Биохимична еволюция на живота Част 2

 

БИОХИМИЧНА ЕВОЛЮЦИЯ  НА ЖИВОТА:


РНК свят


  Както видяхме в предната част (брой 13), бяха разгледани няколко основни  въпроса, свързани с първото и най-общо възникване на прости органични  съединения в първичния океан, където се е осъществило първоначалното възникване  на живота. Сега предстои да навлезем в следващия етап от развитието на  предбиологичната еволюция и да отдадем необходимото внимание на един много  важен етап от ”нашата” естествена история – РНК началото.
  В  днешната наука самата идея за РНК свят е много спорна. Тя ни дава една много  добра представа за това как биха изглеждали биохимичните механизми, които са  предпоставка за появата на живота. Около хипотезата витаят много въпросителни,  което я прави сравнително ”неустойчива” на експериментален подход. Но на този  етап от нашите познания, тя ни дава една сравнително пълна картина по отношение  на някои спорни въпроси, които предстои да разгледаме.
  Преди  да обърнем съществено внимание на сърцевината на хипотезата за РНК свят, е  добре да разгледаме някой нейни основни функции, които я правят по-особена и по-подходяща  за теориите свързани с произхода на живота.
  РНК  молекулата представлява полимер, изграден от различни химични съединения.  Основна структурна единица (тук, както и при ДНК ) е нуклеотидът (в случая  рибонуклеотид, понеже молекулата съдържа рибоза). Той представлява химично  съединение, което е изградено от три основни части – фосфорна киселина, пентоза  (рибоза – монозахарид с 5 въглеродни атома) и азотна база. Азотните бази на  свой ред са органични химични съединения, които както видяхме взимат участие в  изграждането на РНК. В частност, РНК-молекулата има четири азотни бази, които  участват в нейното формиране: аденозин, гуанин (пурини или големи бази), и цитозин  и урацил (пиримидини или малки азотни бази). В молекулата на РНК (за разлика от  ДНК) се съдържа азотна база урацил вместо тимин (при ДНК). Молекулата на  рибонуклеиновата киселина е сравнително неустойчива и под въздействието на  дадени външни (екзогенни) вещества тя може да се разруши. Може да се увреди и  от вътрешни (ендогенни) съединения и вещества като ензими и др.  РНК–> белтъциu003cbr />Няколко години след като е изказана от Франсис Крик, тази ”непоклатима” догма малко се модифицира и вече твърди, че може да има пренос на информация от РНК към РНК и синтезиране на определени белтъчни молекули (както ще види по нататък).u003cbr />Т.е. имаме следният процес:u003cbr />РНК–> РНК–> белтъциu003cbr />Това означава. че е възможен пренос, които да има само наличието на един вид никлеинова киселина (РНК), и това да не се отразява негативно на процеса.u003cbr />От друга страна РНК може да се самореплицира (само при наличието на определени за целта ензимни комплекси). Като пример тук можем да въведем вируси, съдържащи РНК, която се самореплицира в клетките на организмите в които е попаднал. Най-простият пример за това е вируса на СПИН. Той е РНК-вирус способен да се самовъзпроизвежда в клеките на човек. РНК-молекулата също може да изпълнява и ензимна функция, т.е. тя може да работи както РНК-геном (пример със СПИН), така и като РНК-ензим, който може да катализира определени реакции. РНК-ензимите са наречени най-общо рибозими. Оттук, при тези данни вече можем да направим заключението, че РНК-ензимите, е най-вероятно да присъстват в първичният бульон, на първичният океан, като първи протоензими. Хипотезата за РНК-свят може да се разглежда като следващ и неизменен етап на еволюцията на живота, когато биомолекулите (виж Част 1) вече съществуват и създават реална предпоставка за възникването на по-сложни биохимични процеси в първичните клu003cbr />“,1]  );    //–>  и отново да изгуби функциите си. За разлика от ДНК, РНК е едноверижна,  но може да образува в отделни участъци на молекулата си двойни вериги, и дори  да изпълнява определени каталитични функции, неприсъщи на ДНК.
