РНК
Абиогенный синтез РНК из более простых соединений не продемонстрирован экспериментально в полной мере. В 1975 году Манфред Сампер (англ. Manfred Sumper ) и Рудигер Льюс (англ. Rudiger Luce ) в лаборатории Эйгена продемонстрировали, что в смеси, вообще не содержащей РНК, а содержащей только нуклеотиды и Qβ-репликазу, может при определённых условиях спонтанно возникнуть самореплицирующаяся РНК. [2]
В 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда (англ. John Sutherland ) удалось продемонстрировать возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции (а также с возможностью накопления конечных продуктов) в условиях ранней Земли. [3] [4] В то же время, хотя абиогенный синтез пуриновых оснований продемонстрирован достаточно давно [5] (в частности, аденин является пентамером синильной кислоты), их гликозилирование свободной рибозой аденозина и гуанозина пока показано лишь в малоэффективном варианте.
Эволюция РНК
Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Он обнаружил спонтанное самозарождение молекулы РНК в пробирке с субстратом и РНК-репликазой. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией. [6]
После открытия каталитической активности РНК их эволюция без добавления репликазы наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата (исходных химических реактивов в среде), из которых РНК строили свои копии. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность. По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. Затем часть их переносилась в новую среду, богатую субстратом, где это повторялось. За 3 суток каталитическая активность молекул за счёт всего 11 мутаций увеличилась в 90 раз. [7]
Эти эксперименты доказывают, что первым молекулам РНК не нужно было обладать достаточно хорошими каталитическими свойствами. Они развились потом в ходе эволюции под действием естественного отбора.
В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета, изучив основную составляющую рибосомы, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза. Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр (пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre), ответственный за транспептидацию (синтеза белка). Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной к тому блоку, который при отрыве разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, реконструированном исследователями. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. [8] [9]
Свойства объектов мира РНК
О том, как выглядели самовоспроизводящиеся РНК системы, есть разные предположения. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Б. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала [10] .
После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.
Пре-РНК миры
Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов, предложенная в 2004 году и предполагающая синтез молекул РНК на основе стека из полиароматических колец.
Читайте также: