В молекулярной биологии есть популярная гипотеза — «мир РНК». Согласно ей, одним из первых этапов зарождения жизни на Земле было формирование рибонуклеиновой кислоты. В процессе химической эволюции она оказалась внутри протоклеток, что в результате привело к возникновению полноценных одноклеточных организмов. И хотя за миллиарды лет задачи РНК изменились, базовые древние механизмы до сих пор управляют процессами, без которых жизнь клетки невозможна. В этом материале мы поговорим о том, почему жизнь не стала отвергать фундаментальные функции РНК, а интегрировала их в более сложную систему взаимодействия с ДНК и белками.
Химическая универсальность
В современных живых клетках действует строгое «разделение труда» — ДНК надёжно хранит генетическую информацию, а белки действуют как катализаторы, многократно ускоряя биохимические реакции. РНК же уникальна тем, что способна совмещать обе эти роли. На заре зарождения жизни, с точки зрения затрат энергии, эволюционно выгоднее было задействовать одну универсальную молекулу, чем создавать сразу две системы и обеспечивать условия для их взаимодействия.
Как и ДНК, РНК состоит из цепочки нуклеотидов — последовательно связанных соединений сахаров, фосфатов и азотистых оснований. Основания используются для записи генетического кода и по принципу комплементарности, то есть соответствия оснований, можно собрать точную копию нити нуклеотидов. В современных клетках РНК перешла к роли временного «посредника», воспроизводящего фрагменты генома, однако в её основе лежит всё та же первозданная информационная функция.
Белки — отличные катализаторы, однако они не могут полностью вытеснить РНК. Более того, без рибонуклеиновой кислоты они попросту не смогли бы существовать. Одиночная нить РНК обладает достаточной пластичностью, чтобы принимать сложные трёхмерные формы. Внутри них образуются активные центры с подходящими условиями для проведения реакций. В далёком прошлом РНК была главным органическим биохимическим катализатором, а в современных клетках она входит в состав рибосомы, синтезирующей белки, и отвечает за некоторые другие реакции.
Эволюционная оптимизация
Эволюцию часто сравнивают с гениальным инженером, который создаёт всё более изящные и совершенные конструкции. На самом же деле, более точным будет сравнение с ленивым программистом. Его девиз: «Пока система не падает, код не меняем». Когда в древних живых клетках запустились метаболические процессы, РНК играла в них ключевую роль. В дальнейшем, несмотря на появление стабильной ДНК и эффективных белков, система так и не стала радикально перестраиваться.
Среди наглядных примеров эволюционного «консерватизма» можно отметить энергетическую молекулу аденозинтрифосфат (АТФ) и кофермент A. Конструктивно АТФ — это тот же нуклеотид РНК, состоящий из основания аденина и сахара рибозы, вот только вместо одной фосфатной группы, у него их сразу три. Когда клетка собирает РНК, она берёт АТФ и отщепляет лишние фосфаты, а выделенную энергию направляет на интеграцию молекулы в цепь. В основе кофермента A, ещё одного важного участника энергетического обмена, лежит аденозин. Он также включает аденин и рибозу, а фосфаты играют роль соединительных «мостиков» с витаминной частью кофермента.
Таким образом, на клеточном уровне эволюция пошла по пути наименьшего сопротивления. Чтобы заменить РНК-основу метаболизма, понадобилась бы одновременная и тщательно скоординированная перестройка всей генетической системы. Практически любая промежуточная ошибка в столь сложном процессе была сопряжена с риском необратимых нарушений обмена веществ и, как следствие, гибели клетки. В критически важных процессах синтеза белков сохранение древних функций РНК позволило избежать фатальных последствий, а в регуляции генов — оптимизировать расходование ресурсов.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение: Magnific