  Запознавайки  се с някой от основните функции на РНК-молекулата можем да продължим  разглеждането на следващият етап от еволюцията на клетката.
  Възможен  ли е ДНК свят? Защо точно РНК? Една от причините за това е, че рибонуклеотидите  в РНК-молекулата се синтезират в абиотични условия при експериментални  проучвания много по-лесно отколкото дезоксирибонуклеотидите в ДНК молекулата.  Практически ”ДНК остатъци” въобще не се срещат в абиотичните среди на синтез, където  мнозинството от изследователите се опитват да ги открият. По-горе стана ясно,  че РНК е единична спирала, която само при определени условия може да се свърже  комплементарно с едни участъци от своята молекула и да образува двойна верига,  а ДНК – двойна молекула, строго подредена в пространството. По-лесно може да се  проследи пътят, по който ДНК може да се развие от РНК, отколкото обратното.  Това прави задачата за синтезирането на ДНК почни невъзможна. Оттук и една от  причините да се изгради хипотезата за РНК свят, а не противоположната и  най-логична – ДНК свят!
  Самата  хипотеза може да се разглежда и в светлината на явление, което представлява  ”малко” отклонение от ”централната догма на биологията”. Централната догма  гласи, че е възможен пренос само от ДНК към РНК и след това към белтъчни  молекули:
  ДНК–> РНК–> белтъци
  Няколко  години след като е изказана от Франсис Крик, тази ”непоклатима” догма малко се  модифицира и вече твърди, че може да има пренос на информация от РНК към РНК и  синтезиране на определени белтъчни молекули (както ще се види по нататък), т.е.  имаме следния процес:
  РНК–> РНК–> белтъци
  Това  означава, че е възможен пренос, при които да има наличие само на един вид нуклеинова  киселина – РНК, и това да не се отразява негативно на процеса.
  От  друга страна, РНК може да се самореплицира (само при наличието на определени за  целта ензимни комплекси). Като пример тук можем да въведем вируси, съдържащи  РНК, която се самореплицира в клетките на организмите, в които вирусите са попаднали.  Най-простият пример за това е вирусът на СПИН. Той е РНК вирус, способен да се  самовъзпроизвежда в клетките на човека. РНК молекулата може да изпълнява също и  ензимна функция, т.е. тя може да работи както като РНК геном (в примера със  СПИН), така и като РНК ензим, който може да катализира определени реакции. РНК ензимите  най-общо се наричат рибозими. При наличието на тези данни вече можем да  направим заключението, че РНК ензимите е най-вероятно да присъстват в  първичният бульон на първичният океан като първи протоензими. Хипотезата за РНК  свят може да се разглежда като следващ и неизменен етап на еволюцията на  живота, когато биомолекулите (вж. Част 1) вече съществуват и създават реална  предпоставка за възникването на по-сложни биохимични процеси в първичните кл    етки.
  Първите  РНК молекули са възникнали в първичния океан под въздействието на други  органични и неорганични съединения, ”атакувани” от ултравиолетови (УВ) лъчения  на слънцето и от други лъчи, идващи от космическото пространство. Поради своята  природа, много от синтезираните в този етап първични РНК молекули се разпадали  на съставните си части, като не давали желания ”тласък“ на еволюцията в онзи  ранен момент. Сред множеството от разпадащи се молекули в първичния океан,  отборът е закрепил по-устойчивите от тях и по този начин е създал предпоставка  за по-нататъшна предбиологична еволюция. Самите молекули на РНК не биха оцелели  в огромния първичен океан ако в този етап на развитието си (възпроизвеждането),  не са могли да се свържат с други биомолекули и не са образували стабилен  комплекс. Само тези единични РНК молекули, които са имали възможността да  образуват подходящ и сполучлив комплекс с белтъци или дори липидни молекули, са  имали възможност да оцелеят и осъществят следващата стъпка от своята ”първична програма”  – да бъдат каталитично активни. В този етап на развитие на живота, когато  протобиомолекулите са били в начална фаза на предбиологична еволюция, не е  изключено много от образувалите се комплекси да са влизали във взаимодействие и  с отделни неорганични метални йони на различни химични елементи. Това би довело  до увеличаване на каталитичната им роля в еволюционен аспект.
