1. Чи був на Землі мир РНК? Для виникнення генетичного коду на Землі повинні були з'явитися відразу...
2. Чи був на Землі мир РНК?

Чи був на Землі мир РНК?

Для виникнення генетичного коду на Землі повинні були з'явитися відразу і білки, і нуклеїнові кислоти.

«На початку була хімія». (Ілюстрація: Max Englund.)

<

>

Як відомо, в основі життя лежить «співдружність» нуклеїнової кислоти і білка. Нуклеїнові кислоти зашифровують в собі генетичну інформацію (тобто інформацію про будову білків), а білки виконують хімічні реакції, які самі по собі йти не можуть (в тому числі і реакцію копіювання нуклеїнової кислоти).

Іншими словами, білок не може з'явитися без нуклеїнової кислоти, а нуклеїнова кислота - без білка. Але тоді виникає питання, як міг виникнути генетичний код. Все не могло раптом зібратися випадково і заробити: ймовірність випадкової збірки найпростішої системи з білка і нуклеїнової кислоти зникаюче мала.

Коли говорять, що білки виконує хімічні реакції, то мають на увазі, що вони їх каталізує, прискорюють. Білки-каталізатори називають ферментами, і їх існує величезна кількість (хоча ферменти - це все-таки не все білки). Такий успіх на ферментативном терені обумовлений загальною структурою білкової молекули: як ми знаємо, будь-який білок представляє собою довгий ланцюжок з амінокислот, які взаємодіють один з одним, так що ланцюжок починає згинатися і згортатися в досить складну тривимірну структуру.

Саме від тривимірної структури залежить функція білка, і у кожного білка є свій особливий 3D-портрет, так що структура міоглобіну, який утримує кисень в наших м'язах, помітно відрізняється від структури травного ферменту трипсину, що розщеплює інші білки на частини. Більш того, окремі амінокислотні ланцюги можуть взаємодіяти один з одним (як, наприклад, у випадку з гемоглобіном, який формується чотирма молекулами глобина), і функція тут залежить вже від того, як вони взаємодіють. Загалом, білки можна пристосувати для самих різних реакцій.

А ось нуклеїнові кислоти не можуть каталізувати нічого - в усякому разі, раніше так здавалося. Тому і виникала проблема, хто був на Землі раніше: білки не могли з'явитися без генетичного коду і його носіїв - ДНК і РНК, а нуклеїнові кислоти не могли з'явитися без білків.

Але потім виявилося, що серед РНК є такі, які можуть каталізувати реакцію складання інших РНК, і що такі каталітичні РНК можна навіть змусити копіювати самих себе. І незабаром виникла гіпотеза світу РНК, згідно з якою РНК на початку еволюції живого обходилися взагалі без білка - одночасно і кодували інформацію, і самі розмножувалися. Білки ж з'явилися пізніше як набагато більш ефективні каталізатори.

Але дослідники з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл і Оклендського університету стверджують, що гіпотеза світу РНК насправді невірна, і що до неї просто занадто звикли, щоб звертати увагу на її слабкі місця і на нові дані, які говорять не на її користь. Автори роботи вважають, що ключова подія в зародженні життя - це не те, що нуклеїнові кислоти «навчилися» самі себе копіювати, а то, що з'явився механізм, який поставив у відповідність певним комбінаціям в нуклеїнової кислоти певні амінокислоти. Іншими словами, найважливіше в зародженні життя - поява генетичного коду, коли генетична інформація дійсно стала інформацією.

За весь час існування гіпотези світу РНК ніхто так і не зміг - навіть приблизно - змоделювати, як випадкова самокопіюється система з нуклеїнових кислот могла стати найвищою мірою невипадковою, і як в ній могли з'явитися ті властивості, які є у системи з нуклеїнових кислот і білків . У той же час є сучасні біохімічні та біоінформатіческіе дослідження, які вказують на те, що нуклеїнові кислоти і білки були разом самого початку, і інформація виникала паралельно і взаємозалежно відразу в двох «носіях».

