Пепеляшката на нуклеиновите киселини
До неотдавна РНК беше в сянката на ДНК – просто еднократно копие на действително важната нуклеинова киселина, ДНК, чиято красива двойна спирала (някои виждат в нея пропорциите на числата на Фибоначи) е често по кориците на списания. ДНК е носителят на нашето генетично наследство, а РНК е само пощальон на данните за синтез на белтъци. Един вид Пепеляшка, но както става в приказката – всеки получава накрая заслуженото.
Малко за функциите на РНК
В общ вид процесът на възпроизводство и реализация на генетичната информация в живите организми може да се представи като три последователни реакции:
Обаче има напълно функциониращи организми без ДНК. Геномът им е представен във вид на РНК и процесите на транскрипция и транслация съвпадат. |
 |
Транскрипция
При синтез на информационната РНК (иРНК) една от спиралите на ДНК действа като матрица, комплементарно (взаимнодопълващо) на която се създава РНК. Информацията се предава по тройки нуклеотиди (кодони). Този код се използва при синтез на белтъци в клетъчната цитоплазма. Затова информационната РНК преминава през порите на ядрото в цитоплазмата, където се съединява с рибозомите. Техният структурен скелет е съставен от друг клас РНК – рибозомните РНК, Там пренесената информация се “разчита”.
Copyright © 2005 Lippincott Williams & Wilkins. Instructor’s Resource CD-ROM to Accompany Porth’s Pathophysiology: Concepts of Altered Health States, Seventh Edition.- преведена от bgchaos
Транслация
Молекулите на друг вид РНК – транспортната имат функцията да подбират съответните аминокиселини и да ги вграждат в строго определените им от антикодона места на “конвейра” за синтез на белтъци. Докато рибозомата се движи по направлението на информационната РНК, към нея се присъединява подходящата тройка молекули на тРНК, носеща определена аминокиселина. След това аминокиселините се освобождават от молекулите-носители и се съединяват една с друга в растящата пептидна верига от белтъци.
Copyright © 2005 Lippincott Williams & Wilkins. Instructor’s Resource CD-ROM to Accompany Porth’s Pathophysiology: Concepts of Altered Health States, Seventh Edition.- преведена от bgchaos
Централната догма на молекулярната биология
|
ДНК -> РНК -> БЕЛТЪК |
Тази схема се нарича догма на молекулярната биология. Тя се появила през 50-60-те години на 20-ти век, когато станали ясни в общи черти основните процеси на синтез на ДНК, РНК и белтъците. Смятало се, че такъв е закона на живота – на матрицата на ДНК се синтезира РНК, на матрицата на РНК се синтезира белтък. ДНК съхранява информацията, РНК я пренася от ДНК към белтъците, белтъците изпълняват цялата работа в клетката и катализират всички процеси.
Кокошката или яйцето
Тази схема обаче създава големи проблеми на предбиологичната химия. Синтезът на ДНК изисква присъствието на специфични ензими, но как могат да се синтезират такива ензими без информация за тях в ДНК? С други думи, белтъците са необходими за синтез на ДНК и ДНК е необходима за белтъчен синтез. Основният въпрос пред абиогенния синтез дълго време беше: как са могли да започнат да работят и двете системи – ДНК, синтезирана от белтъци, и белтъците, кодирани от ДНК. Едновремената им поява дори и в най-примитивна форма изглежда абсолютно невероятно, а последователното им появяване е немислимо. Проблемът изглежда като класическия въпрос: “кокошката или яйцето?” и като него е безсмислен защото и двата обекта са част от единен цикличен процес. Работата е там, че в началото не е имало нито “кокошка” нито “яйце” в познатия им вид и първия организъм не е нито белтъчен, нито с ДНК. Това, което е решава дилемата е РНК . Хипотезата за това, че РНК е възникнала по-рано от ДНК и белтъците, била наречена РНК-свят (RNA World). Днес това се смята за общопризнат факт, че първата стъпка към възникването на живота е репликацията на РНК без участието на белтъци.
Схемата се променя:
|
ДНК РНК -> БЕЛТЪК |
През 1970-1971г. Ховард Темин и Дейвид Балтимор независимо един от друг открили обратната транскрипция. Оказало се, че съществува фермент ревертаза, който синтезира ДНК на матрицата на РНК.
Още едно важно откритие било направено през 1989 г. от Сидни Олтмен и Томас Чек. Оказало се, че РНК може да изпълнява и функция на фермент (катализатор). Олтмен и Чек установили, че каталитичната РНК може да създава нова РНК и за това не са й нужни никакви белтъци. РНК-ферментите били наречени рибозими (по аналогия с белтъчните ферменти, ензимите). Тези молекули РНК катализират специфични реакции, включващи други молекули РНК, като например, разкъсване на веригата на РНК на определени места. Други рибозими подпомагат срастването на основната РНК: те катализират премахването на специфични нуклеотидни последователности, а след това се присъединяват заедно с тях като съставна част.Трябва да се каже, че РНК работи малко по-бавно от белтъците, а при някои ферменти РНК изпълнява основната работа, а белтъците й помагат, т.е. без белтъци тя изпълнява своята работа по-трудно, но важното е, че може да работи и без белтъци. Учените – биолози вече поставили РНК в центъра на проблема за произхода на живота и за ранните етапи на еволюцията на живота. Откритието на Олтмен и Чек доказало, че първата биомолекула е била РНК.
Защо РНК ?
- рибонуклеотидите в РНК много по-лесно се синтезират абиотично отколкото деоксирибонуклеотидите в ДНК.
- РНК е единична спирала, а ДНК – двойна. По-лесно може да се проследи пътя, по който ДНК може да се развие от РНК, отколкото обратното.
- РНК е нестабилна
- РНК е нуклеинова киселина, която може да образува комплементарни връзки, т.е. тя може да се реплицира. Има вируси, съдържащи РНК, която се реплицира, у тези вируси има специален фермент РНК-репликаза. т.е. РНК може да изпълнява функцията репликация.
- РНК също може да изпълнява и ферментационна функция, т.е. тя може да работи както РНК-геном, така и като РНК-фермент.
Хипотезата за РНК-света не обяснява самото начало на възникването живите молекули на Земята, тя е за следващия етап на еволюцията, когато биомолекулите вече съществуват.
РНК- еволюция
Органичните вещества, попаднали в праокеана, вероятно, са се натрупвали в вид, напомнящ нефтено петно. Според модела на С. Фoкс, можe да се предположи, че при висока температура и под действието на ултравиолетовите лъчи възникват протеиноидни микросфери, полинуклеотиди и многослойни мембрани. В този свят няма нито ДНК, нито белтъци. Първичната матрица била РНК, защото тя можела да синтезира без участието на специализирани ензимни системи.
Някои древни системи РНК може би са имали възможност да катализират синтеза на прости белтъци. Ключът е в структурата на РНК. Тъй като е единична спирала, отделни части от веригата ще могат да се сдвояват, да се съединяват, благодарение на принципа на комплементарност за синтез на нови вериги. Било е възможно да копира собствената си линейна последователност, с други думи да се възпроизвежда (да се репликира).
Следващия процес е транслацията. На РНК започнали да синтезиратя белтъци и има множество хипотези, как и защо е станало това: Отношения между РНК-частиците и протеиноидните микросфери може би са били по типа хищник — жертва. До тази мисъл ни води агресивността на атакуващите клетката нуклеинови киселини на РНК-вирусите. Те са може би най-древните, запазили се до наши дни организми, способни да встъпват в симбиоза с гените на приемника. Първичните РНК-частици също, вероятно, са можели да се превръщат от хищници в симбионти на микросферите.
Възможно е групи от други аминокиселини да са оформили слаби включения на специфични места в определени молекули РНК. Аминокиселините се прехващат във вдлъбнатините на молекулите РНК, а позиционирани така аминокиселините могат по-лесно да се свържат взаимно за да формират полипептидната верига на белтъците.
Смята се, че последна се появила ДНК. Тъй като РНК е по-нестабилна, ДНК започнала да изпълнява функците на геном, а РНК запазила само част от функците, които имала в РНК-света. Възможно е отначало за репликация на ДНК да е трябвало тя да се преведе в РНК-копие, а после по пътя на обратната транскрипция да синтезира нова ДНК. Но на някакъв етап вече появила репликация на ДНК без РНК-посредник. Все пак съвсем без РНК и досега не може да се мине.
Сценарият накратко:
Предполагаемият ред е:
- каталитичните функции на рибозимите и репликация на РНК;
- транслация;
- обратна транскрипция и транскрипция РНК на ДНК;
- ДНК-репликация;
- компактизация на ДНК, което позволило да се увеличи размера на генома.
Етап 1: Молекулите РНК се образуват от рибоза и други органични съединения
Етап 2: РНК развиват способност за авторепликация – синтез на копия на самите себе си
Етап 3: Молекулите РНК влизат в ролята на матрица, синтезираща белтъци.
Етап 4: Първите клети вероятно са използвали РНК за памет, като матрици (с помощта на белтъците) за синтез на ДНК.
Етап 5: ДНК става доминиращ носител на информация. Тя направлява синтеза на белтъците на РНК-матриците. Белтъците, участват в репликацията на ДНК и нейната транскрипция, т. е. синтеза на РНК-копия. Доминиращият пренос на информация се осъществява по посока: ДНК -> РНК -> Белтъци.
Някои проблеми на хипотезата за РНК-света
Проблем на хипотезата за РНК-света, който още не е изяснен засега, е как се е появила самокопиращата се РНК. Засега в природата не е открит рибозим, който да може да се самокопира. Нуклеотиди не са намерени и при опити от типа Милер-Ури. Най-простата хипотеза е, че нуклеотидите са били формирани от преки химични реакции на съединяване на рибоза с базите нуклеинови киселини и фосфат (които са били достъпни в “пребиотичния бульон”). После тези рибонуклеиди са спонтанно съединени, образувайки полимери, някои от които случайно били способни да създават свое собствено копие. Засега тази хипотеза не е потвърдена опитно. Напоследък ентусиазмът около хипотезата за РНК-света е спаднал. РНК е химически крехка и е трудно да се синтезира абиотично. А и диапазонът на каталитичната й активност е доста тесен.
Илюстрация: Michigan Center for Biologic NanotechnologyA.Г. Кернс-Смит смята, че РНК е твърде сложно устроена и твърде дълга за ролята на първичен генен носител. Вместо нея за тази роля той предлага кристалите на глината. Сериозен кандидат за пра-информационна молекула e и пептидната нуклеинова киселина или ПНК(pNA) – хибрид на аминокиселина и РНК. При него базите са пептидни, за разлика от захарния фосфат на РНК. РНК е по-стабилна от РНК и се оказва че по-лесно се синтезира в пребиотични условия, още повече че синтезът на рибоза и фосфатните групи излезе проблематичен. Милер още преди четвърт век, преди да стане известна ролята на ДНК казва: “В ролята на генетичен материал може да влезе всяко съединение, което при определени условия (в протоплазмата или където и да е) е способно да се самовъзпроизвежда със запазване на специфичния си състав и което освен това, периодично се изменя — мутира — и пак запазва способността си за самовъзпроизвеждане в цялото разнообразие на своите форми”…
Хипотезата за РНК-света е доразвита от Ейген като “РНК-хиперцикли”. РНК произвежда ензим, който помага да с копира следващата РНК и процеса се затваря в цикъл. Може да прочетете подробно за това в темата: Хиперциклите Трябва да отбележим, че процесите на развитие (от простото към сложното, в т. ч. на биологически системи от добиологически) са принципно невъзможни в рамките на класическата термодинамика. Едва в последните 20-25 г. е отбелязан реален прогрес в обяснението на процесите на възникването на живота и е свързан с приложението на теорията за самоорганизиращите се системи.
Източник:
Introduction to the RNA World, Junichi Komoto
A new era for the RNA world, Matthias W. Hentze, Elisa Izaurralde & Bertrand Séraphin, Conference: RNA 2000
Exploring the New RNA World,Thomas R. Cech, 1989 Nobel Laureate in Chemistry Structural Basis for an RNA World, Jamie Cate
Scientists Debate RNA’s Role at Beginning of Life on Earth, Ricki Lewis RNA world hypothesis, Wikipedia
Есть ли в природе общая идея? «ЗС» №4/1997
The RNA World: A Critique, Gordon C. Mills, Dean Kenyon
РНК — фермент, ТОМАС Р. ЧЕК, Scientific American. (Издание на русском языке). 1987. № 1
B-form DNA and A-form RNA Наномашины получат каркас из молекул РНК, Наука и техника
ДНК или РНК: кто более матери-Природе ценен?, Складнев Д.А.
Синтез ДНК, РНК и белков, Факультет молекулярной и биологической физики МФТИ. ФМБФ. Московский физико-технический институт
Biosphere Origin and Evolution – Springer[PDF]
Appendix A: Early Development [Stem Cell Information]
Molecular Level of Genetics Protein synthesis, Günter Blobel, The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1999
RNA World, Brunella Danesi
БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ, МИР РНК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ, А.С. Спирин
Неинтелигентният дизайн
![begem0t::b[io]log-пей ми пенке ле, кой ли ми те слуша](http://bgchaos.com/frends/begemot.png){kind=small}
цитат: “През 1975 г. Ховард Темин и Дейвид Балтимор независимо един от друг открили обратната транскрипция.”
През 1975 са получили Нобелова награда за това; всъщност самото откритие е станало през 1970-1
поправям веднага
РНК-светът – едно от “хипотетичните спасения” на еволюционизма.
Теорията на еволюцията е научен факт. Тя няма нужда от “спасения”.
“Днес това се смята за общопризнат факт, че първата стъпка към възникването на живота е репликацията на РНК без участието на белтъци.”
Сега ще проверим истинността на вашето твърдение.
В научно изследователска статия със заглавие:
„Emergence of a fast-reacting ribozyme that is capable of undergoing continuous evolution“
Sarah B. Voytek and Gerald F. Joyce
публикувана на 25 септември 2007 г. в PNAS, тоест 5 години преди да напишете вашата статия от 26.01.2012 г., можем да се уверим доколко вярно отразявате РНК свят „без участието на белтъци“. В статията четем следното:
„Това усилие включва няколко структурни модификации на лигазата клас I, включително добавянето на голям допълнителен домейн с произволна последователност, последвано от 24 кръга на поетапна еволюция и обширен скрининг на клонирани индивиди.
Друга линия на изследване, започваща с лигазата от клас I, доведе до създаването на система за непрекъсната in vitro еволюция на рибозими ( 14 ). Тази система работи при постоянна температура в общ реакционен съд. Тя използва олигонуклеотиден субстрат, съдържащ промотор, и два протеина, обратна транскриптаза и РНК полимераза, за да се осъществи селективна амплификация на реактивни рибозими ( фиг. 1 ).“
Експериментите на Джералд Ф. Джойс изискват предварително синтезирани рибозими (създадени от учени в лабораторията) при строго контролирани условия (pH, температура, концентрации), които не са съществували на ранната Земя. Това не е пребиотично реалистично. На ранната Земя нямаше “учени” да приготвят чисти активирани нуклеотиди с D-хирални молекули и да ги полимеризират в специфична последователност.
Джералд Ф. Джойс ни разказва за света на РНК, който според него е съществувал в началото на живота и там не е имало протеини. Въпреки това, той използва две големи протеинови машини – обратна транскриптаза и РНК полимераза. Обратната транскриптаза е високоспециализиран и изключително сложен протеинов ензим, който функционира като молекулярна машина с маса около 117 kDa и дължина около 1000 L-аминокиселини. РНК полимеразата е чудесен пример за голяма, сложна и ефективна наномашина, която е фундаментална за живота. Това е голям протеинов комплекс с 13 субединици и около 3518 L-аминокиселини. Мислите ли, че Джералд Ф. Джойс е честен, когато използва ГОТОВИ ПРОТЕИНОВИ МАШИНИ, докато ни убеждава в свят на РНК без протеини? А на всичко отгоре протеиновите машини и рибозимите са изградени от L и D хомохирални енантиомери, при положение, че никой до сега не е демонстрирал натурална хомохирална селекция на аминокиселини и нуклеотиди в една и съща среда, при еднакви условия.
Друг голям проблем пред РНК-света, за който учените премълчават е невъзможността да съществуват стабилни форми на пурини и пиримидини в една една и съща среда. Пуриновите нуклеотиди (AMP, GMP) са нестабилни при pH ≥7, а се стабилизират в кисела среда. Докато пиримидините като цитидин (CMP) е критично нестабилен при pH <7 и изисква алкално pH. Уридин (UMP) и урацил са сравнително стабилни около pH 7.
Не само екипът на Джералд Джойс, но и всички учени работещи по доказване на хипотезата за така наречения РНК-свят използват методи, средства и субстрати, за които отлично знаят, че не са съществували на ранната Земя. Всички техни експерименти са силно подвеждащи, тъй като са проведени в изкуствена лабораторна среда, която не отразява реалните условия, за които се твърди, че са имитирани. Аналогични са и твърденията за „голям напредък“ в доказване на хомохиралната селекция на аминокиселини и захари.
Ето част от учените, които се занимават с доказване на хипотезата за така наречения РНК-свят.
1. Томас Чек (Thomas Cech): Нобелов лауреат (1989), открива рибозимите (РНК молекули с каталитична функция).
2. Сидни Олтмен (Sidney Altman): Нобелов лауреат (1989, споделена с Чек), независимо открива каталитичните свойства на РНК (в РНКаза P).
3. Джералд Джойс (Gerald Joyce): (Институт „Скрипс“, Калифорния) Пионер в in vitro еволюцията на РНК. Неговата лаборатория разработва системи за саморепликиращи се РНК молекули и изследва как РНК може да еволюира в лабораторни условия, симулирайки пребиотична еволюция.
4. Джак Шостак (Jack Szostak): (Харвардска медицинска школа, Хюис) Нобелов лауреат (2009 за теломерите), но силно ангажиран с пребиотичната химия. Неговата лаборатория провежда експерименти с протовезикули (липидни мехурчета) в присъствието на РНК, неензимна репликация на РНК (търсене на начини РНК вериги да се копират без сложни ензими), еволюция на рибозими с нови функции.
5. Дейвид Бартел (David Bartel): (Уайтхедов институт за биомедицински изследвания, MIT) Разработва мощни техники за in vitro еволюция. Неговата група е открила и изследвала множество рибозими, включително такива, които катализират синтеза на РНК полимеразни рибозими.
6. Лесли Орджел (Leslie Orgel)†: (Институт „Салк“) Пионер в пребиотичната химия. Провежда основополагащи експерименти върху неензимна репликация на нуклеинови киселини (вкл. РНК) с помощта на шаблони и активирани нуклеотиди.
7. Манфред Ейген (Manfred Eigen)†: (Институт „Макс Планк“ за биофизична химия) Нобелов лауреат (1967). Разработи теорията на хиперциклите – предполагани механизми за кооперация между самовъзпроизвеждащи се молекули (като РНК) в пребиотичната супа.
8. Джон Съдън (John Sutherland): (MRC Laboratory of Molecular Biology, Кеймбридж, Великобритания) Изследва пребиотичните синтези на нуклеотиди (градивните блокове на РНК). Неговата група постигна значителен напредък в показването на реалистични пребиотични пътища за едновременно образуване на рибоза, бази и фосфат, водещи до ключови РНК нуклеотиди.
9. Питер Унрау (Peter Unrau): (Университет „Саймън Фрейзър“, Канада) Работи върху идентифицирането и характеризирането на нов рибозим (R18 полимераза) чрез in vitro еволюция, който демонстрира примитивна РНК-зависима РНК полимеразна активност – ключов елемент за самокопиране.
10. Филип Холигер (Philipp Holliger): (MRC Laboratory of Molecular Biology, Кеймбридж, Великобритания) Разработва и изучава рибозимни полимерази, получени чрез in vitro еволюция, които могат да копират по-дълги РНК последователности, включително себе си до известна степен (саморепликация).
11. Николас Худ (Nicolas Hud): (Институт „Джорджия“ за Технология, САЩ) Фокусира се върху ролята на не-РНК молекули (като пептиди или протеиноиди) в помощ на стабилизирането и репликацията на ранна РНК. Изследва как взаимодействията РНК-пептид може да са предшествали появата на рибозомите.
12. Константин Бокленко (Constantine Bokov) & Сергей Стайнберг (Sergey Steinberg): (Университет „Монреал“, Канада) Използват биоинформатика и структурен анализ за да разберат еволюцията на рибозомите, търсейки „фосили“ в структурата на съвременната РНК, които подкрепят идеята за древен свят, доминиран от РНК катализа.
В заключение, рибозимните полимерази не могат ефективно и точно да копират сами себе си в пълна самоподдържаща се система (саморепликация).
Няма система, при която един рибозим (или малка група) може ефективно, точно и устойчиво да копира цялата си собствена дължина и сложност, за да поддържа истинска саморепликация и еволюция без значителна външна помощ (която не е била налична в пребиотичната среда). Ключови проблеми с точността са липсата на защита срещу грешки. Рибозимите нямат механизми за корекция на грешки, каквито имат протеиновите полимерази. Средната грешка е 1 на 50–100 нуклеотида, което е „Катастрофа на грешките”. При >1 грешка на 70–100 nt, информацията се губи за 1–2 поколения.
Хипотезата за РНК-свят не обяснява произхода на информацията. Произволната полимеризация на нуклеотиди не създава кодирани инструкции и семантика.
Определено смятам, че фактите представени от г-н И. Иванов доказват по абсолютен начин идейната несъстоятелност и анахронизъм на така наречената псевдо-научна доктрина Абиогенеза.