Світ РНК як попередник сучасного життя, сила криму

Білково-коацерватная теорія Опаріна.

На сьогоднішній день існує багато різних теорій походження життя на Землі. Але, мабуть, перша наукова, добре продумана теорія походження життя абіогенним шляхом була запропонована біохіміком А.І. Опаріним ще в 20-х роках минулого століття. Теорія базувалася на уявленні, що все починалося з білків, і на можливості в певних умовах спонтанного хімічного синтезу мономерів білків - амінокислот - і белковоподобних полімерів (поліпептидів) абіогенним шляхом [2]. Публікація теорії стимулювала численні експерименти в ряді лабораторій світу, показали реальність такого синтезу в штучних умовах. Теорія швидко стала загальноприйнятою і незвичайно популярною.

Основним її постулатом було те, що спонтанно виникали в первинному "бульйоні" белковоподобние з'єднання об'єднувалися в коацерватние краплі - відокремлені колоїдні системи (золи), плаваючі в більш розбавленому водному розчині. Це давало головну передумову виникнення організмів - відокремлення якоїсь біохімічної системи від навколишнього середовища, її компартментализацию. Так як деякі белковоподобние з'єднання коацерватних крапель могли володіти каталітичної активністю, то з'являлася можливість проходження біохімічних реакцій синтезу всередині крапель - виникало подобу асиміляції, а значить, зростання коацервата з подальшим його розпадом на частини - розмноженням. Асиміляційний, зростаючий і розмножується діленням коацерват розглядався як прообраз живої клітини (рис. 1) [3].

Рис.1. Схематичне представлення шляху походження життя

згідно білково-коацерватной теорії А.І. Опаріна [2].

Все було добре продумано і науково обгрунтовано в теорії, крім однієї проблеми, на яку довго закривали очі майже всі фахівці в області походження життя. Якщо спонтанно, шляхом випадкових безматрічних синтезів в коацервати виникали поодинокі вдалі конструкції білкових молекул (наприклад, ефективні каталізатори, що забезпечують перевагу даному коацервати в рості і розмноженні), то як вони могли копіюватися для поширення всередині коацервата, а тим більше для передачі коацерватам-нащадкам? Теорія виявилася нездатною запропонувати вирішення проблеми точного відтворення - всередині коацервата і в поколіннях - одиничних, випадково з'явилися ефективних білкових структур [3].

Світ РНК як попередник сучасного життя.

Накопичення знань про генетичному коді, нуклеїнових кислотах і біосинтезі білків призвело до утвердження принципово нової ідеї про те, що все починалося зовсім не з білків, а з РНК. Нуклеїнові кислоти є єдиним типом біологічних полімерів, макромолекулярних структура яких, завдяки принципу комплементарності при синтезі нових ланцюгів забезпечує можливість копіювання власної лінійної послідовності мономерних ланок, іншими словами, можливість відтворення (реплікації) полімеру, його мікроструктури. Тому тільки нуклеїнові кислоти, але не білки, можуть бути генетичним матеріалом, тобто відтвореними молекулами, що повторюють свою специфічну мікроструктуру в поколіннях [3].

З міркувань саме РНК, а не ДНК, могла являти собою первинний генетичний матеріал [3].

По-перше, і в хімічному синтезі, і в біохімічних реакціях рибонуклеотиди передують дезоксірібонуклеотідов;

дезоксирибонуклеотидів - продукти модифікації рибонуклеотидов [3].

По-друге, в найдавніших, універсальних процесах життєвого метаболізму широко представлені саме рибонуклеотиди, а не дезоксирибонуклеотидів, включаючи основні енергетичні носії типу рибонуклеозид-поліфосфатів (АТФ і т.п.) [3].

По-третє, реплікація РНК може відбуватися без якого б то не було участі ДНК, а механізм редуплікації ДНК навіть у сучасному живому світі вимагає обов'язкової участі РНК-затравки в ініціації синтезу ланцюга ДНК [3].

По-четверте, володіючи всіма тими ж матричними і генетичними функціями, що і ДНК, РНК здатна також до виконання ряду функцій, властивих білкам, включаючи каталіз хімічних реакцій. Таким чином, є всі підстави розглядати ДНК як більш пізніше еволюційне придбання - як модифікацію РНК, спеціалізовану для виконання функції відтворення та збереження унікальних копій генів у складі клітинного геному без безпосередньої участі в біосинтезі білків [3].

Після того як були відкриті каталітично активні РНК, ідея первинності РНК походження життя отримала сильний поштовх до розвитку, і була сформульована концепція самодостатнього світу РНК, що передував сучасного життя. Можлива схема виникнення світу РНК представлена ​​на рис. 2.

Рис.2. Схематичне представлення шляху походження життя згідно сучасної концепції первинності світу РНК [3].

Абіогенний синтез рибонуклеотидов і їх ковалентное об'єднання в олігомери і полімери типу РНК могли відбуватися приблизно в тих же умовах і в тій же хімічну обстановку, що постулировались для утворення амінокислот і поліпептидів. Нещодавно А.Б. Четверін з співробітниками (Інститут білка РАН) експериментально показали, що принаймні деякі полірібонуклеотіди (РНК) у звичайній водному середовищі здатні до спонтанної рекомбінації, тобто обміну відрізками ланцюга, шляхом транс-естеріфікаціі. Обмін коротких відрізків ланцюга на довгі, повинен призводити до подовження полирибонуклеотидов (РНК), а сама подібна рекомбінація сприяти структурному різноманіттю цих молекул. Серед них могли виникати і каталітично активні молекули РНК [3].

Навіть вкрай рідкісне поява одиничних молекул РНК, які були здатні каталізувати полімеризацію рибонуклеотидов або з'єднання (сплайсинг) олігонуклеотидів на комплементарної ланцюга як на матриці, означало становлення механізму реплікації РНК. Реплікація самих РНК-каталізаторів (рибозимов) повинна була спричинити за собою виникнення самореплицирующихся популяцій РНК. Продукуючи свої копії, РНК розмножувалися. Неминучі помилки в копіюванні (мутації) і рекомбінації в самореплицирующихся популяціях РНК створювали все більшу різноманітність цього світу. Таким чином, передбачуваний стародавній світ РНК - це "самодостатній біологічний світ, в якому молекули РНК функціонували і як генетичний матеріал, і як ензімоподобние каталізатори" [3].

Виникнення біосинтезу білка.

Далі на основі світу РНК мало відбуватися становлення механізмів біосинтезу білка, поява різноманітних білків з успадкованою структурою і властивостями, компартменталізація систем біосинтезу білка і білкових наборів, можливо, у формі коацерватов і еволюція останніх в клітинні структури - живі клітини (див. Рис. 2 ).

Проблема переходу від стародавнього світу РНК до сучасного білок-синтезирующему світу - найбільш важка навіть для чисто теоретичного рішення. Можливість абіогенного синтезу поліпептидів і белковоподобних речовин не допомагає у вирішенні проблеми, тому що не проглядається жодного конкретного шляху, як цей синтез міг би бути пов'язаний з РНК і підпасти під генетичний контроль. Генетично контрольований синтез поліпептидів і білків повинен був розвиватися незалежно від первинного абіогенного синтезу, своїм шляхом, на базі вже існуючого світу РНК. У літературі запропоновано кілька гіпотез походження сучасного механізму біосинтезу білка в світі РНК, але, мабуть, жодна з них не може розглядатися як детально продумана і бездоганна з точки зору фізико-хімічних можливостей. Представлю версію процесу еволюції і спеціалізації РНК, що веде до виникнення апарату біосинтезу білка (рис. 3), але і вона не претендує на закінченість [3].

Запропонована гіпотетична схема містить два істотні моменти, що здаються принциповими.

Рис.3. Схема еволюції і спеціалізації молекул РНК в процесі переходу від стародавнього світу РНК до сучасного світу генетично детермінованого біосинтезу білків [3].

Другий принциповий момент в даній версії полягає в тому, що первинний апарат біосинтезу білка виник на базі декількох видів спеціалізованих РНК до появи апарату ензиматичного (полімеразної) реплікації генетичного матеріалу - РНК і ДНК. Цей первинний апарат включав каталітично активну прорібосомную РНК, що мала пептидил-трансферазной активністю; набір про-тРНК, специфічно зв'язують амінокислоти або короткі пептиди; іншу прорібосомную РНК, здатну взаємодіяти одночасно з каталітичної прорібосомную РНК, про-мРНК і про-тРНК (див. рис. 3). Така система вже могла синтезувати поліпептидні ланцюги за рахунок катализируемой нею реакції транспептідаціі. Серед інших каталітично активних білків - первинних ферментів (ензимів) - з'явилися і білки, що каталізують полімеризацію нуклеотидів - реплікази, або НК-полімерази [3].

Втім, можливо, що гіпотеза про стародавньому світі РНК як попередника сучасного живого світу так і не зможе отримати достатнього обґрунтування для подолання основну проблему - науково правдоподібного опису механізму переходу від РНК і її реплікації до біосинтезу білка [3].

На закінчення хотілося б додати маловтішні твердження, що «світ» РНК це всього лише одна з гіпотез, яка в міру накопичення знань і розвитку методів дослідження може змінитися більш правдоподібною і обґрунтованою. На даному етапі розвитку науки здається малоймовірним, щоб людство змогло остаточно вирішити таємницю виникнення життя. Безсумнівним залишається те, що людина ніколи не відступиться від її розгадки. Адже здатність до пізнання і зміни світу - та сама головна «мутація», яка рухає одним з видів приматів останній мільйон років, підпорядковуючи його волі всіх колишніх «родичів» і дозволяючи гордовито іменуватися Царем Природи.

Список використаної літератури

Опарін А.І. Життя, її природа, походження і розвиток / А.І. Опарін. - 2-е вид. доповнене. - М. Наука, 1968. - 173 с.