Мир РНК

Структура рибозима — молекулы РНК, выполняющей функцию катализа

Мир РНК — гипотетическая стадия возникновения жизни на Земле, в которую функции как хранения генетической информации, так и катализа химических реакций выполняли ансамбли молекул РНК. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея РНК мира была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Л. Оргелем и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году.

Краткое изложение

В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи, вероятность чего крайне низка.

В начале 1980-х годов в лаборатории Т. Чека и С. Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с энзимами (ферментами) РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие была присуждена Нобелевская премия 1989. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться.

Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилось между ними как посредник.

Реликты мира РНК остались в клеточных носителях энергии (АТФ — рибонуклеотид, а не дезоксирибонуклеотид) и в путях синтеза самих дезоксирибонуклеотидов: им всегда предшествуют рибонуклеотиды, для удвоения ДНК необходимы РНК-"затравки".

Абиотический синтез РНК

Что касается абиотического синтеза самой РНК из более простых соединений, он пока не продемонстрирован экспериментально. Впрочем, в 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда (John Sutherland) удалось достичь значительных успехов на пути к объяснению этого феномена, показав возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции (а также с возможностью накопления конечных продуктов) в условиях ранней Земли.^[1][2] В то же время синтез аденозина и гуанозина пока показан лишь в малоэффективном варианте.

Свойства объектов мира РНК

О том, как выглядели самовоспроизводящиеся РНК системы, есть разные предположения. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Б. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала^[3].

После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Еще более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Примечания

1. ↑ http://www.nature.com/nature/journal/v459/n7244/abs/nature08013.html
2. ↑ http://elementy.ru/news/431082
3. ↑ Chetverina HV, Chetverin AB (May 1993). "Cloning of RNA molecules in vitro". Nucleic Acids Res. 21 (10): 2349–53. PMID 7685078.

Литература

• Григорович С. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни // Наука и жизнь, № 2 (2004)
• Крицкий М. С., Телегина Т. А. Коферменты и эволюция мира РНК // Успехи биологической химии, т. 44, 2004, с. 341—364 pdf
• Спирин А. С. Рибонуклеиновые кислоты как центральное звено живой материи // Вестник РАН, том 73, № 2, с. 117—127 (2003)
• А.С. Спирин. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни

См. также

• Возникновение жизни
• Химическая эволюция
• Пептидо-нуклеиновые кислоты