СВІТ РНК, АБО СВІЖИЙ ПОГЛЯД НА ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ

В основі всього життя на Землі лежить РНК
Основою сучасних живих істот є ДНК і білки

Андрій М. ЗАМОРОКА 

Людина завжди задумувалась над глобальними, чи то пак фундаментальними, питаннями існування світу. Немає значення чи то існування Бога, душі, реінкарнації, чи то виникнення Всесвіту, життя, або самої людини. Такою вже є риса нашої з Вами натури, що ми хочемо докопатися до суті буття, дізнатись звідки все взялось і куди все подінеться після нас. Мабуть, від того часу, як людина усвідомила себе, вона задавалась питанням звідки взявся довколишній світ, а особливо звідки взялись живі істоти? Існувало багато пояснень від волі всемогутнього Творця до теорій про постійне самозародження. Подвиг Чарльза Дарвіна, у буквальному розумінні цього слова, нарешті поставив це надскладне питання на наукові рейки, і найкращі уми планети взялись за штурм цієї головоломки…

Журнал Станіславівський натуралісТ


Моделі білків
Моделі білків

Усі, без винятку, живі істоти на Землі побудовані з білків – вони виконують як структурну, так і каталітичну функції. Разом зі спадковими молекулами ДНК білки забезпечують відтворення і безперервність життя. Логічним кроком було будувати гіпотези про виникнення живої матерії, починаючи з білків. Саме на цьому і ґрунтувалась теорія Олександра Опаріна, створена у 1923 році. Він стверджував, що на первісній Землі умови довколишнього світу абсолютно відрізнялись від сучасного – не було кисню, а атмосфера складалась із вуглекислого газу, аміаку, метану тощо. Атмосферу пронизувало жорстке ультрафіолетове проміння, бо ще не було озону, температура була куди вища, адже проявлявся парниковий ефект, повітря протинали блискавиці – усе це сприяло утворенню органічних речовин, які осідали у первісних океанах, утворюючи первісний бульйон. А там відбувались хімічні реакції полімеризації цукрів, білків та нуклеїнових кислот. Правдивість теорії О. Опаріна була підтверджена у 1953 році Стенлі Міллером, який в лабораторії зумів відтворити умови древньої Землі і одержати органічні сполуки із неорганічних лише пропусканням електричних розрядів через досліджуване середовище. Як виявилось, органічні речовини мають здатність до самоорганізації, утворюючи коацервати – відокремлені від водного середовища концентровані краплини органіки. Відтак, вважається, що розпочалась біохімічна еволюція, яка призвела до виникнення живих істот. Проте, усі, без винятку, біологи згідні з тим, що ця теорія не пояснює як виник складний процес передачі інформації з ДНК на білок, якщо наріжним каменем зародження життя був сам білок. У сучасних організмів цей механізм представлений трьома основними стадіями: транскрипцією – передачею інформації з ДНК на РНК; дозріванням РНК – видалення зайвих послідовностей нуклеотидів, які не несуть інформації для синтезу білка; трансляцією – передачею інформації з дозрілої РНК на білок. У цій схемі існує один зворотній зв’язок, коли інформація, наприклад у ретровірусів (сумнозвісні СНІД та рак), передається з РНК на ДНК, але невідомо жодного випадку передачі інформації з білка на РНК чи ДНК. Тобто, за умови, що білок є першопричиною життя, виникнення механізму синтезу самого білка і передачі спадкової інформації завела усю біологічну науку у глухий кут. І здавалось, що ця загадка уже ніколи не буде розкритою, аж раптом з’являється альтернативна, цілком наукова і логічна гіпотеза виникнення життя на основі РНК, яка почала дуже серйозно завойовувати прихильність біологів.

