Jeta filloi me ARN

Hulumtimi i acidit nukleik është një nga pikat më të nxehta të nxehta në biologji. Për shkak të vetive unike të ARN -ve, ato po përdoren gjithnjë e më shumë në mjekësi dhe teknologji. Por deri më tani vetëm një rreth i ngushtë specialistësh e di këtë.

Acidi ribonukleik, ose ARN, nuk ka fat. Nuk është aq i njohur sa ADN -ja e tij e ngushtë relative, pavarësisht ngjashmërisë së tij të fortë kimike. Sidoqoftë, zbulimet e njëzet viteve të fundit kanë ndryshuar rrënjësisht pikëpamjet tona mbi rolin dhe funksionin e këtyre molekulave, siç doli, shumë "të aftë". Fryti i këtyre zbulimeve ishte një ide thelbësisht e re se jetës moderne i kishte paraprirë një "botë e ARN-së" antike plotësisht e vetë-mjaftueshme.

Siç ndodh zakonisht, njohuritë e reja, duke zgjeruar horizontin, krijuan shumë pyetje të reja. Cilët ishin mekanizmat e "evolucionit" në botën e ARN -së? Pse, nga dhe si erdhi ADN -ja dhe proteinat? Si ndodhi kalimi nga "bota ARN" në botën moderne? Akademiku Valentin Viktorovich Vlasov dhe djali i tij, kandidati i shkencave kimike, Alexander Vlasov, u tregojnë lexuesve për kërkimet që po kryhen në këtë drejtim.

Pse ekziston një artikull për ARN -në në serinë e artikujve kushtuar problemit të origjinës së jetës, dhe jo për molekula të tjera, më të njohura organike - ADN ose proteina? Ndoshta lexuesit tanë kanë dëgjuar edhe për ARN, por çfarë është ajo? Ne nuk jemi të sigurt asgjë të jashtëzakonshme - për një arsye të thjeshtë: deri më tani vetëm biologët e dinë se është ARN ajo që është molekulat "magjike" që i dha jetë. Se dikur në lashtësi, në Tokën e ftohur rishtazi, "bota misterioze e ARN -së" u ngrit dhe ekzistonte ...

Para se të shkoni në "fillimin e fillimeve", le të grumbullojmë njohuritë e nevojshme në lidhje me strukturën e acideve nukleike - ADN -së(deoksiribonukleike) dhe ARN (ribonukleike). Për sa i përket përbërjes kimike, ARN është një binjake, edhe pse jo një binjake e plotë, e ADN -së, ruajtësi kryesor i informacionit gjenetik në një qelizë të gjallë. Acidet nukleike janë makromolekula polimerike të përbëra nga njësi individuale - nukleotidet... Skeleti i një makromolekule është një molekulë sheqeri me pesë karbon, e lidhur me mbetjet e acidit fosforik. Një bazë azotike është ngjitur në secilën molekulë sheqeri. Nukleotidet që ndryshojnë nga njëri -tjetri vetëm në baza të ndryshme nitrogjene përcaktohen me shkronjat A, U, G, C (në ARN) dhe A, T, G, C (në ADN).

Sinqerisht, askush nuk mendoi për ARN për shumë vite. Kishte një dogmë se ekziston një qelizë, ka kromozome në të cilat ka ADN - ruajtësi i informacionit gjenetik.
Në fund të fundit, proteinat sintetizohen në ribosome. Dhe ARN - është diku në mes, një bartës i informacionit nga ADN - dhe asgjë më shumë. Dhe pastaj kishte zbulime që ju bënë të shikoni ARN -në në një mënyrë krejt tjetër. Dallimi kryesor midis acideve nukleike qëndron në përbërësin e tyre të karbohidrateve. Në ARN, sheqeri është ribozë, dhe në ADN, deoksiriboza: ku ADN -ja ka një atom hidrogjeni (H), ARN -ja ka një grup oksi (OH). Rezultatet e dallimeve të tilla të parëndësishme, për një pamje të sofistikuar, janë të habitshme. Pra, ADN-ja ekziston kryesisht në formën e helikave të ngurta të njohura, në të cilat dy vargje të ADN-së mbahen së bashku për shkak të formimit të lidhjeve të hidrogjenit midis nukleotideve plotësuese.

ARN gjithashtu mund të formojë spirale me dy fije, të ngjashme me ato të ADN-së, por në shumicën e rasteve, ARN-të ekzistojnë në struktura komplekse të mbështjelljes. Këto struktura formohen jo vetëm për shkak të formimit të lidhjeve të përmendura të hidrogjenit midis rajoneve të ndryshme të ARN -së, por edhe për shkak të grupit oksigjen të ribozës, i cili mund të krijojë lidhje shtesë hidrogjeni dhe të ndërveprojë me acidin fosforik dhe jonet metalike. Strukturat globulare të ARN -së jo vetëm nga jashtë i ngjajnë strukturave proteinike, por edhe i afrohen atyre në veti: ato mund të ndërveprojnë me një larmi molekulash, të vogla dhe polimerike.

Kush konsiderohet "i gjallë"?

Pse e quajmë ARN paraardhëse e jetës së tanishme? Për t'iu përgjigjur kësaj pyetjeje, le të kuptojmë se ku qëndron kufiri midis të gjallëve dhe të pajetëve.

Meqenëse shkencëtarë nga fusha të ndryshme po punojnë mbi problemin e origjinës së jetës, secili vepron në aspektin e një shkence të afërt me të. Kimistët patjetër do të mbajnë mend fjalën "katalizator", matematikanët - "informacion". Biologët do të marrin parasysh i gjalle një sistem që përmban një substancë (program gjenetik) që mund të kopjohet (ose, më thjesht, shumëfishohet). Në të njëjtën kohë, është e nevojshme që gjatë një kopjimi të tillë të ndodhin disa ndryshime në informacionin trashëgues dhe të shfaqen variante të reja të sistemeve, domethënë, duhet të ketë një mundësi evolucion... Biologët gjithashtu patjetër do të vënë re se sisteme të tilla duhet të izolohen në hapësirë. Përndryshe, sistemet më progresive në zhvillim nuk do të jenë në gjendje të përfitojnë nga avantazhet e tyre, pasi katalizatorët e tyre më efikasë dhe produktet e tjera do të "notojnë" lirshëm në mjedis.

Atëherë, si u izoluan sistemet e para molekulare nga mjedisi? Kolonitë e molekulave, për shembull, mund të mbahen së bashku me absorbim në disa sipërfaqe minerale ose grimca pluhuri. Sidoqoftë, është e mundur që edhe sistemet më primitive të kishin, si qelizat e gjalla moderne, një mbështjellës të vërtetë të membranës. Fakti është se një "protocelë" e tillë me një membranë lipide mund të formohet shumë thjesht. Shumë molekula me grupe të ngarkuara (për shembull, acidet yndyrore) formojnë flluska mikroskopike në një mjedis ujor - liposomet... Kjo fjalë duhet të jetë e njohur për gjysmën e drejtë të lexuesve tanë: liposomet përdoren gjerësisht në kremrat kozmetikë - kapsulat e vogla të yndyrës janë të mbushura me vitamina dhe substanca të tjera biologjikisht aktive. Por me çfarë ishin mbushur "protocellet" e lashta? Doli se është ARN ajo që pretendon të jetë "mbushja".

A mundet ARN të bëjë gjithçka?

Jeta, pa dyshim, duhej të fillonte me formimin e molekulave "të afta" që mund të riprodhoheshin dhe të kryenin të gjitha "punët" e tjera të nevojshme për ekzistencën e qelizës. Sidoqoftë, as ADN -ja dhe as proteina nuk janë të përshtatshme për rolin e zejtarëve të tillë. ADN -ja është një mbajtëse e shkëlqyer e informacionit gjenetik, por nuk mund të riprodhohet vetë. Proteinat janë katalizatorë të shkëlqyer, por ato nuk mund të funksionojnë si "programe gjenetike". Paradoksi i pulës dhe vezës lind: ADN-ja nuk mund të formohet pa proteina, dhe proteina pa ADN-në. Dhe vetëm ARN, siç doli, mund të bëjë gjithçka. Por le të mos dalim para vetes.

Konsideroni funksionet e njohura prej kohësh të ARN-së të lidhura me punën ( shprehje) gjen në qelizë. Kur ndizet një gjen, çrregullimi i ADN -së lokale ndodh së pari dhe një kopje ARN e programit gjenetik sintetizohet. Si rezultat i përpunimit kompleks të tij me proteina të veçanta, ARN lajmëtare ( ARNi), i cili është programi për sintezën e proteinave. Kjo ARN transferohet nga bërthama në citoplazmën e qelizës, ku lidhet me struktura të veçanta qelizore - ribozome, "makina" të vërteta molekulare për sintezën e proteinave. Proteina sintetizohet nga aminoacidet e aktivizuara të lidhura me ARN -të e veçanta të transportit (tRNAs), me secilin aminoacid të lidhur me ARN -në e tij specifike. Falë tRNA, aminoacidi është i fiksuar në qendrën katalitike të ribozomit, ku është "ngjitur" në zinxhirin e proteinave të sintetizuar. Nga sekuenca e konsideruar e ngjarjeve, mund të shihet se molekulat e ARN -së luajnë një rol kyç në dekodimin e informacionit gjenetik dhe biosintezën e proteinave.

Sa më shumë që ata u futën në studimin e proceseve të ndryshme biosintetike, aq më shpesh ata zbuluan funksione të panjohura më parë të ARN -së. Doli se përveç procesit transkriptimet(Sinteza e ARN -së duke kopjuar një pjesë të ADN -së) në disa raste, përkundrazi, sinteza e ADN -së mund të ndodhë në modelet e ARN -së. Ky proces, i quajtur transkriptim i kundërt përdorin gjatë zhvillimit të tyre shumë viruse, përfshirë viruset onkogjene famëkeqe dhe HIV-1, që shkakton AIDS.

Kështu, doli që rrjedha e informacionit gjenetik nuk është, siç mendohej fillimisht, njëdrejtimëshëm - nga ADN në ARN. Roli i ADN -së si bartësi kryesor origjinal i informacionit gjenetik filloi të vihej në dyshim. Për më tepër, shumë viruse (gripi, encefaliti i transmetuar nga rriqrat dhe të tjerët) nuk përdorin fare ADN-në si material gjenetik, gjenomi i tyre është ndërtuar ekskluzivisht nga ARN. Dhe pastaj, njëri pas tjetrit, u zbuluan zbulime, të cilat na detyruan të shikojmë ARN -në në një mënyrë krejt tjetër.

Të gjithë Master "Molekula"

Më befasuese ishte zbulimi i aftësisë katalitike të ARN -së. Më parë, besohej se vetëm proteinat dhe enzimat mund të katalizojnë reagimet. Shkencëtarët, për shembull, nuk mund të izolojnë enzimat që presin dhe qepin disa ARN. Pas hulumtimit të gjatë, doli që ARN -të e bëjnë një punë të shkëlqyeshme vetë. Strukturat ARN që veprojnë si enzima quhen ribozima(për analogji me enzimat, katalizatorë të proteinave). Një larmi e gjerë ribozimesh u zbuluan së shpejti. Ato përdoren veçanërisht gjerësisht për të manipuluar viruset e tyre ARN dhe agjentë të tjerë të thjeshtë infektivë. Kështu, ARN -të doli të ishin krik të të gjitha profesioneve: ato mund të veprojnë si bartës të informacionit trashëgues, mund të shërbejnë si katalizatorë, mjete për aminoacidet dhe të formojnë komplekse shumë specifike me proteina.

Besimi përfundimtar se "bota e ARN-së" ekzistonte vërtet erdhi pas identifikimit të detajeve të strukturës së kristaleve të ribozomeve me metodën e analizës strukturore të rrezeve X. Shkencëtarët shpresuan të gjenin atje një proteinë që katalizon ndërlidhjen e aminoacideve në një sekuencë proteine. Imagjinoni surprizën e tyre kur doli që në qendrën katalitike të ribozomeve nuk ka struktura proteinike fare, se është ndërtuar plotësisht nga ARN! Doli se të gjitha fazat kryesore të biosintezës së proteinave kryhen nga molekulat e ARN -së. Pika në diskutim në lidhje me mundësinë e ekzistencës së "botës ARN" si një fazë e veçantë e evolucionit biologjik u vendos.

Sigurisht, pamja e plotë ende nuk është rindërtuar - ka shumë çështje të pazgjidhura. Për shembull, në një qelizë moderne, aktivizimi i aminoacideve dhe lidhja e tyre me ARN -të përkatëse kryhet nga proteina specifike të enzimës. Shtrohen pyetjet: a mund të kryhet ky reagim pa pjesëmarrjen e proteinave, vetëm me ndihmën e ARN -së? A mundet vetë ARN -të të katalizojnë sintezën e ARN -së nga nukleotidet ose shtimin e bazave azotike në sheqer? Në përgjithësi, pas zbulimit të ribozimeve, aftësitë e tilla potenciale të ARN nuk ishin më në dyshim. Por shkenca kërkon që hipotezat të konfirmohen në mënyrë eksperimentale.

Evolucioni Darvinian në Tubin e Provës

Një metodë e mirë shpesh mund të revolucionarizojë shkencën. Kjo është pikërisht ajo që mund të thuhet për metodën reaksion zinxhir polimerazë (PCR), e cila ju lejon të shumëzoni acidet nukleike në sasi të pakufizuar. Le të përshkruajmë shkurtimisht thelbin e metodës. Për shumëzimin e ADN -së në metodën PCR, përdoren enzimat e ADN -së polimerazë, domethënë, të njëjtat enzima që, gjatë shumëzimit të qelizave, sintetizojnë fillesat plotësuese të ADN-së nga monomerët-nukleotidet e aktivizuar.

Në metodën PCR, një përzierje e nukleotideve të aktivizuara, enzimës së ADN polimerazës dhe të ashtuquajturës. abetare- oligonukleotide plotësuese të skajeve të ADN -së së replikuar. Kur tretësira nxehet, fillesat e ADN -së ndryshojnë. Pastaj, pas ftohjes, abetaret lidhen me to, duke formuar fragmente të shkurtra të strukturave spirale. Enzima bashkon nukleotidet në abetaret dhe mbledh një fije plotësuese të fillesës origjinale të ADN -së. Si rezultat i reagimit nga një ADN me dy fije, merren dy. Nëse e përsëritni procesin, ju merrni katër zinxhirë, dhe pas n përsëritjeve - 2 n molekula të ADN -së. Gjithçka është shumë e thjeshtë.

Shpikja e PCR dhe zhvillimi i metodave për sintezën kimike të ADN -së çuan në krijimin e një teknologjie të mahnitshme për përzgjedhjen molekulare. Parimi i përzgjedhjes molekulare është gjithashtu i thjeshtë: së pari, shumë molekula sintetizohen me veti të ndryshme (të ashtuquajturat biblioteka molekulare), dhe më pas molekulat me vetinë e dëshiruar zgjidhen nga kjo përzierje.

Bibliotekat e acidit nukleik janë përzierje të molekulave që kanë të njëjtën gjatësi, por ndryshojnë në sekuencën nukleotide. Ato mund të merren nëse, gjatë sintezës kimike në një sintetizues automatik, të katër nukleotidet shtohen njëkohësisht në secilën fazë të zgjatjes së sekuencës nukleotide. Secila prej tyre do të përfshihet në acidin nukleik në rritje me probabilitet të barabartë, si rezultat i së cilës, në secilën fazë të lidhjes, do të merren 4 variante të sekuencave. Nëse një acid nukleik me një gjatësi lidhjesh n sintetizohet në këtë mënyrë, atëherë shumëllojshmëria e molekulave të marra do të jetë 4 në fuqinë e n. Për sa kohë që zakonisht përdoren 30-60 monomere, sinteza rezulton në 4 30 në 4 60 molekula të ndryshme! Shifrat që janë të njohura përveç astronomëve.

Meqenëse, në varësi të përbërjes, acidet nukleike palosen në struktura të ndryshme hapësinore, sinteza e sekuencave statistikore jep një larmi të madhe molekulash që ndryshojnë në vetitë e tyre. Nga ADN -ja e formuar - me ndihmën e enzimës ARN polimerazë - lexohet ARN. Rezultati është një bibliotekë e ARN-ve tashmë me një fije. Tjetra, kryhet procedura e përzgjedhjes: zgjidhja e ARN-së kalohet përmes një kolone që përmban një bartës të patretshëm me molekula të synuara të lidhura kimikisht në mënyrë që të "kapë" të ashtuquajturën e ardhme aptamer, domethënë ARN e aftë për të lidhur molekula të caktuara. Kolona më pas lahet për të hequr ARN -në e palidhur, dhe më pas ARN -ja e mbajtur në kolonë për shkak të lidhjes me molekulat e synuara lahet (kjo mund të bëhet, për shembull, duke ngrohur kolonën).

Kopjet e ADN-së bëhen nga ARN e izoluar duke përdorur transkriptim të kundërt dhe prej tyre merren molekula të zakonshme të ADN-së me dy fije. Nga kjo e fundit, ju mund të lexoni aptamerët e dëshiruar të ARN -së, dhe pastaj t'i shumëzoni ato me PCR në sasi të pakufizuar. Sigurisht, ky është rasti në rastin ideal; në praktikë, gjithçka rezulton të jetë më e ndërlikuar. Zakonisht, përgatitja origjinale e ARN përmban një tepricë të madhe të molekulave "të huaja", nga të cilat është e vështirë të heqësh qafe. Prandaj, ARN -ja që rezulton kalohet vazhdimisht nëpër kolonë për të izoluar ARN -të që formojnë komplekset më të forta me molekulat e synuara.

Duke përdorur këtë metodë, u morën mijëra aptamerë të ndryshëm të ARN -së, të cilët formojnë komplekse specifike me komponime dhe molekula të ndryshme organike.

Skema e konsideruar e përzgjedhjes molekulare mund të zbatohet për të marrë molekula me çdo veti. Për shembull, u morën ARN që mund të katalizojnë sintezën e ARN dhe proteinave: shtimi i bazave azotike në ribozë, polimerizimi i nukleotideve të aktivizuar në zinxhirët e ARN, shtimi i aminoacideve në ARN. Këto studime konfirmuan edhe një herë se në kushtet e evolucionit prebiologjik, molekulat e ARN -së mund të dalin nga polimere të rastësishme
me struktura dhe funksione specifike.

Bëni porosinë tuaj!

Metoda e përzgjedhjes molekulare është shumë e fuqishme. Me ndihmën e tij, është e mundur të zgjidhen problemet e gjetjes së molekulave të nevojshme, edhe nëse fillimisht nuk ka ide se si duhet të sistemohen molekula të tilla. Sidoqoftë, nëse dilni me një procedurë përzgjedhjeje, ato mund të dallohen sipas parimit të pronave të kërkuara, dhe pastaj mund të merremi me pyetjen se si arrihen këto prona. Le ta demonstrojmë këtë me shembullin e izolimit të ARN -ve të afta të lidhen me membranat qelizore dhe të modulojnë përshkueshmërinë e tyre.

Ribocitet e lashta supozoheshin të thithnin "lëndë ushqyese" nga mjedisi, të hiqnin produktet metabolike dhe të ndaheshin gjatë riprodhimit.
Dhe të gjitha këto procese kërkojnë kontroll të përshkueshmërisë së membranës. Meqenëse besojmë se nuk kishte molekula të tjera funksionale përveç ARN -së në ribocite, disa ARN duhet të kenë bashkëvepruar me membranat. Sidoqoftë, nga pikëpamja kimike, ato janë plotësisht të papërshtatshme për rolin e rregullatorëve të përshkueshmërisë së membranës.