Як це могло відбуватися, описується в статті в Molecular Biology and Evolution . Чарльз Картер (Charles Carter) і Пітер Уиллс (Peter Wills) зосередилася на ферментах аміноацил-тРНК-синтетаз, або арсазах. Вони з'єднують амінокислоти з транспортними РНК (тРНК), які називаються так тому, що приносять потрібні амінокислоти туди, де синтезується білок. Кожну амінокислоту потрібно причепити до її тРНК, і саме цю роботу виконують арсази. Фермент має точно дізнатися тРНК і амінокислоту, яку він збирається до неї приєднати; якщо фермент спрацює неточно, то при синтезі білка виникне помилка і білок може виявитися неробочим, а то і взагалі шкідливим.

Тут важливо, що арсази з'єднують тРНК і амінокислоти відповідно до правил генетичного коду: в певному місці в молекулах тРНК є послідовності з трьох нуклеотидів, які відповідають тій чи іншій амінокислоті, і фермент повинен розпізнати цю послідовність. Іншими словами, арсази виконують перший етап переведення генетичної інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот.

Як ми знаємо, амінокислот, з яких синтезуються білки, всього 20 - і стільки ж в клітинах плаває ферментів арсаз, по одній на кожну амінокислоту. Але за структурою вони діляться на дві різні сім'ї, по 10 ферментів в кожній. Кожна сім'я сталася від власного білка-предка, і недавні дослідження тих же Чарльза Картера і Пітера Уиллса показали, що обидва білка-предка для кожного сімейства арсаз колись кодував один і той же ген, просто один білок був закодований в ньому в одному напрямку, а інший - в іншому. (Відповідно, ген потрібно було читати в обидві сторони.)

Обидва предка зв'язувалися всього лише з двома амінокислотами - і обсяг генетичної інформації обмежувався лише двома амінокислотами (нагадаємо, що генетична інформація народжувалася тоді, коли встановлювалося відповідність між послідовністю нуклеотидів і амінокислотами). Але і білки, і нуклеїнові кислоти змінювалися, з'являлися нові арсази, код ускладнювався, нова генетична інформація формувалася під неослабним дією відбору - і головне, що і білки, і нуклеїнові кислоти повинні були еволюціонувати паралельно, і історія арсаз добре це демонструє.

Втім, якими були найперші білки, ми зараз може тільки здогадуватися, і, очевидно, авторам роботи доведеться докласти ще чимало зусиль, щоб переконати всіх в своїх міркуваннях, все-таки «світ РНК» - дійсно дуже і дуже шановна гіпотеза.

З іншого боку, якщо зараз вже відомо, що і білки , і нуклеїнові кислоти як такі могли з'явитися порівняно просто, то у нас все одно залишається проблема виникнення саме генетичного коду. І не виключено, що тут все відбувалося за таким же сценарієм, як з арсазамі - незалежно від того, хто виник першим.

Чи був на Землі мир РНК?

Для виникнення генетичного коду на Землі повинні були з'явитися відразу і білки, і нуклеїнові кислоти.

«На початку була хімія». (Ілюстрація: Max Englund.)

<

>

Як відомо, в основі життя лежить «співдружність» нуклеїнової кислоти і білка. Нуклеїнові кислоти зашифровують в собі генетичну інформацію (тобто інформацію про будову білків), а білки виконують хімічні реакції, які самі по собі йти не можуть (в тому числі і реакцію копіювання нуклеїнової кислоти).

Іншими словами, білок не може з'явитися без нуклеїнової кислоти, а нуклеїнова кислота - без білка. Але тоді виникає питання, як міг виникнути генетичний код. Все не могло раптом зібратися випадково і заробити: ймовірність випадкової збірки найпростішої системи з білка і нуклеїнової кислоти зникаюче мала.

Коли говорять, що білки виконує хімічні реакції, то мають на увазі, що вони їх каталізує, прискорюють. Білки-каталізатори називають ферментами, і їх існує величезна кількість (хоча ферменти - це все-таки не все білки). Такий успіх на ферментативном терені обумовлений загальною структурою білкової молекули: як ми знаємо, будь-який білок представляє собою довгий ланцюжок з амінокислот, які взаємодіють один з одним, так що ланцюжок починає згинатися і згортатися в досить складну тривимірну структуру.

Саме від тривимірної структури залежить функція білка, і у кожного білка є свій особливий 3D-портрет, так що структура міоглобіну, який утримує кисень в наших м'язах, помітно відрізняється від структури травного ферменту трипсину, що розщеплює інші білки на частини. Більш того, окремі амінокислотні ланцюги можуть взаємодіяти один з одним (як, наприклад, у випадку з гемоглобіном, який формується чотирма молекулами глобина), і функція тут залежить вже від того, як вони взаємодіють. Загалом, білки можна пристосувати для самих різних реакцій.

А ось нуклеїнові кислоти не можуть каталізувати нічого - в усякому разі, раніше так здавалося. Тому і виникала проблема, хто був на Землі раніше: білки не могли з'явитися без генетичного коду і його носіїв - ДНК і РНК, а нуклеїнові кислоти не могли з'явитися без білків.

Але потім виявилося, що серед РНК є такі, які можуть каталізувати реакцію складання інших РНК, і що такі каталітичні РНК можна навіть змусити копіювати самих себе. І незабаром виникла гіпотеза світу РНК, згідно з якою РНК на початку еволюції живого обходилися взагалі без білка - одночасно і кодували інформацію, і самі розмножувалися. Білки ж з'явилися пізніше як набагато більш ефективні каталізатори.

Але дослідники з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл і Оклендського університету стверджують, що гіпотеза світу РНК насправді невірна, і що до неї просто занадто звикли, щоб звертати увагу на її слабкі місця і на нові дані, які говорять не на її користь. Автори роботи вважають, що ключова подія в зародженні життя - це не те, що нуклеїнові кислоти «навчилися» самі себе копіювати, а то, що з'явився механізм, який поставив у відповідність певним комбінаціям в нуклеїнової кислоти певні амінокислоти. Іншими словами, найважливіше в зародженні життя - поява генетичного коду, коли генетична інформація дійсно стала інформацією.

За весь час існування гіпотези світу РНК ніхто так і не зміг - навіть приблизно - змоделювати, як випадкова самокопіюється система з нуклеїнових кислот могла стати найвищою мірою невипадковою, і як в ній могли з'явитися ті властивості, які є у системи з нуклеїнових кислот і білків . У той же час є сучасні біохімічні та біоінформатіческіе дослідження, які вказують на те, що нуклеїнові кислоти і білки були разом самого початку, і інформація виникала паралельно і взаємозалежно відразу в двох «носіях».

Як це могло відбуватися, описується в статті в Molecular Biology and Evolution . Чарльз Картер (Charles Carter) і Пітер Уиллс (Peter Wills) зосередилася на ферментах аміноацил-тРНК-синтетаз, або арсазах. Вони з'єднують амінокислоти з транспортними РНК (тРНК), які називаються так тому, що приносять потрібні амінокислоти туди, де синтезується білок. Кожну амінокислоту потрібно причепити до її тРНК, і саме цю роботу виконують арсази. Фермент має точно дізнатися тРНК і амінокислоту, яку він збирається до неї приєднати; якщо фермент спрацює неточно, то при синтезі білка виникне помилка і білок може виявитися неробочим, а то і взагалі шкідливим.

Тут важливо, що арсази з'єднують тРНК і амінокислоти відповідно до правил генетичного коду: в певному місці в молекулах тРНК є послідовності з трьох нуклеотидів, які відповідають тій чи іншій амінокислоті, і фермент повинен розпізнати цю послідовність. Іншими словами, арсази виконують перший етап переведення генетичної інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот.

Як ми знаємо, амінокислот, з яких синтезуються білки, всього 20 - і стільки ж в клітинах плаває ферментів арсаз, по одній на кожну амінокислоту. Але за структурою вони діляться на дві різні сім'ї, по 10 ферментів в кожній. Кожна сім'я сталася від власного білка-предка, і недавні дослідження тих же Чарльза Картера і Пітера Уиллса показали, що обидва білка-предка для кожного сімейства арсаз колись кодував один і той же ген, просто один білок був закодований в ньому в одному напрямку, а інший - в іншому. (Відповідно, ген потрібно було читати в обидві сторони.)