  Тук  е редно да се допълни, че РНК работи малко по-бавно от белтъчните молекули, а  при някои ензими, РНК изпълнява основната работа, докато белтъците могат да ѝ  бъдат в помощ. С други думи, без белтъчните молекули тя би изпълнявала своята  работа по-трудно, но предимството в случая е, че тя може да работи и без  белтъци. Именно поради това РНК е в центъра на проблема за произхода на живота  и за ранните етапи на еволюцията. По всяка вероятност, групи от различни  аминокиселини (участващи в изграждането), както беше споменато, са оформили  слаби взаимодействия в определени специфични участъци в молекулата на РНК.  Аминокиселините се прехващат във вдлъбнатините на молекулите на РНК. Позиционирани  така, аминокиселините могат по-лесно да се свържат взаимно, за да формират полипептидната  верига на белтъците.    Много вероятно е в първичния океан именно тези комплекси от РНК молекули  и белтъци (може би и липиди, въпреки че те нямат каталитични функции) да са  взаимодействали с йони на метали и по такъв начин да се е развивала тяхната  протокаталитична органична функция. Това трябва да е една от вероятните  предпоставки за възникването на проторибозимите.
  Друга важна особеност на РНК молекулата е, че тя може да се самоудвоява  (самореплицира, прибавяйки към структурата си други нуклеотиди). Засега обаче, за  изследователите, самоудвояването на РНК изглежда един доста непосилен за  възпроизвеждане опит. За да се осъществи подобно прибавяне на нуклеотиди, се  изисква не само наличие на нуклеотиди. Необходима е и енергия. В днешните  клетки всяко удвояване на генетичната информация (например при ДНК) е свързано  с енергия. Това означава нуклеотидите необходими за изграждането на нова верига  ДНК да притежават макроергични връзки, които да компенсират енергията отделена  за изграждането на полинуклеотидната верига (ПНВ). Това в случая с РНК са АТФ,  ГТФ, УТФ и ЦТФ (аденин, гуанин, урацил трифосфат и цитозин). Макар на днешната  наука да не са известни първичните носители на енергия, то със сигурност може  да се твърди, че такива неизменно са съществували в предбиологични условия. Те  са били основен субстрат за изграждането и стабилизирането на РНК молекулата.  Без тези ”носители” на информация, целият процес би бил невъзможен за  протичане.
  Въпреки,  че доста от по-горе изложените доводи изглеждат спорни, би трябвало да обърнем  внимание на един процес, за който няма никаква еволюционна информация как е  възникнал и защо точно така! Това е процесът на ”транслация”. Транслацията е  процес,  при който върху изходна РНК матрица  се образува полипептидна верига (ППВ), необходима за синтеза на даден белтък в  клетката. Както се забелязва този процес е иницииран от РНК молекула. По всяка вероятност,  първичната РНК матрица, съществувала в първичният океан, случайно е създала  предпоставка за транслирането на аминокиселини върху себе си. Това също е доста  спорен и труден за доказване процес, поради една пречка. В съществуващите днес  клетки, транслацията не се осъществява директно върху РНК матрицата в  цитоплазмата на клетката. За извършването на този процес са необходими редица  други биохимични процеси, пряко свързани с РНК. За процеса на транслация в  клетката първо е необходима транспортна РНК, а също така и рибозомна     РНК. Това са все процеси, които могат да се разглеждат паралелно  с процеса на транслация, а не отделно и изолирано.
