Голосования

Какой теорией происхождения жизни вы придержавайтесь?
 

Узнал новое?

Поделись с друзьями:

Наша кнопка

88x31 Код




Ю. В. Чайковский ЭВОЛЮЦИЯ. Загадка начала жизни. Рибозим, или появление наследственности.
(0 голоса, среднее 0 из 5)
Литература

Согласно Учебнику, "главными направлениями эволюции, приведшей к возникновению биологических систем, следует считать... возникновение каталитической активности белков, появление генетического кода и способов преобразования энергии". Но если первому и третьему направлениям там посвящены разделы, то о появлении наследственности есть лишь одна фраза: "По-видимому, в это же время происходило становление генетического кода". А ведь именно здесь в последние 30 лет достигнуты самые впечатляющие результаты.

 

Долгое время считалось, что суть проблемы в том, как смогли начать работать две системы - ДНК, синтезируемая белками, и белки, кодируемые текстом ДНК. Одновременное их появление (пусть в самом зачаточном виде) выглядит абсолютно невероятным, а появление порознь - бессмысленным. Проблему сравнивали с древней загадкой ("Что появилось раньше - курица или яйцо?") и, как правило, считали безнадежной. Однако, как обычно с "вечными" проблемами, она оказалась попросту неверно поставленной: судя по всему, первичная наследственность не была ни ДНК-овой, ни белковой.

 

Копирование ДНК - самая сложная из всех форм копирования: двойную спираль надо сначала расплести, затем сделать копию с каждой половинки (направления считывания на двух цепях ДНК противоположны) и снова закрутить - теперь уже две двуспиральные системы. Притом на самой ДНК ни один белок синтезироваться не может: с нее надо снять копию в виде матричной РНК (мРНК), по которой будет, с помощью совокупности транспортных РНК (тРНК), синтезироваться белок. И на каждой стадии - свои ферменты. Зато молекулу РНК может копировать один-единственный фермент - РНК-полимераза. Не с РНК ли и началась наследственность?

 

Вопрос не раз ставился, но был праздным, пока считалось, что катализировать биохимические реакции могут только белки. И вот в 1981 г. было установлено, что РНК может проявлять ферментативную активность. Была высказана догадка, что в первичных организмах РНК несла как наследственную, так и каталитическую функции, а в 1985 г. появился даже термин "РНК-овый мир". Однако рибозимы (так назвали РНК, работающие ферментами) оказались несравненно менее разнообразны, чем белки, что и естественно - ведь белки формируются из двадцати видов кодируемых аминокислот, притом весьма различных по свойствам, тогда как РНК - всего из четырех видов нуклеотидов. Притом всего двух типов: два нуклеотида имеют основаниями пурины (аденин и гуанин), а два - пиримидины (цитозин и урацил). Напомню, что нуклеотидом называется нуклеотидное основание плюс соединенное с ним звено сахаро-фосфатной цепи.

 

Долго не удавалось главного - найти рибозим с РНК-полимеразной активностью, и до сих пор (насколько я знаю) настоящей РНК-полимеразы, способной копировать любую РНК, среди рибозимов не найдено.

 

Казалось, преодолеть низкое разнообразие нуклеотидов невозможно, и с идеей РНК-ового мира надо расстаться, но в 1995 г. американские биохимики Майкл Робертсон и Стенли Миллер нашли к этому разнообразию ключ. А именно, они напомнили, что в условиях преджизни могут синтезироваться не только четыре указанных нуклеотидных основания, но и так называемые минорные (модифицированные) основания, среди которых наиболее интересен 5-оксиметилурацил. Его нетрудно получить, соединяя урацил с формальдегидом, сам же 5-оксиметилурацил дает при ста градусах (вот она, гидротермаль!) целый спектр минорных оснований (рис. 8). Замечательны они тем, что каждое служит стереохимическим аналогом какой-то аминокислоты (Robertson M.P., Miller S.L.Prebiotic synthesis of 5-substituted uracils: a bridge between the RNA world and the DNA-protein world. // Science, vol. 268, 5 May 1995).