Обидва предка зв'язувалися всього лише з двома амінокислотами - і обсяг генетичної інформації обмежувався лише двома амінокислотами (нагадаємо, що генетична інформація народжувалася тоді, коли встановлювалося відповідність між послідовністю нуклеотидів і амінокислотами). Але і білки, і нуклеїнові кислоти змінювалися, з'являлися нові арсази, код ускладнювався, нова генетична інформація формувалася під неослабним дією відбору - і головне, що і білки, і нуклеїнові кислоти повинні були еволюціонувати паралельно, і історія арсаз добре це демонструє.

Втім, якими були найперші білки, ми зараз може тільки здогадуватися, і, очевидно, авторам роботи доведеться докласти ще чимало зусиль, щоб переконати всіх в своїх міркуваннях, все-таки «світ РНК» - дійсно дуже і дуже шановна гіпотеза.

З іншого боку, якщо зараз вже відомо, що і білки , і нуклеїнові кислоти як такі могли з'явитися порівняно просто, то у нас все одно залишається проблема виникнення саме генетичного коду. І не виключено, що тут все відбувалося за таким же сценарієм, як з арсазамі - незалежно від того, хто виник першим.

Чи був на Землі мир РНК?

Для виникнення генетичного коду на Землі повинні були з'явитися відразу і білки, і нуклеїнові кислоти.

«На початку була хімія». (Ілюстрація: Max Englund.)

<

>

Як відомо, в основі життя лежить «співдружність» нуклеїнової кислоти і білка. Нуклеїнові кислоти зашифровують в собі генетичну інформацію (тобто інформацію про будову білків), а білки виконують хімічні реакції, які самі по собі йти не можуть (в тому числі і реакцію копіювання нуклеїнової кислоти).

Іншими словами, білок не може з'явитися без нуклеїнової кислоти, а нуклеїнова кислота - без білка. Але тоді виникає питання, як міг виникнути генетичний код. Все не могло раптом зібратися випадково і заробити: ймовірність випадкової збірки найпростішої системи з білка і нуклеїнової кислоти зникаюче мала.

Коли говорять, що білки виконує хімічні реакції, то мають на увазі, що вони їх каталізує, прискорюють. Білки-каталізатори називають ферментами, і їх існує величезна кількість (хоча ферменти - це все-таки не все білки). Такий успіх на ферментативном терені обумовлений загальною структурою білкової молекули: як ми знаємо, будь-який білок представляє собою довгий ланцюжок з амінокислот, які взаємодіють один з одним, так що ланцюжок починає згинатися і згортатися в досить складну тривимірну структуру.

Саме від тривимірної структури залежить функція білка, і у кожного білка є свій особливий 3D-портрет, так що структура міоглобіну, який утримує кисень в наших м'язах, помітно відрізняється від структури травного ферменту трипсину, що розщеплює інші білки на частини. Більш того, окремі амінокислотні ланцюги можуть взаємодіяти один з одним (як, наприклад, у випадку з гемоглобіном, який формується чотирма молекулами глобина), і функція тут залежить вже від того, як вони взаємодіють. Загалом, білки можна пристосувати для самих різних реакцій.

А ось нуклеїнові кислоти не можуть каталізувати нічого - в усякому разі, раніше так здавалося. Тому і виникала проблема, хто був на Землі раніше: білки не могли з'явитися без генетичного коду і його носіїв - ДНК і РНК, а нуклеїнові кислоти не могли з'явитися без білків.

Але потім виявилося, що серед РНК є такі, які можуть каталізувати реакцію складання інших РНК, і що такі каталітичні РНК можна навіть змусити копіювати самих себе. І незабаром виникла гіпотеза світу РНК, згідно з якою РНК на початку еволюції живого обходилися взагалі без білка - одночасно і кодували інформацію, і самі розмножувалися. Білки ж з'явилися пізніше як набагато більш ефективні каталізатори.

Але дослідники з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл і Оклендського університету стверджують, що гіпотеза світу РНК насправді невірна, і що до неї просто занадто звикли, щоб звертати увагу на її слабкі місця і на нові дані, які говорять не на її користь. Автори роботи вважають, що ключова подія в зародженні життя - це не те, що нуклеїнові кислоти «навчилися» самі себе копіювати, а то, що з'явився механізм, який поставив у відповідність певним комбінаціям в нуклеїнової кислоти певні амінокислоти. Іншими словами, найважливіше в зародженні життя - поява генетичного коду, коли генетична інформація дійсно стала інформацією.

За весь час існування гіпотези світу РНК ніхто так і не зміг - навіть приблизно - змоделювати, як випадкова самокопіюється система з нуклеїнових кислот могла стати найвищою мірою невипадковою, і як в ній могли з'явитися ті властивості, які є у системи з нуклеїнових кислот і білків . У той же час є сучасні біохімічні та біоінформатіческіе дослідження, які вказують на те, що нуклеїнові кислоти і білки були разом самого початку, і інформація виникала паралельно і взаємозалежно відразу в двох «носіях».

Як це могло відбуватися, описується в статті в Molecular Biology and Evolution . Чарльз Картер (Charles Carter) і Пітер Уиллс (Peter Wills) зосередилася на ферментах аміноацил-тРНК-синтетаз, або арсазах. Вони з'єднують амінокислоти з транспортними РНК (тРНК), які називаються так тому, що приносять потрібні амінокислоти туди, де синтезується білок. Кожну амінокислоту потрібно причепити до її тРНК, і саме цю роботу виконують арсази. Фермент має точно дізнатися тРНК і амінокислоту, яку він збирається до неї приєднати; якщо фермент спрацює неточно, то при синтезі білка виникне помилка і білок може виявитися неробочим, а то і взагалі шкідливим.

Тут важливо, що арсази з'єднують тРНК і амінокислоти відповідно до правил генетичного коду: в певному місці в молекулах тРНК є послідовності з трьох нуклеотидів, які відповідають тій чи іншій амінокислоті, і фермент повинен розпізнати цю послідовність. Іншими словами, арсази виконують перший етап переведення генетичної інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот.

Як ми знаємо, амінокислот, з яких синтезуються білки, всього 20 - і стільки ж в клітинах плаває ферментів арсаз, по одній на кожну амінокислоту. Але за структурою вони діляться на дві різні сім'ї, по 10 ферментів в кожній. Кожна сім'я сталася від власного білка-предка, і недавні дослідження тих же Чарльза Картера і Пітера Уиллса показали, що обидва білка-предка для кожного сімейства арсаз колись кодував один і той же ген, просто один білок був закодований в ньому в одному напрямку, а інший - в іншому. (Відповідно, ген потрібно було читати в обидві сторони.)

Обидва предка зв'язувалися всього лише з двома амінокислотами - і обсяг генетичної інформації обмежувався лише двома амінокислотами (нагадаємо, що генетична інформація народжувалася тоді, коли встановлювалося відповідність між послідовністю нуклеотидів і амінокислотами). Але і білки, і нуклеїнові кислоти змінювалися, з'являлися нові арсази, код ускладнювався, нова генетична інформація формувалася під неослабним дією відбору - і головне, що і білки, і нуклеїнові кислоти повинні були еволюціонувати паралельно, і історія арсаз добре це демонструє.

Втім, якими були найперші білки, ми зараз може тільки здогадуватися, і, очевидно, авторам роботи доведеться докласти ще чимало зусиль, щоб переконати всіх в своїх міркуваннях, все-таки «світ РНК» - дійсно дуже і дуже шановна гіпотеза.

З іншого боку, якщо зараз вже відомо, що і білки , і нуклеїнові кислоти як такі могли з'явитися порівняно просто, то у нас все одно залишається проблема виникнення саме генетичного коду. І не виключено, що тут все відбувалося за таким же сценарієм, як з арсазамі - незалежно від того, хто виник першим.