  Съвсем  възможно е предбиологичната транслация на белтъци да е изглеждала много  странно, дори учудващо просто за днешните ни разбирания. Но също така и  спонтанното синтезиране на ППВ за този период е било не по-малко важно  биохимично откритие. Възможността да се синтезират белтъци и то в различни последователности,  е дало тласък на възникването на нови биохимични съединения, които ще се  включат в понататъшното осъществяване на еволюцията.
  Освен  процеса на транслация, РНК молекулата инициира и един друг не по-малко важен  процес – този на ”транскрипция”. Транскрипцията представлява процес на  презаписване на отделен участък от ДНК молекулата, като по този начин се  образува комплементарна РНК матрица, наречена информационна РНК. Тя носи  информацията от презаписаните гени и я изнася по свой ред в цитоплазмата,  където се осъществява процесът на транслация. От изложеното дотук може да се  направи заключението, че РНК молекулата се е синтезирала (самоорганизирала) по-рано  от ДНК молекулата. Това би означавало, че процесът на синтезиране на ППВ  (образуването на белтъци) е еволюционно по-стар от процеса на транскрипция  (презаписването на гени). Едва след осъществяването на процеса на транслация в  първичният океан, след известно време, биха се създали условия за възникването  на транскрипцията като процес.
  На  възникването на първичната РНК молекула не трябва да се гледа като на странично  явление, което е станало отделно и е претърпяло своя собствена биохимична  еволюция. Образуването на тази молекула е станало съвместно с наличните до  тогава абиотично синтезирани органични молекули. Способността на РНК да  образува явни комплекси допълнително е помогнала за нейното утвърждаване в  първичния бульон, като молекула ”на която може да се има доверие”. Напълно  възможно е образувалият се комплекс първични РНК белтъци да е влязъл от своя  страна във взаимодействие с коарцеватни (Странна чуждица! От английското  coercevate ли идва? Моля, авторът да изясни!) липидни капки, като по този начин  се е осъществила една протоформа на симбиоза между тези различни органични  молекули. Това би означавало, че РНК молекулата би получила необходимата защита  от неблагоприятни външни въздействия, а самата коарцеватна капка, би станала по  стабилна благодарение на продуктите на синтез от страна на РНК. РНК в този  момент на симбиоза би действала изключително като един вътреклетъчен     ”ензим” (разбира се изпълнявайки функцията на рибизим, какъвто  тя може да бъде).
  Получавайки необходимата стабилност, тази симбионтна система вече би могла  да притежава едно много мощно оръжие, чрез процесите, които може да инициира. Създаденият  по този начин комплекс би се утвърдил едно ниво над другите надмолекулни  комплекси, които до този етап не са влезли в симбиоза. Това положително  взаимодействие много бързо би се отразило на самите клетки. Те биха имали  способността да си ”набавят” повече от необходимите им за оцеляването ”първични  хранителни вещества”. От тяхното приемане и асимилиране, биха получавали много  повече енергия от други молекули, които по една или друга причина не са влезли  в симбионтни взаимоотношения по-между си.
  Наличието  на подобна симбиоза се е отразило много положително на молекулите, участващи в  комплекса. Те са били закрепени от ”отбора” и са могли да оцелеят. Това е и  една от предпоставките да смятаме, че хипотезата за РНК свят е напълно възможна!  Така или иначе предпоставка за симбиоза в първичния океан има. При наличието на  свободни форми на РНК молекулите и достъпност до коарцеватни капки, вече можем  да говорим за един етап на еволюцията, който надхвърля и ”РНК света”.

   

РНК – Рибонуклеинова  киселина

ДНК –  Дезоксирибонуклеинова киселина

  Автор: Иван Божидаров

Добави коментар

Извести ме
avatar

Related posts

By continuing to use the site, you agree to the use of cookies. more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close