 

С позиции диатропики (так называется наука о разнообразии, о ней шла речь в части 6) это открытие понятно и закономерно: коротко говоря, биохимики начали заполнение рефренной таблицы "Химические свойства органических катализаторов", в которой между строками "аминокислоты" и "нуклеотиды" обнаружили параллелизм. В нынешней жизни каталитическая функция почти целиком отошла от РНК к белкам.

 

Согласно концепции "РНК-ового мира" механизм синтеза белка возник при абиогенезе следующим образом: сперва рибозимы, гораздо более разнообразные, чем ныне, эволюционировали сами по себе, встраиваясь в геохимические круговороты наравне с протеиноидами, тоже состоявшими из очень большого числа типов аминокислот. Те рибозимы, которые катализировали собственный синтез, послужили предками генетического аппарата, а те, что катализировали синтез протеиноидов - предками аппарата синтеза белка. Каким образом эти два класса начали взаимодействовать, пока неясно, но и тут налицо параллелизм: как у класса нуклеотидных оснований (сколько их - неизвестно, но, вероятно, более 30 вариантов), так и у класса аминокислот (их известно около 180) есть небольшое ядро типичных форм (4 типичных нуклеотида; 20 типичных, т.е. кодируемых, аминокислот), нашедших соответствие в генетическом коде.

 

Вероятно аппарат наследственности впервые образовался в форме одноцепочечной РНК - как у некоторых нынешних вирусов. Вирус - не организм, он не имеет своего метаболизма и не умеет размножаться, а первый организм должен был иметь и уметь. Жизнь явно началась не с вируса (хотя прежде такую возможность и рассматривали), но он полезен нам тем, что показывает, насколько различно может быть устроен механизм наследственности. Вирус отличается от примитивнейшего организма столь же, сколь дискета - от примитивнейшей вычислительной машины, но именно вирусы демонстрируют разнообразие "дискет" жизни, т.е. способов записи наследственной информации. Только в вирусах она может храниться в четырех формах - в РНК или ДНК, в одноцепочечной или двуспиральной.

 

В одноцепочечной РНК информация может прямо использоваться, поэтому естественно счесть, что она была исторически первой, но она - самая ненадежная: ее легко рушит любой работающий с нею фермент, а всякое повреждение необратимо (ведь пары для сравнения нет). Однако оказалось, что комплементарность оснований позволяет РНК существовать в двухспиральной форме (достоинства ее, думаю, обсуждать излишне), негодной для непосредственного считывания, зато "несъедобной".

 

В такой форме жизнь могла бы существовать, и встает вопрос, почему мы ее не наблюдаем: все организмы пользуются двуспиральной ДНК и одноцепочечной РНК. Замечательных свойств у двуспиральной ДНК много (она, например, хорошо вписывается в кристаллическую структуру воды), но сейчас нам важно понять ее место в процессе абиогенеза.

 

Как мы помним, эобионты, согласно БКА, появились из субвитальных зон. Этому должно было предшествовать появление хотя бы самой примитивной наследственности, иначе эобионты были бы бесперспективны.

 

Следовательно, наследственность родилась в субвитальной зоне, и ее многочисленные РНК были вовлечены в круговороты, а стало быть, неминуемо подвергались уничтожению; наряду с массовой, подлежала уничтожению уникальная РНК, кодировавшая едва найденные "изобретения". Отличить нужное от ненужного было некому, зато могла сама собой сложиться следующая система запоминания всего подряд в немногих экземплярах.

 

Изъятие одного атома кислорода из каждого звена сахаро-фосфатной цепочки (превращающее рибозу в дезоксирибозу) позволяет двойной спирали скручиваться более компактно - спираль ДНК может иметь как обычную, аналогичную спирали РНК, форму (А-форму), так и "сверхскрученную" В-форму, недоступную ферментам, работающим с РНК. Возможно, что именно это различие послужило к разделению функций: РНК - для работы с информацией и ее неограниченного копирования, ДНК - для ее хранения. Читать ДНК могла более сложная, а потому более поздняя и более медленная система. Из нее, вероятно, позже появилась система наследственной передачи, позволившая возникнуть эобионту. Конкретнее сказать пока нечего.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить