Происхождение механизма синтеза белков в РНК мире

[Комбинатор]

Как известно, по практически общепринятой сейчас гипотезе, внвчале был РНК мир, который потом смог как-то "одомашнить" аминокислоты и научился "выращивать" из них белки, взявшие впоследствии на себя большую часть работы по катализу необходимых елетке реакций. Но как конкретно это могло случиться. я что-то пока нигде никаких гипотез не нашёл (может плохо искал?). Соответственно, рискну предложить на суд публики следующую (скорее всего бредовую, но вдруг в ней есть всё же какое-то рациональное зерно) гипотезу.
Итак, не мог ли генетический код сформироваться в результате борьбы небольших РНК ещё тогда существовавшего РНК мира с аминокислотами, "прорвашимися" сквозь ещё несовершенную тогда мембрану, или просто случайно синтезировавшимися в клетке? Вполне возможно, что эти аминокислоты мешали автокаталитическим процессам, шедшим под управлением РНК в древней РНК-клетке, и в качестве меры борьбы с ними у них выработался некий простейший аналог имунной системы. Появились некие небольшие РНК (предшественники тРНК), задачей которых был поиск и нейтрализация проникших в клетку аминокислот. Для этого у них в результате эволюции выработалась способность распознавать их примерно так же, как клетки имунной системы распознают вирусов, только, конечно, много проще. Дальше со "сязанными" таким образом аминокислотами нужно было что-то делать, так как бесконечный синтез тРНК энергетически невыгоден, хорошо было бы, что бы они могли достаточно быстро "сплавить" куда-нибудь очередную аминокислоту, освобожившись для поиска новых чужеродных тел, проникших в клетку. Тут на помощь могла придти как раз некая "про-рРНК", которая используя в качестве "затравки" некую предшественницу иРНК научилась "сшивать" аминокислоты друг с другом, ибо, после формирования вторичной, третичной, а потом и четвертичной структуры указанная молекула превращалась как бы в клеточную "свалку мусора", занимающую не так много места, и благодаря "затравочной" и-РНК "осмысленно" сворачивающуюся в структуру, не мешающую нормальному функционированию клетки. Но впоследствии, благодаря случайным мутациям в иРНК однажды вдруг получилась структура, обладающая очень полезной каталитической активностью (улучшающей, например, сам процесс функционирования рРНК) и начала работать петля положительной обратной связи...

[Alexy]

Спасибо.
Очень интересная и по-моему логичная гипотеза!

[Комбинатор]

Спасибо.
Очень интересная и по-моему логичная гипотеза!

