Ipoteza lumii ARN

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

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

Conform acestei ipoteze, sistemul actual, care include ADN și proteine, ar fi evoluat din lumea ARN, care, comparativ cu ARN-ul singur, are avantaje considerabile în ceea ce privește stabilitatea și flexibilitatea.

Istorie

Lumea etichetată cu ARN (lumea ARN în limba engleză originală) a fost folosită pentru prima dată de la laureatul Nobel Walter Gilbert în 1986 într-un articol care comentează funcțiile catalitice ale multor forme de ARN care, la acel moment, au început să fie puse în evidență în cadrul comunității științifice. [1] În orice caz, ideea unei vieți ARN independente de ADN și proteine ​​fusese deja formulată cu două decenii mai devreme în cartea lui Carl Woese din 1968 The Genetic Code [2] . Totuși, o astfel de idee fusese deja lansată în 1963 de biologul molecular Alexander Rich , de la Massachusetts Institute of Technology , care a vorbit despre aceasta într-un articol inserat într-un volum publicat în cinstea laureatului Nobel Albert Szent-Györgyi [3] .

Ipoteza și proprietățile ARN-ului

Conform ipotezei lumii ARN, această macromoleculă ar fi putut fi inițial responsabilă exclusiv de viața celulară sau precelulară. Unele teorii referitoare la originea vieții prezintă informațiile mediate de ARN și cataliza ca primul pas în evoluția vieții celulare. ARN-ul este de fapt capabil să stocheze informații, dar, în comparație cu ADN-ul, este, de asemenea, capabil să catalizeze reacții precum enzimele proteice .

Ipoteza presupune că acest sistem bazat pe ARN ar fi evoluat în sistemul actual, incluzând și ADN și proteine ​​datorită stabilității chimice mari a ADN-ului (necesară pentru conservarea informațiilor genetice foarte prețioase) și a flexibilității catalitice mai mari pe care o au aminoacizii garanție. Conform ipotezei lumii ARN, prin urmare, ARN încă prezent în celule (în ribozomi și în ribozime ) este doar un reziduu al lumii ARN originale.

ARN ca enzimă

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

ARN-urile cu funcție enzimatică, sau ribozima , sunt posibile, deși nu sunt frecvente în viața actuală bazată pe ADN. Cu toate acestea, ribozimele joacă un rol important; ribozimele sunt componente esențiale ale ribozomului , acesta din urmă fiind vital pentru sinteza proteinelor. Există multe funcții posibile ale ribozimului: natura folosește pe scară largă ARN-ul auto-îmbinat și evoluția directă a creat ribozime cu o varietate de activități.

Printre cele mai relevante proprietăți catalitice legate de originea vieții sunt:

  • Capacitatea de autoduplicare sau de duplicare a altor molecule de ARN. Au fost produse în laborator molecule relativ scurte de ARN capabile să dubleze altele. Cea mai scurtă identificare este de 165 de baze, deși se crede că și mai puține pot fi suficiente. Cei mai fideli , din 189 de baze, au arătat o acuratețe de 98,9%, [4] ceea ce înseamnă în termeni simpli că, replicându-se, ar putea face o copie exactă la fiecare opt încercări.
  • Capacitatea de a cataliza reacții chimice simple, ceea ce face posibilă crearea de noi molecule. Filamente relativ scurte cu astfel de capacități au fost realizate în laborator. [5] [6]
  • Capacitatea de a forma legături peptidice și, prin urmare, peptide scurte. Această operație este efectuată în prezent de ribozomi , complexe formate din proteine ​​și două molecule lungi de ARN (cunoscute sub numele de ARNr ) considerate a fi principalul responsabil pentru activitatea de sinteză a proteinelor . O moleculă capabilă să producă peptide scurte a fost sintetizată în laborator. Se poate face ipoteza că ribozomii actuali ar fi putut evolua din astfel de molecule. [7] . De asemenea, s-a sugerat că aminoacizii ar fi putut fi inițial complexați cu molecule de ARN ca cofactori capabili să amplifice și să diversifice capacitățile enzimatice; ARNm ar fi putut evolua din molecule similare, iar ARNt din filamente capabile să catalizeze transferul acelorași aminoacizi către peptidele scurte. [8] .

ANN în conservarea informațiilor

ARN-ul este o moleculă foarte asemănătoare cu ADN-ul, având doar două diferențe chimice. Această similitudine, de exemplu, permite crearea de spirale duble mixte de ADN și ARN. Din acest motiv, este posibil să se presupună un rol în conservarea informațiilor, tipic ADN-ului, și pentru ARN-uri.

Comparație între structura ADN și ARN

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: ARN și ADN .
Comparație între bazele azotate ale ARN (stânga) și ADN (dreapta)

Principala diferență dintre molecule este prezența unei grupări hidroxil în poziția 2 'a ribozei prezente în molecula de ARN. Acest grup forțează riboză în conformația C3'-endo, spre deosebire de C2'-endo tipică dezoxiribozei, generând astfel două molecule care sunt totuși diferite una de cealaltă. Cel mai important, acest grup face molecula mai puțin stabilă, deoarece poate ataca legătura fosfodiesterică din apropiere și o poate rupe.

Cealaltă diferență relevantă este setul de baze de ARN utilizat, care include uracil în loc de timina utilizată de ADN. Acestea sunt molecule similare, deși uracilul necesită mai puțină energie pentru a fi produs. Din punct de vedere al împerecherii, nu există consecințe relevante: adenina este capabilă să lege ambele baze indiferent. Limitarea reală a utilizării uracilului este că poate rezulta din dezaminarea citozinei , făcând moleculele de ARN deosebit de sensibile la mutații care înlocuiesc perechile de baze, cum ar fi GC cu GU .

Limite în conservarea informațiilor în ARN

Stocarea unor cantități mari de informații în ARN nu este simplă. Structura ARN face ca firele sale lungi să fie intrinsec fragile, care pot suferi degradări prin hidroliză . Bazele aromatice, care absorb eficient radiațiile UV , sunt, de asemenea, foarte predispuse la modificări structurale, ceea ce face ca precizia acestei conservări să fie foarte scăzută. [9] [10] Aceste limitări nu fac imposibilă păstrarea informațiilor de către ARN, de fapt este utilizată ca material genetic de viruși precum retrovirusuri și viroizi . Prezența unei molecule optimizate , cum ar fi ADN-ul, explică de ce ARN-ul nu este utilizat astăzi în acest scop, dar nu exclude faptul că acest lucru s-ar fi putut produce în etapele primordiale ale vieții pe Pământ.

Valoarea ipotezei

Proprietățile ARN fac posibilă prezența unei lumi ARN conceptual, deși plauzibilitatea sa ca explicație a originii vieții este încă dezbătută.

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

Argumente în favoarea

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

Ipoteza este considerată extrem de probabilă datorită versatilității enorme a moleculei de ARN, capabilă să stocheze, să transmită și să dubleze informații genetice într-un mod similar cu ADN-ul, dar și, în plus, să acționeze ca un ribozim (datorită capacității sale de a-și asuma complexe structuri terțiare ) și apoi pentru a cataliza reacțiile așa cum fac enzimele proteice.

Cea mai convingătoare dovadă este că în ribozom , care este compus din proteine ​​și ARN ribozomal, sinteza proteinelor este operată nu de enzime (care sunt proteine), ci de ARN ribozomal , care în acest caz se comportă ca un ribozim . O a doua dovadă importantă este fenomenul de splicing , în care o moleculă pre-ARN este capabilă să se taie singură fără intervenția enzimelor, deși intervenția proteinelor este, ca și pentru ribozom, să se stabilizeze și să acționeze ca „schelă” pentru reacție complex. Din nou, viroizii , cele mai simple entități auto-replicante, sunt alcătuite din ARN care acționează ca un ribozim. ARN-ul constituie, de asemenea, singurul material genetic al unor viruși, cum ar fi retrovirusurile , dovedind că ARN-ul singur poate forma un genom.

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

Deși nucleotidele nu au fost identificate în experimentul clasic Miller-Urey , există și alte experimente, precum cel al lui Joan Oró , care evidențiază posibila lor sinteză autonomă în condițiile de mediu care au caracterizat originea vieții. Un experiment ulterior într-o atmosferă mai puțin reducătoare decât cea a lui Urey a produs nucleotide [14] , consolidând în continuare ipoteza lumii ARN.

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

Mai mult, condițiile de mediu ale Pământului timpuriu ar fi putut fi ideale pentru o moleculă labilă precum ARN. Razele ultraviolete, de fapt, induc simultan polimerizarea ARN și descompunerea altor tipuri de molecule organice potențial capabile să catalizeze degradarea ARN (cum ar fi ribonucleaze ). În orice caz, acesta este un aspect care încă nu este coroborat de observații experimentale.

Argumente opuse

Argumentele contrare ipotezei se bazează pe improbabilitatea formării spontane a moleculelor de ARN, susținută și de faptul că baza citozinei nu a fost suficient testată în metodele de testare prebiotică, deoarece este supusă cu ușurință hidrolizei.

Condițiile prebiotice necesare formării spontane a celor trei elemente care alcătuiesc un nucleotid sunt diferite între ele. Bazele de azot se formează în medii diferite de cele necesare formării zaharurilor prezente în scheletul acidului nucleic. Din acest motiv, ar fi, prin urmare, necesar să presupunem o sinteză spontană a celor două clase de molecule în medii separate, urmată de o unire ulterioară. Cu toate acestea, trebuie spus că, într-un mediu apos, o astfel de uniune este puțin probabilă, deoarece bazele azotate și zaharurile sunt în orice caz incapabile să reacționeze. În mediu anhidru, purinele sunt capabile să lege zaharurile (dar doar 8% la carbonul corect), în timp ce între pirimidine și riboză nu există posibilitatea legării spontane chiar și într-un mediu neapos.

Al treilea element, fosfatul , este în sine extrem de rar în soluțiile naturale, deoarece precipită rapid. Și chiar și atunci când este prezent, ar trebui să se combine cu nucleozidul la hidroxil corect. Pentru a se putea insera într-o moleculă de ARN, nucleotida ar trebui să se activeze prin legarea altor două grupări fosfat (pentru a forma, de exemplu, adenozin trifosfat ). În plus față de toate acestea, riboza trebuie să aibă stereoizomerismul corect, deoarece nucleotidele cu chiralitate incorectă acționează ca terminatori de transcripție. [16]

Chiar și pe baza unor considerații de acest tip, Cairns-Smith a criticat exponenții comunității științifice în 1982 pentru că au exagerat în trasarea consecințelor din experimentul Miller-Urey . De fapt, el a susținut că acest experiment nu a arătat că acizii nucleici au stat la baza originii vieții, ci pur și simplu că această ipoteză nu era neplauzibilă. Cairns-Smith a susținut că, pentru a atinge cantitățile de molecule necesare pentru a da naștere vieții, procesul de construire a acizilor nucleici ar trebui să respecte 18 condiții autonome între ele timp de câteva milioane de ani.

Lumea ARN în detaliu

Mecanisme de sinteză prebiotică a ARN-ului

Ipoteza presupune prezența în supa primordială a nucleotidelor capabile să formeze cu ușurință legături chimice între ele și să rupă aceste legături cu aceeași probabilitate, datorită energiei reduse necesare pentru astfel de evenimente. În acest mediu, unele secvențe de bază cu proprietăți catalitice ar fi putut să amplifice formarea secvențelor cu caracteristici identice, datorită tocmai activității catalitice capabile să reducă energia necesară formării unor astfel de secvențe. Principala consecință a formării acestor secvențe ar fi fost faptul că producția de fire de ARN ar deveni decisiv mai avantajoasă decât ruperea lor.

Se crede că aceste secvențe sunt primele forme de viață primitive. Într-o lume cu ARN, selecția naturală ar fi vizat secvențe de ARN în competiție între ele. Numai cei mai eficienți în ceea ce privește cataliza și auto-reproducerea ar fi supraviețuit pentru a evolua și a forma ARN-ul modern.

Concurența dintre ANN-uri ar fi putut favoriza apariția cooperării între diferite lanțuri, deschizând astfel calea primelor proto-celule. În cadrul acestui set de ARN, unii ar fi putut să dezvolte capacitatea de a cataliza formarea unei legături peptidice cu consecința evolutivă avantajoasă de a putea genera peptide accesorii pentru activitățile catalitice ale ribozimelor . În același mod, toate celelalte molecule chimice care îl caracterizează astăzi, cum ar fi ADN-ul, lipidele sau carbohidrații, ar fi putut fi, de asemenea, recrutați în procesul de formare a vieții.

Alte ipoteze

Există o versiune diferită a ipotezei, numită ipoteza lumii pre-ARN . Conform acestei teorii, un alt acid nucleic a existat înainte de ARN. Dintre cei propuși, există mai presus de toate PNA , mai stabil decât ARN și mai ușor de sintetizat în condiții prebiotice (în care formarea ribozei și adăugarea grupărilor fosfat, ambele absente în PNA, este cu siguranță problematică). TNA și GNA au fost, de asemenea, propuse ca acizi nucleici pre-ARN.

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

Patrick Forterre a speculat că virusurile ar fi putut fi instrumente necesare pentru tranziția ARN-ADN a Eubacteriei , Archaea și Eukaryota . El a propus ca ultimul strămoș comun dintre cele trei domenii să fi fost un virus ARN. Unii viruși ar adopta ulterior ADN-ul, mult mai puțin supus unor daune externe, începând să infecteze organismele aparținând celor trei domenii cu acest acid nucleic, permițând astfel și evoluția lor. [17]

Implicații ale ARN legate de lume

Ipoteza lumii ARN, dacă este adevărată, are consecințe importante legate de definiția vieții în sine. În cea mai mare parte a secolului al XX-lea , comunitatea științifică considera viața ca o combinație de ADN și proteine , considerate cele două macromolecule dominante, relegând ARN-ul la statutul de simplă moleculă accesorie.

Această ipoteză plasează ARN-ul în centrul originii vieții. Acest lucru este sugerat de numeroase studii care, în ultimul deceniu, au reevaluat rolul ARN-ului, descoperind funcții necunoscute anterior și evidențiind rolul său critic în funcționarea vieții. În 2001 , structurile tridimensionale ale ribozomilor au fost rezolvate, subliniind că, așa cum am menționat deja, situl catalitic este compus din ribozime (ARN) și nu enzime ( proteine ) așa cum sa presupus anterior.

Descoperiri suplimentare în acest sens, care sporesc rolul fiziologic fundamental al ARN, au fost cele legate de rolul ribonucleoproteinelor nucleare mici (snRNP) în prelucrarea pre-ARNm , editarea ARN , transcrierea inversă și întreținerea telomerilor .

Notă

  1. ^ Walter Gilbert , The RNA World , in Nature , vol. 319, februarie 1986, p. 618, DOI : 10.1038 / 319618a0 .
  2. ^ Carl Woese , The Genetic Code , Harper & Row, ianuarie 1968, ISBN 978-0-06-047176-7 .
  3. ^ Alexander Rich, Despre problemele evoluției și transferului de informații biochimice. , în Orizonturi în biochimie , 1962, pp. 103–126.
  4. ^ WK Johnston, PJ Unrau, MS Lawrence, ME Glasner și DP Bartel ARN-catalizat ARN Polimerizare: Exact și general cu ARN-Templated Primer Extension . Știință 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) Sinteza nucleotidelor catalizate de ARN . Natura 395, 260-263
  7. ^ Zhang și Cech, formarea legăturii peptidice prin ribozime selectate in vitro . 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 degradare a structurii primare a ADN-ului , în Nature , vol. 362, nr. 6422, aprilie 1993, pp. 709-15, PMID 8469282 .
  10. ^ S Pääbo, Ancient DNA , în Scientific American , vol. 269, nr. 5, noiembrie 1993, pp. 60-66.
  11. ^ Leslie Orgel, Un acid nucleic mai simplu , în Știință , vol. 290, nr. 5495, noiembrie 2000, pp. 1306-7, DOI : 10.1126 / science.290.5495.1306 .
  12. ^ Nelson, KE, Levy, M; Miller, SL, Acizi nucleici peptidici , mai degrabă decât ARN, ar fi putut fi prima moleculă genetică , în Proc. Natl. Acad. Sci. SUA , vol. 97, nr. 8, aprilie 2000, pp. 3868–71, PMID 10760258 .
  13. ^ Viața dintr-o lume RNA. The Ancestor Within , presa Universității Harvard.
  14. ^ Formarea nucleobazelor într-o atmosferă reducătoare Miller-Urey , la ncbi.nlm.nih.gov .
  15. ^ Bazele selecției (Londra: Springer, 1997)
  16. ^ Joyce GF, Visser GM, van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J., Chiral selection in poly (C) -directed synthesis of oligo (G) , in Nature , vol. 310, nr. 5978, august 1984, pp. 602-4, PMID 6462250 .
  17. ^ Zimmer C., ADN-ul provine de la viruși? , în Știință , vol. 312, n. 5775, 2006, pp. 870-2, PMID 16690855 .

Bibliografie

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 ”