РНК как молекула жизни.

Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда функцию хранения генетической информации и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной клетки от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 г., позже развита Лесли Оргелом и окончательно сформулирована Нобелевским лауреатом Уолтером Гильбертом в 1986 г. Эпоху РНК-мира некоторые специалисты помещают где-то между 4,3 и 3,8 млрд лет назад.

Именно нуклеиновые кислоты обладают целым комплексом свойств, которые могли на ранних этапах эволюции обеспечить главные свойства всех живых организмов: репликацию (размножение) и наследственность (передачи признаков последующим поколениям). Но почему РНК, а не ДНК, которую мы все привыкли называть «молекулой жизни»? Оказалось, что РНК обладает целым рядом уникальных свойств.

Мир РНК и происхождение жизни

Рис. 7.2. Мир РНК и происхождение жизни1

Уникальные свойства РНК:

  • 1) молекулы РНК могут обладать свойствами ферментов, катализировать биохимические реакции. До сих пор считалось, что только белки могут быть ферментами. Молекулы РНК, обладающие свойствами ферментов, получили название рибозимов. За открытие каталитичекой активности РНК американский ученый Томас Чек в 1989 г. был удостоен Нобелевской премии по химии. В качестве примера участия РНК-рибозимов в биохимических реакциях можно рассматривать большую рибосомальную РНК, которая катализирует реакцию транспептидации — роста белковой цепи (ранее считалось, что эта реакция катализируется белками рибосом). Можно уверенно сказать, что молекулы РНК могут из аминокислот синтезировать белки. И сейчас в нашем генетическом аппарате обнаружено
  • 1 Спирин А. С. Рибонуклеиновые кислоты как центральное звено живой материи // Вестник РАН. 2003. Т. 73. № 2.

множество так называемых малых ядерных РНК, которые являются рибозимами и регулируют множество реакций, связанных с репликацией, транскрипцией, активностью генов (см. параграф 5.3);

  • 2) молекулы РНК способны к саморепликации, причем без участия ДНК и ферментов. При этом одна молекула РНК может катализировать репликацию другой молекулы РНК;
  • 3) молекулы РНК обладают способностью самопроизвольно образовать различные третичные структуры на основе одной и той же первичной молекулы. Таким образом, одна молекула РНК, появившись в эволюции, могла дать в процессе своего развития несколько разновидностей молекул РНК, каждая из которых обладала разными свойствами;
  • 4) в биохимических реакциях клетки преобладают первичные рибо- нуклеотиды (АТФ, АДФ, ГТФ), а не дезоксирибонуклеотиды (ДНК);
  • 5) в молекуле РНК (также как и в молекуле ДНК) с помощью универсального генетического кода может быть записана вся наследственная информация организма. Примером этого являются РНК-содержащие вирусы.

Поэтому схема происхождения жизни А. И. Опарина на основе первичности «мира белка» в настоящее время модифицирована и первичным признается «мир РНК».

По мнению академика РАН А. С. Спирина, процесс становления органической жизни на Земле мог протекать следующим образом (рис. 7.3).

Среди первичных молекул РНК могли появиться молекулы, обладающие различными свойствами в том числе и каталитическими — появились рибозимы. Эти молекулы были способны катализировать процесс полимеризации нуклеотидов на комплементарной цепи РНК — появился механизм репликации. Образовались популяции самореплици- рующихся молекул РНК. Этот процесс происходил без участия белков. При этом неизбежные ошибки в репликации (мутации) приводили к появлению все большего разнообразия молекул. Другие молекулы РНК за счет спонтанного изменения свой третичной структуры приобрели свойство рекомбинации — вырезанию и сшиванию коротких цепей РНК, что привело к появлению полирибонуклеотидов и увеличению их структурного разнообразия. Доказано, что полирибонукле- отиды в обычной водной среде действительно способны к спонтанной рекомбинации. Обмен и соединение коротких отрезков цепи мог привести к удлинению полирибонуклеотидов и структурному многообразию этих молекул. Так могли появиться прорибосомальные РНК, про- транспортные РНК, проинформационные РНК.

В этой интересной теории есть ряд вопросов, которые еще ждут своего решения. Как возник синтез белка? Как возник сложный аппарат управления синтезом белка: рибосомы, регуляторные ферменты? Как, наконец, возникла сама ДНК? Почему у эукариот ДНК стала основой наследственности? Возможно, что появившиеся каталитически активные прорибосомные РНК обладали способностью синтезировать полипептидные цепочки из абиогенно синтезируемых аминокислот.

Поначалу РНК-катализ белкового синтеза, скорее всего, не был строго специфичным: последовательности аминокислот воспроизводились неточно, а лишь приблизительно. Естественный отбор способствовал выработке все более специфичных механизмов синтеза, что привело к появлению генетического кода с комплексом рибозимов, необходимых для его точного прочтения. Среди них могли появиться первичные ферменты, в том числе репликазы и полимеразы различного вида. Белковые ферменты, как более эффективные, под действием естественного отбора сохранялись и активно включились в первичные биохимические реакции, проходящие внутри капель коацерватов. В частности, на цепочке РНК, как на матрице, могла синтезироваться вторая комплементарная цепь, а затем она модифицировалась в про-ДНК. Этот важнейший процесс имеет свое продолжение в сохранившемся в настоящее время у ряда вирусов процессе обратной транскрипции (РНК-ДНК-РНК-белок).

Схема эволюции и специализации молекул РНК в процессе от древнего мира РНК к современному миру генетически детерминированного биосинтеза белков

Рис. 7.3. Схема эволюции и специализации молекул РНК в процессе от древнего мира РНК к современному миру генетически детерминированного биосинтеза белков1

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >