Войти
Сравнение РНК (слева) с ДНК (справа), показывающее спирали и азотистые основания, каждая из которых использует мир РНК - это гипотетический этап в эволюционной истории жизни на Земле, на котором самореплицирующиеся молекулы РНК размножались до эволюции ДНК и белков. Этот термин также относится к гипотезе, которая утверждает существование этой стадии.
Александр Рич впервые предложил концепцию мира РНК в 1962 году, а Уолтер Гилберт ввел термин в 1986 году. Были предложены альтернативные химические пути к жизни, а жизнь, основанная на РНК, может не существовать. были первой жизнью. Но даже в этом случае доказательства существования мира РНК достаточно сильны, чтобы эта гипотеза получила широкое признание. Одновременное образование всех четырех строительных блоков РНК еще больше усилило гипотезу.
Подобно ДНК, РНК может хранить и воспроизводить генетическую информацию; подобно белку ферментам, ферменты РНК (рибозимы ) могут катализировать (запускать или ускорять) химические реакции, которые имеют решающее значение для жизни. Один из наиболее важных компонентов клетки, рибосома, состоит в основном из РНК. Рибонуклеотидные части во многих коферментах, таких как ацетил-CoA, NADH, FADH и F420, могут быть выжившими остатками ковалентно связанных коферментов в мире РНК.
Хотя РНК хрупка, некоторые древние РНК могли развить способность метилировать другие РНК для их защиты.
Если мир РНК существовал, то, вероятно, за ним последовала эпоха, характеризующаяся эволюцией рибонуклеопротеинов (мир РНП ), которая, в свою очередь, открыла эру ДНК и более длинных белков. ДНК имеет лучшую стабильность и долговечность, чем РНК; это может объяснить, почему она стала преобладающей молекулой хранения информации. Белковые ферменты, возможно, пришли на смену рибозимам на основе РНК в качестве биокатализаторов, потому что их большее количество и разнообразие мономеров делает их более универсальными. Поскольку некоторые кофакторы содержат как нуклеотидные, так и аминокислотные характеристики, возможно, что аминокислоты, пептиды и, наконец, белки изначально были кофакторами для рибозимов.
Одна из проблем в изучении абиогенеза заключается в том, что система воспроизводства и метаболизма, используемая всей существующей жизнью, включает три различных типа взаимозависимых макромолекул (ДНК, РНК и белок ). Это говорит о том, что жизнь не могла возникнуть в ее нынешнем виде, что побудило исследователей выдвинуть гипотезу о механизмах, посредством которых нынешняя система могла возникнуть из более простой системы-предшественника. Концепцию РНК как первичной молекулы можно найти в статьях Фрэнсиса Крика и Лесли Оргела, а также в книге Карла Вёза 1967 года «Генетический Код. В 1962 году молекулярный биолог Александр Рич высказал примерно ту же идею в статье, которую он написал в томе, выпущенном в честь нобелевского лауреата Альберта Сент-Дьерди. Ганса Кун в 1972 г. изложил возможный процесс, посредством которого современная генетическая система могла возникнуть из предшественника на основе нуклеотидов, и это привело Гарольда Уайта в 1976 г. к наблюдениям, что многие кофакторы, необходимые для ферментативной функции, являются либо нуклеотидами, либо могут были получены из нуклеотидов. Он предположил, что эти нуклеотидные кофакторы представляют собой «окаменелости ферментов нуклеиновых кислот». Фраза «мир РНК» была впервые использована лауреатом Нобелевской премии Уолтером Гилбертом в 1986 году в комментарии о том, как недавние наблюдения каталитических свойств различных форм РНК соответствуют этой гипотезе.
Свойства РНК делают идею гипотезы мира РНК концептуально правдоподобной, хотя ее общее признание в качестве объяснения происхождения жизни требует дополнительных доказательств. Известно, что РНК образует эффективные катализаторы, а ее сходство с ДНК ясно показывает ее способность хранить информацию. Однако мнения расходятся относительно того, составляла ли РНК первую автономную самовоспроизводящуюся систему или была производной от еще более ранней системы. Одна из версий гипотезы заключается в том, что другой тип нуклеиновой кислоты, названный пре-РНК, был первым, который возник как самовоспроизводящаяся молекула, которая была заменена только РНК. позже. С другой стороны, открытие в 2009 году, которое активировало пиримидин рибонуклеотиды, может быть синтезировано в вероятных пребиотических условиях, предполагает, что преждевременно отказываться от сценариев, связанных с РНК.. Предложения для «простых» нуклеиновых кислот пре-РНК включали пептидную нуклеиновую кислоту (PNA), треозную нуклеиновую кислоту (TNA) или гликольную нуклеиновую кислоту (GNA).. Несмотря на их структурную простоту и обладание свойствами, сопоставимыми с РНК, химически вероятное образование «более простых» нуклеиновых кислот в пребиотических условиях еще предстоит продемонстрировать.
РНК-ферменты, или рибозимы, встречаются в сегодняшней жизни на основе ДНК и могут быть примерами живых окаменелостей. Рибозимы играют жизненно важную роль, например, рибосомы. Большая субъединица 70-х рибосомы (50-е) содержит 23-ю рРНК, которая действует как фермент, образующий пептидную связь, называемый пептидной трансферазой, и помогает в синтезе белка. Существуют многие другие функции рибозима; например, рибозим «головка молотка» выполняет саморасщепление, а рибозим РНК-полимераза может синтезировать короткую цепь РНК из примированной РНК-матрицы.
Среди ферментативных свойств важны для начала жизни:
РНК очень похожа на молекулу ДНК, только с двумя основные химические различия (в основе РНК используется рибоза вместо дезоксирибозы, а ее нуклеотидные основания включают урацил вместо тимина). Общая структура РНК и ДНК очень похожа - одна цепь ДНК и одна цепь РНК могут связываться, образуя двойную спиральную структуру. Это делает возможным хранение информации в РНК, очень похожее на хранение информации в ДНК. Однако РНК менее стабильна и более склонна к гидролизу из-за присутствия гидроксильной группы в положении 2 'рибозы.
Основное различие между РНК и ДНК заключается в наличии гидроксильной группы в 2'-положении. Основное различие между РНК и ДНК представляет собой присутствие гидроксильной группы в 2'-положении рибозного сахара в РНК (иллюстрация, справа). Эта группа делает молекулу менее стабильной, потому что, когда она не связана двойной спиралью, 2'-гидроксил может химически атаковать соседнюю фосфодиэфирную связь, расщепляя фосфодиэфирную основную цепь. Гидроксильная группа также заставляет рибозу перейти в конформацию C3'-эндо сахара в отличие от конформации C2'-эндо сахара дезоксирибозы в ДНК. Это заставляет двойную спираль РНК изменяться от структуры B-ДНК к структуре, более близкой к A-ДНК.
РНК также использует другой набор оснований, чем ДНК - аденин, гуанин, цитозин и урацил вместо аденина, гуанина, цитозина и тимина. По химическому составу урацил подобен тимину, отличаясь только метильной группой, и для его производства требуется меньше энергии. С точки зрения спаривания оснований это не имеет никакого эффекта. Аденин легко связывает урацил или тимин. Однако урацил является одним из продуктов повреждения цитозина, который делает РНК особенно восприимчивой к мутациям, которые могут заменять пару оснований GC на GU(колебание ) или AUпару оснований.
Считается, что РНК предшествовала ДНК из-за их порядка в биосинтетических путях. Дезоксирибонуклеотиды, используемые для создания ДНК, сделаны из рибонуклеотидов, строительных блоков РНК, путем удаления 2'-гидроксильной группы. Как следствие, клетка должна обладать способностью производить РНК, прежде чем она сможет производить ДНК.
Химические свойства РНК делают большие молекулы РНК по своей природе хрупкими, и они могут быть легко разбиты на составляющие их нуклеотиды через гидролиз. Эти ограничения не делают использование РНК в качестве системы хранения информации невозможным, просто энергоемким (для восстановления или замены поврежденных молекул РНК) и подверженным мутациям. Хотя это делает его непригодным для нынешней «оптимизированной для ДНК» жизни, это могло быть приемлемо для более примитивной жизни.
Было обнаружено, что рибопереключатели действуют как регуляторы экспрессии генов, особенно у бактерий, но также и у растений и архей. Рибопереключатели изменяют свою вторичную структуру в ответ на связывание метаболита. Это изменение в структуре может привести к образованию или разрушению терминатора , усечению или разрешению транскрипции соответственно. Альтернативно, рибопереключатели могут связывать или перекрывать последовательность Шайна – Далгарно, влияя на трансляцию. Было высказано предположение, что они возникли в мире, основанном на РНК. Кроме того, термометры РНК регулируют экспрессию генов в ответ на изменения температуры.
Гипотеза мира РНК подтверждается способностью РНК хранить, передавать и дублировать генетическую информацию, как это делает ДНК. РНК может действовать как рибозим, особый тип фермента. Поскольку РНК может выполнять функции как ДНК, так и ферментов, она когда-то была способна поддерживать независимые формы жизни. Некоторые вирусы используют в качестве генетического материала РНК, а не ДНК. Кроме того, хотя нуклеотиды не были обнаружены в экспериментах, основанных на эксперименте Миллера-Юри, в 2009 году сообщалось об их образовании в пребиотически вероятных условиях; Основание пурина, известное как аденин, представляет собой просто пентамер из цианистого водорода. Эксперименты с основными рибозимами, такими как Бактериофаг Qβ РНК, показали, что простые самореплицирующиеся структуры РНК могут выдерживать даже сильное селективное давление (например, терминаторы цепи противоположной хиральности).
Поскольку существовали отсутствуют известные химические пути абиогенного синтеза нуклеотидов из пиримидиновых нуклеиновых оснований цитозина и урацила в пребиотических условиях; некоторые считают, что нуклеиновые кислоты не содержат этих нуклеиновых оснований, обнаруженных в нуклеиновых кислотах жизни. Нуклеозид цитозин имеет период полураспада в изолированном состоянии 19 дней при 100 ° C (212 ° F) и 17000 лет в замерзающей воде, что, по мнению некоторых, слишком мало для геологической временной шкалы для накопления. Другие задались вопросом, может ли рибоза и другие основные сахара быть достаточно стабильными, чтобы их можно было найти в исходном генетическом материале, и подняли вопрос о том, что все молекулы рибозы должны были быть одним и тем же энантиомером, поскольку любой нуклеотид с неправильной хиральностью действует как терминатор.
Пиримидин рибонуклеозиды, и их соответствующие нуклеотиды были предварительно синтезированы последовательностью реакций, которые обходят свободные сахара и собираются в поэтапно путем включения азотсодержащих и кислородсодержащих химикатов. В серии публикаций Джон Сазерленд и его команда из Химической школы Манчестерского университета продемонстрировали высокоэффективные пути получения цитидина и уридин рибонуклеотиды, построенные из небольших 2- и 3-углеродных фрагментов, таких как гликолевый альдегид, глицеральдегид или глицеральдегид-3-фосфат, цианамид и цианоацетилен. Один из этапов этой последовательности позволяет выделить enantiopure рибозоаминооксазолин, если энантиомерный избыток глицеральдегида составляет 60% или более, что может представлять интерес с точки зрения биологической гомохиральности. Это можно рассматривать как стадию пребиотической очистки, на которой указанное соединение спонтанно выкристаллизовывается из смеси другой пентозы. Аминооксазолины могут реагировать с цианоацетиленом мягким и высокоэффективным образом, контролируемым неорганическим фосфатом, с образованием цитидин-рибонуклеотидов. Фотоаномеризация с помощью УФ-света позволяет инверсию около 1 'аномерного центра, чтобы получить правильную бета-стереохимию; одна проблема с этой химией - избирательное фосфорилирование альфа-цитидина в положении 2 '. Однако в 2009 году они показали, что те же самые простые строительные блоки позволяют получить доступ через фосфатно-контролируемую выработку азотистых оснований напрямую к 2 ', 3'-циклическим пиримидиновым нуклеотидам, которые, как известно, способны полимеризоваться в РНК. Химик-органик Донна Блэкмонд описала это открытие как «убедительное доказательство» в пользу мира РНК. Однако Джон Сазерленд сказал, что, хотя работа его команды предполагает, что нуклеиновые кислоты играли раннюю и центральную роль в происхождении жизни, она не обязательно поддерживает гипотезу мира РНК в строгом смысле, который он описал как «ограничивающее, гипотетическое устройство. ".
В докладе группы Сазерленда 2009 г. также подчеркивалась возможность фото-дезинфекции пиримидин-2 ', 3'-циклических фосфатов. Потенциальным недостатком этих путей является образование энантиообогащенного глицеральдегида или его 3-фосфатного производного (глицеральдегид предпочитает существовать в виде его кето таутомера дигидроксиацетон).
8 августа 2011 Отчет, основанный на исследованиях НАСА с метеоритами, обнаруженными на Земле, был опубликован, предлагая строительные блоки РНК (аденин, гуанин и связанные органические молекулы ), возможно, образовались внеземными цивилизациями в космическом пространстве. В 2017 году числовая модель предполагает, что мир РНК, возможно, возник в теплых прудах на ранней Земле, и что метеориты были вероятным и вероятным источником строительных блоков РНК (рибоза и нуклеиновые кислоты) к этим средам. 29 августа 2012 года астрономы из Копенгагенского университета сообщили об обнаружении особой молекулы сахара, гликолевого альдегида, в далекой звездной системе. Молекула была обнаружена около протозвездной двойной системы IRAS 16293-2422, которая находится в 400 световых годах от Земли. Поскольку гликолевый альдегид необходим для образования РНК, это открытие предполагает, что сложные органические молекулы могут образовываться в звездных системах до образования планет, в конечном итоге достигая молодых планет на ранних этапах их формирования.
A схематическое изображение гипотезы мира РНК Нуклеотиды - это фундаментальные молекулы, которые последовательно соединяются с образованием РНК. Они состоят из азотистого основания, прикрепленного к сахарно-фосфатной цепи. РНК состоит из длинных участков определенных нуклеотидов, расположенных так, что их последовательность оснований несет информацию. Гипотеза мира РНК утверждает, что в изначальном супе (или бутерброде ) существовали свободно плавающие нуклеотиды. Эти нуклеотиды регулярно образовывали связи друг с другом, которые часто разрывались из-за очень низкого изменения энергии. Однако определенные последовательности пар оснований обладают каталитическими свойствами, которые снижают энергию создаваемой цепи, позволяя им оставаться вместе в течение более длительных периодов времени. По мере того, как каждая цепь становилась длиннее, она быстрее привлекала больше подходящих нуклеотидов, в результате чего цепи теперь формировались быстрее, чем они разрушались.
Эти цепи были предложены некоторыми как первые примитивные формы жизни. В мире РНК разные наборы цепей РНК имели бы разные результаты репликации, что увеличивало или уменьшало их частоту в популяции, то есть естественный отбор. По мере того, как наиболее приспособленные наборы молекул РНК увеличивали свое число, в популяции могли накапливаться новые каталитические свойства, добавленные мутацией, которые способствовали их устойчивости и распространению. Такой автокаталитический набор рибозимов, способных к саморепликации примерно за час, был идентифицирован. Он был получен в результате молекулярной конкуренции (эволюция in vitro ) смесей ферментов-кандидатов.
Конкуренция между РНК могла способствовать возникновению кооперации между различными цепями РНК, открывая путь для образования первая протоклетка. В конце концов, цепи РНК развиваются с каталитическими свойствами, которые помогают аминокислотам связываться вместе (процесс, называемый пептидным связыванием ). Эти аминокислоты могут затем способствовать синтезу РНК, давая тем цепям РНК, которые могут служить рибозимами, избирательное преимущество. Способность катализировать одну стадию синтеза белка, аминоацилирование РНК, была продемонстрирована на коротком (пятинуклеотидном) сегменте РНК.
В марте 2015 года ученые НАСА сообщили, что: впервые сложные органические соединения ДНК и РНК life, включая урацил, цитозин и тимин, были сформированы в лаборатории в условиях, обнаруженных только в космическом пространстве, с использованием стартовых химические вещества, такие как пиримидин, обнаруженные в метеоритах. По мнению ученых, пиримидин, как и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), мог образоваться в гигантских красных звездах или в межзвездной пыли и газовых облаках.
В 2018 году исследователи из Технологического института Джорджии идентифицировали трех молекулярных кандидатов на роль оснований, которые могли сформировать самую раннюю версию прото-РНК: барбитуровая кислота, меламин и 2,4,6-триаминопиримидин (ТАР). Эти три молекулы являются более простыми версиями четырех оснований в текущей РНК, которые могли присутствовать в больших количествах и все еще могли быть совместимы с ними, но могли быть отброшены эволюцией в обмен на более оптимальные пар оснований. В частности, TAP может образовывать нуклеотиды с большим набором сахаров. И ТАР, и основание меламина соединяются с барбитуровой кислотой. Все три спонтанно образуют нуклеотиды с рибозой.
Одна из проблем, связанных с гипотезой мира РНК, заключается в обнаружении пути, по которому основанная на РНК система переходит в систему, основанную на ДНК. Джеффри Димер и Кен Стедман из Портлендского государственного университета в Орегоне, возможно, нашли решение. Проводя исследование вирусов в горячем кислотном озере в вулканическом национальном парке Лассен, Калифорния, они обнаружили доказательства того, что простой ДНК-вирус приобрел ген от совершенно неродственного вируса на основе РНК. Вирусолог Луис Вильяреал из Калифорнийского университета в Ирвине также предполагает, что вирусы, способные преобразовывать ген, основанный на РНК, в ДНК, а затем включать его в более сложный геном на основе ДНК, могли быть обычным явлением в вирусном мире во время перехода РНК в ДНК. 4 миллиарда лет назад. Это открытие подкрепляет аргумент в пользу передачи информации из мира РНК в развивающийся мир ДНК до появления последнего универсального общего предка. Согласно исследованиям, разнообразие этого вирусного мира все еще сохраняется.
Дополнительные доказательства, подтверждающие концепцию мира РНК, были получены в результате исследований вироидов, первых представителей новой области «субвирусных патогенов». Вироиды - это в основном патогены растений, которые состоят из коротких участков (несколько сотен нуклеиновых оснований) высоко комплементарной, кольцевой, одноцепочечной и некодирующей РНК без белковой оболочки. По сравнению с другими инфекционными патогенами растений, вироиды чрезвычайно малы - от 246 до 467 азотистых оснований. Для сравнения: геном самых маленьких известных вирусов, способных вызывать инфекцию, имеет длину около 2000 нуклеиновых оснований.
В 1989 году Динер предположил, что на основании их характерных свойств вироиды являются более вероятными «живыми реликвиями» вируса. Мир РНК, чем интроны или другие РНК, которые тогда так считались. Если так, то вироиды достигли потенциального значения помимо патологии растений для эволюционной биологии, представляя наиболее правдоподобные известные макромолекулы, способные объяснить важные промежуточные этапы в эволюции жизни из неодушевленной материи (см.: абиогенез ).
По-видимому, гипотеза Динера бездействовала до 2014 года, когда Флорес и др. опубликовал обзорную статью, в которой резюмированы доказательства Динера, подтверждающие его гипотезу. В том же году научный обозреватель New York Times опубликовал популяризированную версию предложения Динера, в которой, однако, он ошибочно упомянул Флореса и др. с исходной концепцией гипотезы.
Соответствующие свойства вироидов, перечисленные в 1989 г., включают:
Существование в существующих клетках РНК с молекулярными свойствами, предсказанными для РНК мира РНК, является дополнительным аргументом в пользу гипотеза мира РНК.
Eigen et al. и Вёзе предположили, что геномы ранних протоклеток состояли из одноцепочечной РНК и что отдельные гены соответствовали отдельным сегментам РНК, а не были связаны между собой, как в современных геномах ДНК. Протоклетка, которая была гаплоидной (по одной копии каждого гена РНК), будет уязвима для повреждения, поскольку единичное повреждение в любом сегменте РНК может быть потенциально летальным для протоклетки (например, из-за блокирования репликации или подавления функции важного гена).
Уязвимость к повреждению может быть уменьшена за счет сохранения двух или более копий каждого сегмента РНК в каждой протоклетке, т.е. за счет сохранения диплоидии или полиплоидии. Избыточность генома позволит заменить поврежденный сегмент РНК дополнительной репликацией его гомолога. Однако для такого простого организма доля доступных ресурсов, связанных с генетическим материалом, будет составлять значительную часть общего бюджета ресурсов. В условиях ограниченных ресурсов скорость размножения протоклеток, вероятно, обратно пропорциональна числу плоидности. Пригодность протоклетки снизится за счет избыточности. Следовательно, справиться с поврежденными генами РНК при минимизации затрат на избыточность, вероятно, было бы фундаментальной проблемой для ранних протоклеток.
Был проведен анализ затрат и выгод, в котором затраты на поддержание избыточности были сопоставлены с затратами на повреждение генома. Этот анализ привел к заключению, что в широком диапазоне обстоятельств выбранная стратегия будет заключаться в том, чтобы каждая протоклетка была гаплоидной, но периодически сливалась с другой гаплоидной протоклеткой с образованием временного диплоида. Сохранение гаплоидного состояния максимизирует скорость роста. Периодические слияния позволяют взаимную реактивацию протоклеток, которые иначе были бы смертельно повреждены. Если во временном диплоиде присутствует хотя бы одна неповрежденная копия каждого гена РНК, может быть сформировано жизнеспособное потомство. Для получения двух, а не одной жизнеспособных дочерних клеток потребуется дополнительная репликация интактного гена РНК, гомологичного любому гену РНК, который был поврежден до деления слитой протоклетки. Цикл гаплоидного размножения со случайным слиянием с переходным диплоидным состоянием, за которым следует расщепление до гаплоидного состояния, можно рассматривать как половой цикл в его наиболее примитивной форме. В отсутствие этого полового цикла гаплоидные протоклетки с повреждением важного гена РНК просто умрут.
Эта модель раннего полового цикла является гипотетической, но она очень похожа на известное половое поведение сегментированных РНК-вирусов, которые являются одними из самых простых известных организмов. Вирус гриппа, геном которого состоит из 8 физически разделенных одноцепочечных сегментов РНК, является примером этого типа вируса. В вирусах с сегментированной РНК «спаривание» может происходить, когда клетка-хозяин инфицирована по крайней мере двумя вирусными частицами. Если каждый из этих вирусов содержит сегмент РНК со смертельным повреждением, множественное заражение может привести к реактивации при условии, что в инфицированной клетке присутствует по крайней мере одна неповрежденная копия каждого вирусного гена. Это явление известно как «реактивация множественности». Сообщалось, что реактивация множественности происходит при вирусных инфекциях гриппа после индукции повреждения РНК УФ-облучением и ионизирующим излучением.
Патрик Фортерр работал на новой гипотезе, названной «три вируса, три домена»: вирусы сыграли важную роль в переходе от РНК к ДНК и эволюции бактерий, архей и эукариот. Он считает, что последний универсальный общий предок был основанным на РНК и эволюционировавшими РНК-вирусами. Некоторые вирусы превратились в ДНК-вирусы, чтобы защитить свои гены от атак. В процессе вирусной инфекции хозяев эволюционировали три области жизни.
Еще одно интересное предположение - идея о том, что синтез РНК мог быть вызван температурными градиентами в процессе термосинтеза. Было показано, что одиночные нуклеотиды катализируют органические реакции.
Стивен Беннер утверждал, что химические условия на планете Марс, такие как присутствие бора, молибден и кислород, возможно, лучше подходили для первоначального получения молекул РНК, чем молекулы на Земле. В таком случае пригодные для жизни молекулы, возникшие на Марсе, могли позже мигрировать на Землю посредством механизмов панспермии или аналогичного процесса.
Предполагаемое существование мир РНК не исключает «мир пре-РНК», где метаболическая система, основанная на другой нуклеиновой кислоте, предлагается до РНК. Нуклеиновая кислота-кандидат представляет собой пептидную нуклеиновую кислоту (PNA ), которая использует простые пептидные связи для связывания азотистых оснований. ПНК более стабильна, чем РНК, но ее способность образовываться в добиологических условиях еще предстоит продемонстрировать экспериментально.
Нуклеиновая кислота треозы (TNA ) также была предложена в качестве отправной точки, как и нуклеиновая кислота гликоля (GNA ), и, как и PNA, также не имеют экспериментальных доказательств. для их соответствующего абиогенеза.
Альтернативная - или дополнительная - теория происхождения РНК предлагается в мировой гипотезе ПАУ, согласно которой полициклические ароматические углеводороды (ПАУ ) опосредуют синтез молекул РНК. ПАУ являются наиболее распространенными и широко распространенными из известных многоатомных молекул в видимой Вселенной и, вероятно, являются составной частью изначального моря. ПАУ и фуллерены (также участвующие в происхождении жизни ) были обнаружены в туманностях.
теория мира железо-сера предполагает, что простой метаболические процессы развились раньше, чем генетические материалы, и эти циклы производства энергии катализировали производство генов.
Некоторые из трудностей производства прекурсоров на Земле обходятся другой альтернативной или дополнительной теорией их происхождения, панспермией. В нем обсуждается возможность того, что самая ранняя жизнь на этой планете была перенесена сюда откуда-то еще в галактике, возможно, на метеоритах, подобных метеориту Мерчисон. молекулы сахара, включая рибозу, были найдены в метеоритах. Панспермия не опровергает концепцию мира РНК, но утверждает, что этот мир или его предшественники возникли не на Земле, а на другой, возможно, более старой планете.
Есть гипотезы, которые находятся в прямом противоречии с гипотезой мира РНК. Относительная химическая сложность нуклеотида и маловероятность его спонтанного возникновения, наряду с ограниченным числом возможных комбинаций между четырьмя основными формами, а также потребность в полимерах РНК некоторой длины, прежде чем проявится ферментативная активность, заставили некоторых отказаться от Гипотеза мира РНК в пользу гипотезы «сначала метаболизм», в которой сначала возникла химия, лежащая в основе клеточной функции, а также способность воспроизводить и облегчать этот метаболизм.
Другое предложение состоит в том, что двухмолекулярная система, которую мы видим сегодня, где молекула на основе нуклеотидов необходима для синтеза белка, и молекула на основе пептида (белка) необходим для производства полимеров нуклеиновых кислот, представляет собой изначальную форму жизни. Эта теория называется коэволюцией РНК-пептида, или миром пептидов-РНК, и предлагает возможное объяснение быстрой эволюции высококачественной репликации в РНК (поскольку белки являются катализаторами) с тем недостатком, что приходится постулировать совпадающее образование две сложные молекулы, фермент (из пептидов) и РНК (из нуклеотидов). В этом сценарии «мир пептид-РНК» РНК содержала бы инструкции для жизни, в то время как пептиды (простые белковые ферменты) ускоряли бы ключевые химические реакции для выполнения этих инструкций. Исследование оставляет открытым вопрос о том, как именно эти примитивные системы сумели воспроизвести себя - то, что ни гипотеза мира РНК, ни теория мира пептидов-РНК пока не могут объяснить, если только не полимеразы (ферменты, которые быстро собирают молекулу РНК).) сыграли свою роль.
Исследовательский проект, завершенный в марте 2015 года группой Сазерленда, обнаружил, что сеть реакций, начинающихся с цианистого водорода и сероводорода, в потоках воды, облученных УФ-светом, может производить химические компоненты белков и липидов, наряду с компонентами РНК. Исследователи использовали термин «цианосульфидный» для описания этой сети реакций. В ноябре 2017 года команда из Исследовательского института Скриппса определила реакции с участием соединения диамидофосфат, которые могли связывать химические компоненты в короткие пептидные и липидные цепи, а также в короткие РНК-подобные цепи. нуклеотидов.
Гипотеза мира аланина предполагает, что известная биохимия жизни возникла в рамках старого мира РНК («код GC»). Гипотеза мира РНК, если она верна, имеет важное значение для определения жизни. Большую часть времени После того, как Уотсон и Крик выяснили структуру ДНК в 1953 году, жизнь в значительной степени определялась в терминах ДНК и белков: ДНК и белки казались доминирующими макромолекулами в живой клетке с РНК только помощь в создании белков из схемы ДНК.
Гипотеза мира РНК ставит РНК в центр внимания при зарождении жизни. Гипотеза мира РНК подтверждается наблюдениями, что рибосомы являются рибозимами: каталитический сайт состоит из РНК, а белки не играют важной структурной роли и имеют периферическое функциональное значение. Это было подтверждено расшифровкой трехмерной структуры рибосомы в 2001 году. В частности, образование пептидной связи, реакция, которая связывает аминокислоты вместе в белки, теперь известно катализироваться остатком аденина в рРНК..
РНК, как известно, играют роль в других клеточных каталитических процессах, в частности, в нацеливании ферментов на конкретные последовательности РНК. У эукариот процессинг пре-мРНК и происходит в сайтах, определяемых спариванием оснований между целевой РНК и РНК, составляющими малые ядерные рибонуклеопротеины (snRNP). Такое нацеливание на ферменты также отвечает за подавление регуляции генов посредством РНК-интерференции (РНКи), когда связанная с ферментом направляющая РНК нацеливается на специфическую мРНК для избирательного разрушения. Аналогичным образом, у эукариот поддержание теломер включает копирование матрицы РНК, которая является составной частью рибонуклеопротеинового фермента теломераза. Другая клеточная органелла, свод, включает рибонуклеопротеиновый компонент, хотя функция этой органеллы еще предстоит выяснить.
Интересно, что гипотеза «мира аланина» помещает каноническую аминокислоту аланин в центр так называемого мира белков. Доминирующими вторичными структурами в современных белках являются α-спирали и β-листы. Наиболее часто выбираемые мономеры (т.е. аминокислоты) для синтеза рибосомных белков представляют собой химические производные α-аминокислоты аланина, поскольку они лучше всего подходят для построения α-спиралей или β-слоев в современных белках.
