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: Репликация. Синтез на дъщерна ДНК на ДНК-матрицата; Транскрипция. Синтез на РНК на ДНК-матрицата; Транслация. Синтез на белтък на РНК-матрицата. 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

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:

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 Nanotechnology

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