Да не за что. Но это, в принципе, всё же из области бабушка надвое сказала, а вот другая гипотеза, что изначально генетический код в РНК мире был скорее всего двухбуквенным, основанным лишь на паре C-G, довольно хорошо подтверждается статистическими прикидами. Вроде бы, сейчас считается более-менее общепринятым, что трёхпозиционному коду предшествовал двухпозиционный, в котором третий кодон игнорировался. Логично предположить, что первыми появились те 8 аминокислот, которые до сих пор инвариантны к замене третьего основания. Появившимся позже пришлось довольствоваться оставшимися вариантами первых двух "букв" с вариацией позиции на 3-й "букве". Если это предположение соответствует действительности, то частота встречаемости "букв" в указанных 8 аминокислотах должна, по видимому, как то соответствовать статистике распределения нуклеотидных оснований в существующем на момент появления генетического кода РНК мире. Если посчитать, то при кодировании указанных 8 аминокислот буква C используется 7 раз, G - 5 раз, U - 3 раза, A - 1 раз. Итого, пара G-C встречается в 75% вариантов, что очень неплохо согласуется с 76%, полученными французами для рРНК LUCA. Можно пойти ещё дальше, и предположить, что в самом начале код был вообще 2-буквенным, (G-C), которым кодировалось всего 4 базовые аминокислоты - Ala, Gly, Pro и Arg. Кстати, 2 из указанных 4 вообще самые простые аминокислоты, так что логично, что они могли появиться первыми. Пролин тоже одна из простейших аминокислот, и лишь аргинин в этом смысле является исключением. Можно попытаться проверить эту гипотезу статистически, предположив, что тот факт, что при кодировании 8 наиболее древних аминокисот по первым 2 позициям, есть все возможные варианты сочетания C и G, и нет ни одного сочетания U и A, является случайным. Я сделал простенькую модель (в принципе, можно посчитать вероятности и напрямую, но там придётся рассматривать слишком много вариантов) которая показала, что при случайном выборе из 4-х букв вероятность того, что при формировании кода для 8 аминокислот для одной из комплиментарных пар нуклеотидов окажется реализованными все возможные варианты, а для другой (не важно - C-G или A-U) - ни одного, составляет величину около 1%. Конечно, это далеко от абсолютной достоверности, но, в то же время, вероятность противоположной гипотезы в 99%, я думаю, заслуживает внимания. В принципе, можно даже предположить, почему в РНК мире превалировала пара C-G. Как известно, для РНК очень важна вторичная структура, обеспечивающая, за счёт образования "листьев" её каталитическую активность. При этом известно, что пара C-G обеспечивает наибольшую силу связи по сравнению с другими вариантами. Таким образом, структура, построенная лишь на основе C-G, или, по крайней мере, там, где эта пара преобладает, будет гораздо надёжнее сохранять свою трёхмерную форму. Кстати, это хорошо видно по тРНК. В большинстве тРНК современных организмов пара C-G по прежнему статистически превалирует. Конечно, сейчас этот фактор уже не столь важен, так как большую часть каталитической активности берут на себя белки, но до их появления условия на устойчивость объёмной формы РНК были, возможно, жёстче, чем сейчас.

[DNAoidea]

видится тут два слабых места:

Дальше со "сязанными" таким образом аминокислотами нужно было что-то делать, так как бесконечный синтез тРНК энергетически невыгоден, хорошо было бы, что бы они могли достаточно быстро "сплавить" куда-нибудь очередную аминокислоту, освобожившись для поиска новых чужеродных тел, проникших в клетку. Тут на помощь могла придти как раз некая "про-рРНК", которая используя в качестве "затравки" некую предшественницу иРНК научилась "сшивать" аминокислоты друг с другом, ибо, после формирования вторичной, третичной, а потом и четвертичной структуры указанная молекула превращалась как бы в клеточную "свалку мусора", занимающую не так много места, и благодаря "затравочной" и-РНК "осмысленно" сворачивающуюся в структуру, не мешающую нормальному функционированию клетки.

дело в том, что и-РНК не способна ни к сшиванию аминокислот, ни к сворачиваю белка в глобулу - всё это делают либо другие белки, либо рибосомная РНК. Рибосомная РНК в самом деле могла выполнять подобные функции изначально, но:

Но впоследствии, благодаря случайным мутациям в иРНК однажды вдруг получилась структура, обладающая очень полезной каталитической активностью (улучшающей, например, сам процесс функционирования рРНК) и начала работать петля положительной обратной связи...

но никакой информативностью в смысле кодирования белков она не обладает, и потому о "мутациях" речь не идёт.
ну и в начале:

Вполне возможно, что эти аминокислоты мешали автокаталитическим процессам, шедшим под управлением РНК в древней РНК-клетке,

не знаю... но как они могли мешать? правда, может и могли - липнув на РНК положительными концами.

[Комбинатор]

Спасибо за мнение. Мои комментарии ниже.

видится тут два слабых места:

Дальше со "сязанными" таким образом аминокислотами нужно было что-то делать, так как бесконечный синтез тРНК энергетически невыгоден, хорошо было бы, что бы они могли достаточно быстро "сплавить" куда-нибудь очередную аминокислоту, освобожившись для поиска новых чужеродных тел, проникших в клетку. Тут на помощь могла придти как раз некая "про-рРНК", которая используя в качестве "затравки" некую предшественницу иРНК научилась "сшивать" аминокислоты друг с другом, ибо, после формирования вторичной, третичной, а потом и четвертичной структуры указанная молекула превращалась как бы в клеточную "свалку мусора", занимающую не так много места, и благодаря "затравочной" и-РНК "осмысленно" сворачивающуюся в структуру, не мешающую нормальному функционированию клетки.

дело в том, что и-РНК не способна ни к сшиванию аминокислот, ни к сворачиваю белка в глобулу - всё это делают либо другие белки, либо рибосомная РНК. Рибосомная РНК в самом деле могла выполнять подобные функции изначально, но:

Естественно, за сшивание отвечала рРНК. иРНК отвечала лишь за то, что бы получившийся белок сворачивался в такую структуру, которая бы "не мешалась" в клетке. Ведь, на сколько я понимаю, как будет сворачиваться белок зависит, в основном, от последовательноси его аминокислот, правильно?

но никакой информативностью в смысле кодирования белков она не обладает, и потому о "мутациях" речь не идёт.

В смысле, кто "она"? рРНК? Да, конечно. Информативностью обладает иРНК. Речь просто идёт о том, что случайно мог получиться белок, "липнущий" к рРНК и улучшающий какие-то её каталитические свойства.

[DNAoidea]

иРНК отвечала лишь за то, что бы получившийся белок сворачивался в такую структуру, которая бы "не мешалась" в клетке.

но как? ведь кусок пути информации от иРНК к белку как раз наиболее сложный - для его реализации нужна рибосома ни много ни мало, и никаких других механизмов не известно, а простых, типа комплементаци тут точно не может быть - как такое возникло в подобной праклетке?

Ведь, на сколько я понимаю, как будет сворачиваться белок зависит, в основном, от последовательноси его аминокислот, правильно?

разумеется, однако этот вопрос до конца не разрешён, конечную конформацию как видно определяют белки типа шаперонов, но на том уровне о каком идёт речь это не важно.

В смысле, кто "она"? рРНК? Да, конечно. Информативностью обладает иРНК. Речь просто идёт о том, что случайно мог получиться белок, "липнущий" к рРНК и улучшающий какие-то её каталитические свойства.

да, конечно иРНК... рРНК на таком уровне это будет РНК катализирующая образования пептидной связи.

[observer]

Шотландский геохимик Michael Russell (с соавторами) в конце прошлого века - начале нового выступил с красивой гипотезой происхождения первых самореплицирующихся нуклеопротеидов. По М.Расселу, они регулярно нарабатывались в природных каталитических «реакторах» - щелочных низкотемпературных вентах пребиотического океана. Примитивный генетический код якобы возник там разом с первыми молекулами РНК. Завораживает...
См. на
         gla.ac.uk/projects/originoflife
С картинками (но русского перевода нет).

[Комбинатор]

но как? ведь кусок пути информации от иРНК к белку как раз наиболее сложный - для его реализации нужна рибосома ни много ни мало, и никаких других механизмов не известно, а простых, типа комплементаци тут точно не может быть - как такое возникло в подобной праклетке?

На сколько я знаю, сейчас доказано, что "голая" рРНК, без белков, тоже может катализировать "сшивку" аминокислот, "захваченных" тРНК, хотя, конечно, гораздо менее эффективно, чем "классическая" рибосома.

[observer]

У  М.Рассела как раз и обыгрывается замечательная способность РНК-молекул.

[Сергей]

На сколько я знаю, сейчас доказано, что "голая" рРНК, без белков, тоже может катализировать "сшивку" аминокислот, "захваченных" тРНК, хотя, конечно, гораздо менее эффективно, чем "классическая" рибосома.

Активный центр рибосом определяется РНК, белки там явно вторичны.

Возникновение белкового синтеза можно описать такой схемой; Для репликации РНК нужны не просто нуклеотиды, а активированные нуклеотиды. Ферменты ведь служат только катализаторами – то есть ускоряют реакции, которые происходили бы и без их участия, но только гораздо медленнее. Сейчас в клетке в качестве таких активированных нуклеотидов выступают их трифосфаты. В первичных гиперциклах качестве таковых могли использоваться аминокислотные производные нуклеотидов, содержащие P-N связь – эта связь также макроэргична и может приводить к синтезу фосфодиэфирной связи. С другой стороны аналогичную функцию играет связь карбоксильной группы аминокислоты с сахаром рибозы, которая служит макроэргом для синтеза полипептидной цепи белка. Этим можно объяснить, почему из всех возможных аминов отбирались именно аминокислоты.

Самыми первичными тРНК могли быть тринуклеотиды с привязанными к сахару аминокислотами. Они выстраивались вдоль прото мРНК, и прото-рибосома синтезировала пептид. Из такой схемы можно объяснить, почему белковый код триплетный: моно- и динуклеотиды слишком слабо связываются с м-РНК, минимальную устойчивость сохраняют только тринуклеотиды.

Кстати, шапероны – это, как правило, белки «теплового шока» - восстанавливают массированные повреждения в клетках после внешнего воздействия. Мелкие белки прекрасно сворачиваются и в «пробирке», но «крупные» , особенно содержащие много S-S связей могут сворачиваться неправильно, поскольку их форма определяется порядком их синтеза их на рибосоме: по мере роста цепи происходит сворачивание и замыкание нужных S-S связей или образование стабильных гидрофобных глобул, поэтому после денатурации такие белки сворачиваются неправильно, а шапероны протаскивают через отверстие внутри себя полипептидную цепь поврежденного белка, как бы заново моделируя рибосомный синтез.

[Комбинатор]

Самыми первичными тРНК могли быть тринуклеотиды с привязанными к сахару аминокислотами. Они выстраивались вдоль прото мРНК, и прото-рибосома синтезировала пептид. Из такой схемы можно объяснить, почему белковый код триплетный: моно- и динуклеотиды слишком слабо связываются с м-РНК, минимальную устойчивость сохраняют только тринуклеотиды.

Я правильно понимаю, что Вы предпологаете, что первоначально тРНК "не различали" аминокислот, то есть, на рибозы в тринуклеотидах аминокислоты налипали случайным образом, и, соответственно, впоследстаии в пептидах синтезировалась случайная последовательность аминокислот?

[Комбинатор]

Кстати, откуда в составе первых 4-х аминокислот взялся достаточно сложный аргинин, тоже,  в принципе, можно объяснить. Он обладает положительно заряженным "хвостом", так что, он мог быть нужен, в первую очередь, в качестве "клея" при формировании вторичных структур первых белков.

[Сергей]

первоначально тРНК "не различали" аминокислот, то есть, на рибозы в тринуклеотидах аминокислоты налипали случайным образом, и, соответственно, впоследстаии в пептидах синтезировалась случайная последовательность аминокислот?

Могли и не случайно, если предположить существование прото-рибозим-аминоацил-тРНК-синтезазы, которая или навешивала на конец тринуклеотида аминокислоту, или добавляла по два нуклеотида к нуклеотиду с аминокислотой, не случайным образом, а в зависимости от его состава. Вроде бы кто-то находил некое стерическое соответствие между антикодоновыми триплетами и кодирующими ими аминокислотами.

[DNAoidea]

На сколько я знаю, сейчас доказано, что "голая" рРНК, без белков, тоже может катализировать "сшивку" аминокислот, "захваченных" тРНК, хотя, конечно, гораздо менее эффективно, чем "классическая" рибосома.

с этим я не спорю, но только это просто создание полипептида - не важно их каких аминокислот, а вот чтобы быть информативной - то есть задавать своей структурой структуру белка, вот тут уже нужно совсем иное...

[Комбинатор]

с этим я не спорю, но только это просто создание полипептида - не важно их каких аминокислот, а вот чтобы быть информативной - то есть задавать своей структурой структуру белка, вот тут уже нужно совсем иное...

А разве мРНК для этого недостаточно?