Мир РНК как предшественник современной жизни.

Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях.

Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белково-коацерватной теории А.И. Опарина	Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК

По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал.

Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов (см. рис. 2).

Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).

В-третьих,репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.

В-четвертых,обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение - как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.

Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение (сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это "самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы"

ВЫВОД: То есть, древняя РНК – совмещала в себе функции и генотипа и фенотипа, отвечающего требованиям Дарвиновской системы (то есть способной к генетическим преобразованиям и к естественному отбору).

Каким же образом произошло преобразование РНК в ДНК?

Возможно, что произошло медленное преобразование одноцепочечной молекулы в двуцепочечную, и замена рибозы на дезоксирибозу.

Кроме того, известно, что белки обладают сродством с нуклеиновыми основаниями, при этом, некоторые аминокислоты могут притягивать определенные нуклеотиды и наоборот.

Теперь можно представить, что если бы нуклеотиды объединились и образовали молекулу РНК, то эта молекула была бы не беспорядочной, а отражала бы последовательность аминокислот белков протеиноида.

Такая РНК могла бы притягивать ряд аминокислот, которые могли бы образовывать копии белковых молекул. То есть последовательность шагов была следующей:

Первый шаг: белок –→ РНК; Второй шаг: РНК –→ белок; Третий шаг: ДНК ←–РНК →белок;

Четвертый шаг: ДНК →РНК →белок.

Комментарий к схеме: если верно, что первыми информационными молекулами были молекулы РНК, то можно предположить, что эти РНК – полимеры, со временем приобрели способность направлять синтез белка. Белки в свою очередь стали катализировать синтез новых копий РНК с большей скоростью и точностью. В дальнейшем между этими двумя классами соединений произошло разделение труда:

- белки стали обеспечивать сборку новых белков и новых РНК;

- РНК стали обеспечивать эти процессы информацией;

- Позже, функция хранения информации перешла к ДНК

- ДНК – стабильнее, копируется точнее, а за РНК осталась функция посредника и подносчика.

Эволюция белкового синтеза

Молекулярные механизмы, лежащие в основе синтеза белка необычайно сложны. Главную роль в самом процессе синтеза играет конечно рибосома. Рибосома состоит из основы (нескольких молекул рРНК) и соединенных с ними множества белковых молекул.

Однако недавнее открытие о том, что в некоторых случаях в качестве ферментов могут выступать непосредственно молекулы РНК, позволяет по новому взглянуть на их функцию. Возможно на ранних этапах эволюции в первых клетках, молекулы т-РНК сами, без участия аминоацилсинтетаз, формировали каталитические поверхности, которые позволяли им связывать и активировать аминокислоты. Возможно, что в то время роль целой рибосомы выполняли молекулы рРНК, свертывающиеся таким образом, что могли обеспечивать направленное спаривание кодонов с антикодонами и катализ полимеризации аминокислот. Затем в ходе эволюции к этой конструкции могли присоединяться белки, каждый из которых повышал точность и надежность процессов трансляции. Таким образом, высокая доля рРНК сохранилась с тех давних времен.