Фрагмент дволанцюгової РНК
Фрагмент дволанцюгової РНК

Вперше ідея про можливість зародження життя не на основі білків, а на основі РНК була висловлена Олександром Річем у 1962 році, згодом підтримана Карлом Воезом у 1967, але виразності набула лише у 1986 році завдяки працям Вальтера Ґілберта. Основними положеннями цієї гіпотези є здатність РНК, так само як і ДНК, кодувати, зберігати та передавати генетичну інформацію, наприклад, згадувані ретровіруси; а ще однією властивістю РНК є її каталітичні здатності, тобто виконання функції білків з прискорення біохімічних реакцій. Згідно гіпотези світу РНК, коацервати захоплювали вільні нуклеотиди і цілі послідовності – короткі ланцюги РНК, які накопичувались всередині них, а також синтезувались у навколишньому середовищі. Властивість РНК до спонтанного самовідтворення без участі білкових каталізаторів дає усі підстави вважати, що до-біологічні “клітини” були концентратами РНК. Тобто РНК виконує функції самокаталізу (рибозими), що підтверджено лабораторними дослідженнями – 189-и нуклеотидний ланцюг здатен відтворювати самого себе з точністю до 98,9%. Проте, самі молекули РНК не є стабільними і піддаються розкладу навіть водою, тому природній добір ішов шляхом стабілізації РНК за допомогою амінокислот. Водночас, комплекси із амінокислотами та короткими ланцюгами білків – пептидів, надавали РНК вищих каталітичних властивостей. Спершу білки, по суті, “висіли” на молекулах РНК, але в ході еволюції відокремились, виконуючи функцію структурних елементів та ферментів, – це був шлях розвитку білок-синтетичного апарату і переходу до “білкового життя”. Синтез білків у сучасних організмів відбувається завдяки взаємодії трьох різних типів РНК: мРНК – матрицева, рРНК – рибосомальна, тРНК – транспортна. В лабораторних умовах короткі білкові ланцюги синтезуються на невеликих ланцюгах РНК, які значно менші, ніж в рибосомах. Біологи вважають, що рРНК еволюціонувала саме від таких коротколанцюгових РНК.

Реплікація ДНК (1 ланцюг, що лідирує; 2 ланцюг, що відстає; 3 ДНК-полімераза-1; 4 ДНК-лігаза; 5 РНК праймер; 6 ДНК-праймаза; 7 фрагмент Оказакі; 8 ДНК-полімераза-2; 9 геліказа; 10 стабілізуючі білки; 11 топоізомераза)
Реплікація ДНК (1 ланцюг, що лідирує; 2 ланцюг, що відстає; 3 ДНК-полімераза-1; 4 ДНК-лігаза; 5 РНК праймер; 6 ДНК-праймаза; 7 фрагмент Оказакі; 8 ДНК-полімераза-2; 9 геліказа; 10 стабілізуючі білки; 11 топоізомераза)

Інший напрямок еволюції РНК – це виникнення спадкового механізму, який формувався уже після виникнення механізмів синтезу білка, адже виникла потреба збереження і передачі каталітичних властивостей білка дочірнім молекулам РНК. Еволюційний добір залишав лише ті молекули РНК, які зберігали інформацію про білки і передавали її на інші типи РНК, що у свою чергу були задіяні у синтезі білка. В цей момент до-біологічна еволюція перетинає рубікон життя і розпочинається біологічна еволюція, оскільки спадкова інформація передавалась від однієї особини до іншої. Одержання білками самостійних каталітичних властивостей спричинило виникнення нуклеаз – ферментів здатних до руйнації РНК. Тому еволюція пішла шляхом створення і перебирання спадкових властивостей молекулою ДНК. Загалом, ДНК і РНК дуже схожі між собою, їх принциповою відмінністю є структура цукру, який утворює “скелет” молекули. У ДНК цей цукор представлений дезоксирибозою (звідси і назва ДНК – дезоксирибонуклеїнова кислота), а у РНК – рибозою (рибонуклеїнова кислота). Перша від другої відрізняється відсутністю гідроксильної групи (атом кисню і водню) у положенні третього атому вуглецю. Саме завдяки цьому ДНК має більшу стабільність, а ніж РНК, а отже, й більш надійний депозитарій для генетичної інформації. Доказом походження ДНК від РНК є те, що для початку реплікації ДНК необхіден коротенький фрагмент РНК, інакше реплікація не відбудеться – це відголосок давно минулих мільярдоліть.

Ви можете придбати друкований журнал “Станіславівський натураліст”, перейшовши за цим лінком

Гіпотеза світу РНК має надзвичайне значення для визначення життя, яке нині представлене білками та ДНК, а роль РНК лише рудиментарна – виконання функції посередника. Дана гіпотеза має як своїх прихильників, так і своїх противників, як сильні сторони – цілком пояснює виникнення життєво необхідних механізмів клітини і їх еволюцію, а також слабкі – не може пояснити пре-біологічний синтез цитозину, взаємодію цукрів з формальдегідами, труднощі синтезу нуклеотидів тощо. Проте, всі ці але не є принциповими і основними, вони чекають ще свого пояснення.

50 S частинка прокаріотичної рибосоми (синім - РНК, жовтим - білок, червоним - каталітичний центр)
50 S частинка прокаріотичної рибосоми (синім - РНК, жовтим - білок, червоним - каталітичний центр)

Нещодавно – у 2001 році, гіпотеза світу РНК отримала одне з вагомих підтверджень. Розшифрування тривимірної структури рибосоми показало, що ключові каталітичні сайти рибосоми розташовані не на білках, як вважалось досі, а на РНК, тоді як білки виконують лише захисну та структурну функції в утриманні просторової структури рРНК. Це відкриття підтверджує гіпотезу про можливість синтезу білків первісними РНК без участі перших.

Як би там не було, але організми, в яких РНК відігравала ключову роль вимерли кілька мільярдів років тому, хоча сьогодні відомо 33 види унікальних “істот”, які називаються віроїдами. Віроїди – це рослинні внутрішньоклітинні паразити, які представлені у вигляді замкненої дволанцюгової РНК з каталітичним центром, які були відкриті у 1971 році Теодором Діенером. За своєю структурою – це коротколанцюгові РНК, найменший віроїд має лише 220 нуклеотидів, а в середньому 350-500 нуклеотидів, для порівняння найменший РНК-вмісний вірус нараховує дещо більше 2 тис. нуклеотидів. Цікаво, що послідовність нуклеотидів у віроїдів не кодує жодного білка, але дуже активно конкурує із клітинними структурами за білковий фермент РНК-полімеразу ІІ, перешкоджаючи синтезу мРНК, а відповідно й білків. Механізм інфікування рослин віроїдами ще нерозкритий, а симптоми віроїдних захворювань проявляються в гальмуванні росту та спотворенні органів. Походження віроїдів залишається великою загадкою для науковців, найбільш поширеною є гіпотеза “інтрона-втікача” – структурної частини інформаційної РНК, яка видаляється ферментами при її дозріванні і формуванні мРНК. А може це таємнича істота, яка збереглась ще з тих найдревніших часів, коли життя лише виникло?…

Автору буде корисно та цікаво знати Вашу думку про написану розповідь. Залишіть свій відгук про статтю у вікні нижче. Вкажіть своє ім’я чи нік, емейл, напишіть текст, введіть два слова запропоновані програмою у віконечку нижче і натисніть submit

 

admin Written by:

16 Comments

  1. Анна
    Вересень 30, 2008
    Reply

    Чудова стаття! Все описано досить простою, але цікавою мовою. Дякую.

  2. Оля
    Січень 29, 2011
    Reply

    А дайте відповідь, будь-ласка, а чому Ви пишите, що віроїди – дволанцюгові? В іншій літературі пишуть, що вони одноланцюгові.

  3. Січень 29, 2011
    Reply

    Пані Олю, Ви праві, – віроїди є одноланцюговою кільцевою РНК, однак, ця РНК є висококомплементарною, то ж утворює дволанцюгову спіраль, з цієї позиції віроїди – дволанцюгові із замкненими кінцями. Ці два варіанти опису віроїдів є тотожними. Погляньте на їх структуру: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/PSTviroid.png

Напишіть відгук

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *