Ipoteză lumii ARN-ului

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Ipoteza ARN mondial este o teorie care propune prezența formelor de viață bazate exclusiv pe ARN (acid ribonucleic) , înainte de formarea de organisme vii actuale bazate în principal pe ADN (acid dezoxiribonucleic).

Conform acestei ipoteze, sistemul actual, inclusiv ADN si proteine ​​ar fi evoluat din lumea ARN-ului, care în comparație cu ARN singur au avantaje considerabile în ceea ce privește stabilitatea și flexibilitatea.

Istorie

Lumea ARN marcat (ARN mondial în limba engleză în original) a fost utilizat pentru prima dată de la laureat al Premiului Nobel Walter Gilbert în 1986 într - un articol comentând funcțiile catalitice ale multor forme de ARN - ului care, la acel moment, a început să fie pus în evidență în cadrul comunității științifice. [1] În orice caz, ideea unei independente de viață a ARN de ADN si proteine au fost deja formulate două decenii mai devreme în Carl Woese e 1968 book Codul genetic [2] . Cu toate acestea, o astfel de idee a fost deja lansată în 1963 de către biologul molecular Alexander bogat , din Massachusetts Institute of Technology , care a vorbit despre el într - un articol inserat într - un volum publicat în onoarea laureatului Nobel , Albert Szent-Györgyi [3] .

Ipoteza și proprietățile ARN

Conform ARN - ului ipoteza mondial, acest macromoleculă poate să fi fost inițial singurul responsabil pentru celulare de viață sau pre-celulare. Unele teorii referitoare la originea vieții prezente informație mediată de ARN și cataliza ca prim pas în evoluția vieții celulare. ARN - ul este , de fapt , capabil de a stoca informații , dar, în comparație cu ADN - ul, este de asemenea capabil să catalizeze reacțiile cum ar fi proteine enzime .

Ipoteza presupune că acest sistem bazat pe ARN ar fi evoluat în sistemul actual de asemenea , inclusiv ADN și proteine , datorită marii stabilitatea chimică a ADN - ului (necesar pentru păstrarea informației gene foarte prețioase) și flexibilitatea catalitică mai mare care aminoacizii garanție. Conform ipotezei lumii ARN - ului, prin urmare, ARN încă prezentă în celulele (în ribozomi și în ribozimele ) este doar un rest al lumii ARN - ului original.

ARN ca o enzimă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: ribozimei .

RNAs cu enzimă funcție, sau ribozim , sunt posibile cu toate că nu sunt comune în viață bazate pe ADN - ul de azi. Cu toate acestea, ribozomi joacă un rol important; ribozimele sunt componente esențiale ale ribozomului , acesta din urmă fiind vital pentru sinteza proteinelor. Există mai multe funcții posibile de ribozimă: natura face utilizarea extensivă a auto-despicare ARN ribozomi și evoluția directă a creat cu o varietate de activități.

Printre cele mai multe proprietăți catalitice relevante referitoare la originea vieții sunt:

  • Capacitatea de auto-duplicat sau de a dubla alte molecule de ARN. molecule relativ scurte de ARN capabile să dubleze altele au fost produse în laborator. Cel mai scurt trebuie identificat este de 165 de baze, deși se crede că, chiar și mai puțin poate fi suficient. Cel mai credincios, de 189 de baze, a arătat o precizie de 98,9%, [4] , care înseamnă , în termeni simpli , care, prin replicarea in sine, ar putea să facă o copie exactă la fiecare opt încercări.
  • Capacitatea de a catalizeaza reactii chimice simple care face posibilă crearea de noi molecule. Relativ filamente scurte cu astfel de capacități au fost făcute în laborator. [5] [6]
  • Capacitatea de a forma legături peptidice și, prin urmare, peptide scurte. Această operațiune se efectuează în prezent de ribozomi , complexele formata din proteine si doua molecule de ARN lungi (cunoscut sub numele de ARNr ) considerat a fi principalul responsabil pentru proteina sinteza activității. O moleculă capabilă de a face peptide scurte a fost sintetizat în laborator. Se poate presupune că ribozomi actuale ar putea fi evoluat de la astfel de molecule. [7] . S - a sugerat de asemenea că aminoacizii pot fi fost inițial complexate cu molecule de ARN ca cofactori capabile de amplificarea și diversificarea capacitatilor enzimatice; ARNm - ar fi evoluat din molecule similare și ARNt din filamente capabile să catalizeze transferul acelorași aminoacizi față de peptide scurte. [8] .

ANN în conservarea informațiilor

ARN-ul este o molecula foarte similar cu ADN-ul, cu doar două diferențe chimice. Această similitudine, de exemplu, permite crearea de helices duble mixte de ADN și ARN. Din acest motiv, este posibil să se emite ipoteza unui rol în conservarea informațiilor, tipice a ADN-ului, de asemenea, pentru ARN-uri.

Comparație între structura ADN și ARN

Pictogramă lupă mgx2.svg Acelasi subiect in detaliu: ARN și ADN .
Comparația între bazele azotate ale ARN - ului (stânga) și ADN (dreapta)

Diferența principală dintre molecule este prezența unui hidroxil grup în poziția 2“a ribozei prezentă în molecula de ARN. Acest grup de forțe riboză în conformația C3'-endo, spre deosebire de C2'-endo tipic de dezoxiriboză, generând astfel două molecule care sunt totuși diferite unele de altele. Cel mai important, acest grup face mai puțin stabil molecula, deoarece poate ataca în apropiere legătura fosfodiester și rupe - l.

Cealaltă diferență relevantă este setul de bază utilizat ARN, care include uracil în loc de Timina utilizat de ADN. Acestea sunt molecule similare, deși uracil necesită mai puțină energie pentru a fi produse. Din punct de vedere al împerecherea, nu mai există consecințe relevante: adenina este capabil de a lega ambele baze nepăsător. Limitarea reală a utilizării uracil este că poate rezulta din dezaminarea citozină , făcând molecule de ARN deosebit de sensibile la mutații care inlocuiesc baze perechi , cum ar fi GC cu GU.

Limite în conservarea informațiilor în ARN

Depozitarea unor cantități mari de informații în ARN-ul nu este simplă. Structura ARN - ului face șuvițe lungi intrinsec fragile, care poate suferi o degradare prin hidroliză . Bazele aromatice, care absorb eficient UV radiatii, sunt de asemenea foarte predispuse la modificări structurale, care fac exactitatea acestor conservare foarte scăzut. [9] [10] Aceste limitări nu fac imposibilă ARN - ului de a reține informații, de fapt , acesta este folosit ca material genetic de virusuri , cum ar fi retrovirusuri și viroizi . Prezența unei molecule optimizate , cum ar fi ADN - ul explică de ce ARN - ul nu este utilizat în acest scop astăzi, dar nu exclude ca acest lucru ar putea avea loc în etapele primordiale ale vieții de pe Pământ.

Valoarea ipotezei

Proprietățile ARN - ului face prezența unei lumi ARN - ului conceptual posibil, deși plauzibilitate ca o explicație a originii vieții este încă dezbătută.

O versiune ușor diferită a ipotezei că este un alt tip de acid nucleic , numit pre-ARN, a fost primul care a apărut ca o molecula auto-replicare, doar pentru a fi ulterior înlocuită de ARN. Aceste tipuri de acid nucleic sunt uneori produs mai ușor și / sau polimerizate în condiții prebiotice. Sugestii pentru aceste tipuri de acid nucleic includ PNA , TNA, sau GNA . [11] [12]

Argumente în favoarea acestuia

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: ARN și ribozimei .

Ipoteza este considerată extrem de probabil datorită versatilității enorme a moleculei de ARN, capabile să stocheze, să transmită și să duplicarea genetice informații într - un mod similar cu ADN - ul , dar și, în plus, de a acționa ca un ribozim (datorită capacității sale de a -și asuma complexe structuri terțiare ) și apoi la reacțiile catalizeze ca proteinenzimelor fac.

Cele mai multe dovezi convingătoare că în ribozomului , care este compus din proteine si ARN ribozomal, sinteza proteinei este operat nu de enzime (care sunt proteine) , dar de ARN ribozomal , care în acest caz se comportă ca un ribozim . Un al doilea test important este fenomenul de despicare , în cazul în care o moleculă de pre-ARN este capabil de tăiere în sine , fără intervenția enzimelor, deși intervenția proteinelor este, ca pentru ribozomului, să se stabilizeze și să acționeze ca „schele“ pentru reacția complex. Din nou, viroizi , cele mai simple entități de auto-replicare, sunt formate din ARN care acționează ca un ribozim. ARN - ul constituie , de asemenea , materialul genetic doar al unor virusuri , cum ar fi retrovirusuri , dovedind că numai ARN - ul poate face un genom.

Acestea și alte dovezi prezente în organismele vii în prezent susțin cu tărie ideea că ARN - ul a fost ultima molecula autoreplicant înainte de apariția ADN - ului [13] .

Deși nucleotide nu au fost identificate în clasic experimentul Miller-Urey , există alte experimente, cum ar fi cea a lui Joan ORO , care evidențiază posibila lor sinteză autonomă în condiții de mediu care au caracterizat originea vieții. Un experiment ulterior într - o atmosferă mai puțin de reducere decât cea a Urey produs nucleotide [14] , consolidarea în continuare ipoteza lumii ARN - ului.

Ipoteza este susținută și de studii pe ribozime foarte simple, cum ar fi virale Q-beta RNAs , care au demonstrat capacități de auto - replicativă chiar și sub presiuni selective foarte importante. [15]

Mai mult, condițiile de mediu ale timpurii Pământului ar fi fost ideal pentru o moleculă labilă cum ar fi ARN. Razele ultraviolete, de fapt, induce simultan polimerizarea ARN și descompunerea altor tipuri de molecule organice potențial capabile să catalizeze degradarea ARN - ului (cum ar fi ribonucleaze ). În orice caz, acest lucru este un aspect nu a fost încă confirmată de observațiile experimentale.

Argumente opuse

Argumentele contrare ipotezei se bazează pe improbabilitatea formarea spontană a moleculelor de ARN, de asemenea , susținută de faptul că citozina baza nu a fost testat suficient în metodele de testare prebiotice, deoarece suferă ușor hidroliză.

Condițiile prebiotice necesare pentru formarea spontană a celor trei elemente care alcătuiesc o nucleotidă sunt diferite una de cealaltă. Bazele de azot sunt formate în medii diferite decât cele necesare pentru formarea de zaharuri prezente în scheletul de acid nucleic. Din acest motiv, ar fi necesară pentru o sinteză spontană ipoteza a celor două clase de molecule în medii diferite, urmate de o unire ulterioară. Cu toate acestea, trebuie spus că, într-un mediu apos, este puțin probabil ca o astfel de unire, deoarece bazele azotate și zaharuri sunt în orice caz, în imposibilitatea de a reacționa. In mediu anhidru, purine sunt capabili sa zaharuri bind (dar numai 8% la corecta carbon ), în timp ce între pirimidine și riboza nu există nici o posibilitate de legare spontan chiar și într - un mediu neapos.

Al treilea element, fosfatul , este ea însăși extrem de rar în soluții naturale, deoarece precipită repede. Și chiar și atunci când este prezent, acesta ar trebui să combine cu nucleozida la corect hidroxil . Pentru a putea să se introduce într - o moleculă de ARN, apoi, nucleotida ar trebui să fie activate prin legarea altor două grupări fosfat (pentru a forma, de exemplu, adenozin trifosfat ). În plus față de toate acestea, riboza trebuie să aibă corect stereoizomerie , deoarece nucleotide având incorecte chiralitate acționează ca terminatori de transcriere. [16]

Chiar și pe baza unor considerente de acest tip, Cairns-Smith a criticat exponenții comunității științifice în 1982 pentru a avea exagerat în desen consecințe din experimentul Miller-Urey . De fapt, el a susținut că acest experiment nu a demonstrat că acizii nucleici au stat la baza originii vieții, ci pur și simplu că această ipoteză nu a fost neverosimile. Cairns-Smith a susținut că, pentru a ajunge la cantitățile de molecule necesare pentru a da naștere la viață, procesul de construire a acizilor nucleici ar trebui să respecte 18 condiții autonome între ele pentru mai multe milioane de ani.

Lumea ARN în detaliu

Mecanismele de sinteza prebiotic de ARN

Ipoteza presupune prezența în supă primordială de nucleotide capabile să formeze cu ușurință legături chimice între ele și pentru a rupe aceste legături cu aceeași probabilitate, datorită consum redus de energie necesară pentru astfel de evenimente. In acest mediu, unele secvențe de baze având proprietăți catalitice ar fi putut amplifica formarea de secvențe cu caracteristici identice, datorită tocmai activitatea catalitică capabilă să reducă energia necesară pentru formarea unor astfel de secvențe. Consecința principală a formării acestor secvențe ar fi fost faptul că producția de fire de ARN ar deveni categoric mai avantajoasă decât ruperea lor.

Aceste secvențe sunt considerate a fi cele mai timpurii, forme primitive de viață. Într - o lume ARN, selecția naturală ar fi vizat secvențe de ARN în concurență unele cu altele. Numai cele mai eficiente din punct de vedere al cataliza și autoreproducere ar fi supraviețuit să evolueze și să formeze ARN-ul modern.

Competiția dintre ANNs ar fi favorizat apariția cooperării între diferite lanțuri, deschizând astfel calea pentru primele proto-celule. În cadrul acestui set de ARN, unii au dezvoltat abilitatea de a cataliza formarea unei legături peptidice cu consecința evoluționar avantajoasă de a fi capabil să genereze accesorii peptide pentru activitățile catalitice ale ribozomi . În același mod, toate celelalte molecule chimice care îl caracterizează astăzi, cum ar fi ADN, lipide sau glucide, ar putea , de asemenea , au fost recrutați în procesul de formare a vieții.

Alte ipoteze

Există o versiune diferită a ipotezei, numita pre-ARN - ului mondial ipoteza. Conform acestei teorii, un alt acid nucleic a existat înainte de ARN. Dintre cele propuse, există mai ales PNA , mai stabil decât ARN și mai ușor de sintetizat în condiții prebiotice (în care formarea riboză și adăugarea grupărilor fosfat, ambele absente în PNA, este cu siguranță problematică). TNA și GNA au fost propuse ca acizii nucleici pre-ARN.

O altă teorie, parțial complementară, este cea a ipotezei lumii un HAP (sau HAP, hidrocarburile aromatice policiclice ).

Patrick Forterre speculat ca virusurile ar fi fost instrumente necesare pentru tranziția ARN-la-ADN de eubacteriile , Archaea și Eucariote . El a propus ca ultimul strămoș comun între cele trei domenii ar fi fost un virus ARN. Unii viruși ar adopta mai târziu ADN-ul, mult mai puțin supuse daune externe, incepand de a infecta organismelor care aparțin celor trei domenii cu acest acid nucleic, astfel permițând, de asemenea, evoluția lor. [17]

Implicații legate de ARN - ului Mondial

Ipoteza lumii ARN-ului, dacă este adevărat, are consecințe importante legate de definirea vieții în sine. Pentru cea mai mare parte secolului XX , viața privită comunitatea științifică ca o combinație a ADN - ului și a proteinelor, considerate cele două macromolecule dominante, împingându ARN - ul la statutul de o simplă moleculă accesorie.

Această ipoteză plasează în loc de ARN în centrul originii vieții. Acest lucru este sugerat de numeroase studii care, în ultimul deceniu, au evaluat-re rolul ARN-ului, descoperirea funcțiilor necunoscute anterior și subliniind rolul său esențial în funcționarea vieții. In 2001 structurile tridimensionale ale ribozomi au fost rezolvate, subliniind că, așa cum sa menționat deja, situsul catalitic este compus din ribozomilor (ARN) și nu enzime ( proteine ) ca emis ipoteza anterior.

Descoperirile ulterioare în acest sens, care sporesc rolul fiziologic fundamental al ARN - ului, au fost cele legate de rolul ribonucleoproteine nucleare mici (snRNPs) în pre-ARNm de procesare, editarea ARN , transcrierea inversă și telomerilor de întreținere..

Notă

  1. ^ Walter Gilbert , Lumea ARN - ului , în Nature , voi. 319, februarie 1986, p. 618, DOI : 10.1038 / 319618a0 .
  2. ^ Carl Woese , codul genetic, Harper & Row, ianuarie 1968, ISBN 978-0-06-047176-7 .
  3. ^ Alexander bogat, cu privire la problemele de evoluție și transfer de informații biochimice. , In Horizons In Biochimie, 1962, pp. 103-126.
  4. ^ WK Johnston, PJ Unrau, MS Lawrence, ME Glasner și DP Bartel ARN-catalizate ARN Polimerizarea: Accurate si General ARN-Primer Extension urile șablon . Stiinta 292, 1319 (2001)
  5. ^ Huang, Yang, și Yarus, enzime ARN cu două substraturi mici molecule Filed 3 iulie 2012 în Archive.is .. Chemistry & Biology, Voi 5, 669-678, noiembrie 1998
  6. ^ Unrau, PJ și Bartel, DP (1998) ARN-catalizată sinteza nucleotidelor . Natura 395, 260-263
  7. ^ Zhang și Cech, formarea legăturii peptidice de in vitro ribozime selectate . Natura 390, 96-100
  8. ^ Szathmary E., Originea codului genetic: aminoacizi ca cofactori într - o lume ARN Filed 2 octombrie 2007 în Internet Archive .. Tendințe în Genetica, volumul 15, numărul 6, o iunie 1999, pag. 223-229 (7)
  9. ^ T Lindahl, Instabilitate și descompunere a structurii primare a ADN - ului, în Nature, voi. 362, nr. 6422, aprilie 1993, pag. 709-15, PMID 8469282 .
  10. ^ S Pääbo, ADN - ul antic, în Scientific American, vol. 269, nr. 5, noiembrie 1993, pp. 60-66.
  11. ^ Leslie Orgel, A Acid Simpler Nucleic , în Science, voi. 290, n. 5495, noiembrie 2000, pag. 1306-7, DOI : 10.1126 / science.290.5495.1306 .
  12. ^ Nelson, KE, Levy, M.; Miller, SL, acizi nucleici peptidici , mai degrabă decât de ARN poate sa fi fost prima moleculă genetică , în Proc. Natl. Acad. Sci. SUA , vol. 97, nr. 8, aprilie 2000, pp. 3868-71, PMID 10760258 .
  13. ^ Viata dintr - o lume ARN. Strămoșul In cadrul, presa Universitatea Harvard.
  14. ^ Formarea nucleobaze un Miller - Urey atmosferă reducătoare , la ncbi.nlm.nih.gov.
  15. ^ Bazele de selectie (Londra: Springer, 1997)
  16. ^ Joyce GF, Visser GM van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J., selecția Chiral în poli (C) sinteza de oligo direcționată (G), în Nature, voi. 310, nr. 5978, August 1984, pp. 602-4, PMID 6462250 .
  17. ^ Zimmer C., ADN - ul Ai venit de viruși? , în Știință , vol. 312, n. 5775, 2006, pp. 870-2, PMID 16690855 .

Bibliografie

  • AG Cairns-Smith, Takeover genetică: și originile minerale ale Vieții, Cambridge University Press, 1993, ISBN 0-521-23312-7 .
  • LE Orgel, originea vieții pe Pământ, în Scientific American , voi. 271 oct 1994, pp. 76-83.
  • Adrian Woolfson, viață fără gene, Londra, Flamingo, septembrie 2000, ISBN 978-0-00-654874-4 .
  • Alexander V. Vlassov, Lumea ARN - ului pe gheață: un nou scenariu pentru apariția ARN - ului de informare , în Journal of Molecular Evolution , vol. 61, Jul 2005, pp. 264-273.
  • Matthew W. Powner, Béatrice Gerland, John D. Sutherland, Sinteza ribonucleotide pirimidină activat în condiții de prebiotically plauzibile, Nature 459, 239-242 (14 mai 2009) doi: 10.1038
  • Jack W. Szosta, Originile vieții: chimie Sisteme de pe Pământ timpurie, Nature 459, 171-172 (14 mai 2009) doi: 10.1038

Elemente conexe

linkuri externe

Biologie Portalul de biologie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de biologie
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Ipotesi_del_del_mondo_a_RNA&oldid=122496853 “