Membranat e qelizave moderne dhe liposomet, të ndërtuara nga acidet yndyrore, mbartin një ngarkesë negative. Meqenëse ARN -të janë gjithashtu të ngarkuara negativisht, sipas ligjit të Kulombit, ato duhet të zmbrapsen nga sipërfaqja e lipideve dhe, për më tepër, nuk mund të depërtojnë thellë në shtresën lipidike. Mënyra e vetme e njohur që acidet nukleike të ndërveprojnë me sipërfaqen e membranës është përmes joneve metalikë të ngarkuar dyfish. Këta jone të ngarkuar pozitivisht mund të veprojnë si ura, të vendosura midis grupeve të ngarkuara negativisht në sipërfaqen e membranës dhe grupeve fosfatike të acidit nukleik. Meqenëse ndërveprime të tilla lidhëse janë mjaft të dobëta, vetëm një acid nukleik shumë i madh mund të lidhet me membranën për shkak të lidhjeve të shumta të dobëta me sipërfaqen e membranës. Kështu armiqtë e vegjël e lidhën Gulliverin në tokë me shumë litarë të hollë.

Kjo është ajo ku metoda e përzgjedhjes molekulare ndihmoi studiuesit. Nga biblioteka e ARN -së, ne arritëm të izolojmë disa molekula që lidhen me sukses me membranat, dhe madje i shpërtheu ato në një përqendrim mjaft të lartë! Këto ARN kishin veti të pazakonta. Ata dukej se ndihmonin njëri -tjetrin: një përzierje molekulash të llojeve të ndryshme lidhet me membranat shumë më mirë sesa molekulat e të njëjtit lloj. Gjithçka u bë e qartë pas studimit të strukturave dytësore të këtyre ARN -ve. Doli se ata kanë sythe me seksione plotësuese. Për shkak të këtyre rajoneve, ARN "membrana" mund të formojë komplekse-bashkësi që janë të afta të krijojnë kontakte të shumta me membranën dhe të bëjnë atë që një molekulë ARN nuk mund të bëjë.

Ky eksperiment përzgjedhës sugjeroi që ARN ka një mënyrë shtesë për të fituar prona të reja përmes formimit të komplekseve komplekse supramolekulare. Ky mekanizëm mund të përdoret gjithashtu për të mbajtur evoluimin e sistemeve të ARN -së në formën e kolonive në sipërfaqe edhe para se këto sisteme të fitojnë një membranë izoluese.

"Bota e ARN -së": Ishte, Isshtë dhe Do të jetë!

Një mori dëshmish sugjerojnë se "bota e ARN -së" ka ekzistuar. Vërtetë, nuk është plotësisht e qartë se ku. Disa ekspertë besojnë se fazat fillestare të evolucionit nuk u zhvilluan në Tokë, se sisteme tashmë funksionalisht aktive u sollën në Tokë, të cilat u përshtatën me kushtet lokale. Sidoqoftë, me kimikate
dhe nga pikëpamja biologjike, kjo nuk ndryshon thelbin e çështjes. Në çdo rast, mbetet një mister - si rezultat i proceseve në mjedis, ribocitet u formuan dhe për shkak të përbërësve që ato ekzistonin. Në fund të fundit, nukleotidet e nevojshme për jetën e ribociteve janë molekula komplekse. Difficultshtë e vështirë të imagjinohet se këto substanca mund të formohen në kushtet e sintezës prebiotike.

Shtë e mundur që ARN -të e lashta të ishin dukshëm të ndryshme nga ato moderne. Fatkeqësisht, gjurmët e këtyre ARN -ve të lashta nuk mund të zbulohen në mënyrë eksperimentale, ne po flasim për kohë të largëta prej nesh për miliarda vjet. Edhe shkëmbinjtë e atyre kohërave "u shkërmoqën në rërë" shumë kohë më parë. Prandaj, ne mund të flasim vetëm për modelimin eksperimental të proceseve që mund të ndodhin në fazat më të hershme të evolucionit molekular.

Pse ndodhi kalimi nga "bota e ARN -së" në botën moderne? Proteinat, të cilat kanë një gamë shumë më të gjerë të grupeve kimike sesa ARN, janë katalizatorët dhe blloqet ndërtuese më të mira. Me sa duket, disa ARN të lashta filluan të përdorin molekulat e proteinave si "mjete". ARN të tilla, të cilat janë gjithashtu të afta të sintetizojnë molekula të dobishme nga mjedisi për qëllimet e tyre, morën përparësi në riprodhim. Aptamerët dhe ribozimet përkatëse u përzgjodhën natyrshëm.
Dhe pastaj evolucioni bëri punën e tij: u ngrit aparati i përkthimit dhe gradualisht përgjegjësia për katalizën kaloi te proteinat. Mjetet dolën të ishin aq të përshtatshme sa që dëbuan "zotërit" e tyre nga shumë sfera të veprimtarisë.

Lexuesi ka të drejtë të pyesë: pse është e nevojshme të hetohet evolucioni i ARN -së fare, meqë "bota e lashtë e ARN -së" është zhdukur? A është vërtet vetëm për hir të "artit të pastër", për të kënaqur interesat e studiuesve fanatikë? Sidoqoftë, pa e ditur të kaluarën, nuk mund të kuptohet e tashmja. Studimi i evolucionit dhe aftësive të ARN -së mund të sugjerojë drejtime të reja në kërkimin e proceseve që ndodhin në qelizat e gjalla moderne. Për shembull, kohët e fundit, janë zbuluar sisteme të fuqishme për rregullimin e aktivitetit të gjeneve me pjesëmarrjen e ARN-së me dy fije, me ndihmën e të cilave qeliza mbron veten nga infeksionet virale. Ky sistem i lashtë mbrojtës qelizor ka të ngjarë të gjejë aplikime terapeutike të dobishme së shpejti.

Prandaj, nuk është për t'u habitur që në kohën tonë kërkimi i acideve nukleike vazhdon të jetë një nga "pikat e nxehta" në biologjinë molekulare. Për shkak të vetive unike të ARN -së, ato përdoren gjithnjë e më shumë në mjekësi dhe teknologji. "Bota ARN" që u shfaq në kohët e lashta jo vetëm që do të vazhdojë të ekzistojë në mënyrë të padukshme
në qelizat tona, por edhe për të rilindur në formën e bioteknologjive të reja.

Redaktorët dëshirojnë të falënderojnë stafin e Institutit të Biologjisë Kimike dhe Mjekësisë Fundamentale
SB RAS Ph.D. n V.V. Kovalya, Ph.D. n S. D. Myzin dhe Ph.D. n A. A. Bondar për ndihmë në përgatitjen e artikullit

Nuk ka një përkufizim të pranuar përgjithësisht të jetës. Ne njohim vetëm një jetë - tokësore, dhe nuk e dimë se cilat nga pronat e saj janë të detyrueshme për çdo jetë në përgjithësi. Dy prona të tilla mund të supozohen. Kjo është, së pari, prania e informacionit trashëgues, dhe së dyti, zbatimi aktiv i funksioneve që synojnë vetë-mirëmbajtjen dhe riprodhimin, si dhe marrjen e energjisë së nevojshme për të kryer gjithë këtë punë.

E gjithë jeta në Tokë përballon këto detyra duke përdorur tre klasa të komponimeve organike komplekse: ADN, ARN dhe proteina. ADN -ja mori përsipër detyrën e parë - ruajtjen e informacionit trashëgues. Proteinat janë përgjegjëse për të dytën: ato kryejnë të gjitha llojet e "punës" aktive. Ndarja e tyre e punës është shumë e rreptë.

Molekulat e klasës së tretë të substancave - ARN - shërbejnë si ndërmjetës midis ADN -së dhe proteinave, duke siguruar leximin e informacionit trashëgues. Me ndihmën e ARN -së, proteinat sintetizohen në përputhje me "udhëzimet" e regjistruara në molekulën e ADN -së. Disa nga funksionet e kryera nga ARN janë shumë të ngjashme me ato të proteinave (punë aktive në leximin e kodit gjenetik dhe sintetizimin e proteinave), të tjerat ngjajnë me ato të ADN -së (ruajtja dhe transmetimi i informacionit). Dhe ARN i bën të gjitha këto jo vetëm, por me ndihmën aktive të proteinave. Në shikim të parë, ARN duket si një "e tretë e tepërt". Në parim, është e lehtë të imagjinohet një organizëm në të cilin nuk ka fare ARN, dhe të gjitha funksionet e tij ndahen midis ADN -së dhe proteinave. Vërtetë, organizma të tillë nuk ekzistojnë në natyrë.

Cila nga tre molekulat u shfaq së pari? Disa shkencëtarë thanë: natyrisht, proteinat, sepse ato bëjnë të gjithë punën në një qelizë të gjallë, jeta është e pamundur pa to. Ata kundërshtuan: proteinat nuk mund të ruajnë informacion trashëgues, dhe pa këtë, jeta është edhe më e pamundur! Pra, ADN -ja ishte e para!

Situata dukej e pazgjidhshme: ADN -ja është e padobishme pa proteina, proteina - pa ADN -në. Doli se ata duhej të shfaqeshin së bashku, në të njëjtën kohë, dhe është e vështirë të imagjinohet. ARN -ja "shtesë" pothuajse u harrua në këto mosmarrëveshje.

Më vonë, megjithatë, doli se në shumë viruse informacioni trashëgues ruhet në formën e molekulave të ARN -së, jo ADN -së. Por kjo u konsiderua një kuriozitet, një përjashtim. Revolucioni u zhvillua në vitet 80 të shekullit XX, kur u zbuluan ribozimet - molekulat e ARN -së me veti katalitike. Ribozimet janë ARN që bëjnë punë aktive, që është ajo që supozohet të bëjnë proteinat.

Si rezultat, ARN nga "pothuajse e tepërt" u bë "pothuajse kryesore". Doli se ajo, dhe vetëm ajo, mund të kryejë të dy detyrat kryesore të jetës në të njëjtën kohë - ruajtjen e informacionit dhe punën aktive. U bë e qartë se një organizëm i plotë i gjallë është i mundur, që nuk ka as proteina dhe as ADN, në të cilën të gjitha funksionet kryhen vetëm nga molekulat e ARN. Sigurisht, ADN -ja është më e mirë në ruajtjen e informacionit, ndërsa proteinat janë më të mira në "punë", por këto janë detaje. Organizmat ARN mund të marrin proteina dhe ADN më vonë, dhe në fillim të bëjnë pa to.

Kështu u shfaq teoria e botës së ARN -së, sipas së cilës gjallesat e para ishin organizma ARN pa proteina dhe ADN. Dhe prototipi i parë i organizmit të ARN -së së ardhshme mund të jetë një cikël autokatalitik i formuar nga molekulat ARN të vetë -përsëritura - ribozima, të afta për të katalizuar sintezën e kopjeve të tyre.

Personalisht, unë e konsideroj teorinë e botës së ARN -së si një nga arritjet më të spikatura të mendimit teorik në biologji. Për të thënë të vërtetën, ata mund ta kishin menduar këtë më parë. Në fund të fundit, dy lloje të ribozimeve janë të njohura që nga vitet '60 të shekullit të njëzetë, megjithëse ato atëherë nuk quheshin ribozime. Këto janë ARN ribozomale (rRNA), nga të cilat bëhen "makina" molekulare për përkthim (sinteza e proteinave) - ribozomet, dhe ARN transportuese (tRNA), të cilat sjellin aminoacidet e nevojshme në ribozomet gjatë përkthimit.

Teoria e botës së ARN -së, në fillim thjesht spekulative, shpejt "mbingarkohet" me të dhëna eksperimentale. Kimistët kanë mësuar se si të marrin ribozima me pothuajse çdo karakteristikë të dëshiruar. Kështu bëhet. Për shembull, ne duam të krijojmë një molekulë ARN që mund të njohë me saktësi dhe të lidhet me substancën X. Për ta bërë këtë, një numër i madh i fijeve të ndryshme të ARN -së sintetizohen duke lidhur ribonukleotidet me njëri -tjetrin në një mënyrë të rastësishme. Tretësira që përmban përzierjen që rezulton nga molekulat e ARN -së derdhet në sipërfaqen e mbuluar me substancën X. Pas kësaj, gjithçka që mbetet është të përzgjedhim dhe ekzaminojmë ato molekula të ARN -së që janë ngjitur në sipërfaqe. Teknologjia është e drejtpërdrejtë, por me të vërtetë funksionon. Përafërsisht në këtë mënyrë, u morën ribozima që katalizojnë sintezën e nukleotideve, bashkojnë aminoacidet në ARN dhe kryejnë shumë funksione të tjera biokimike.

Bota e ARN -së është një fazë hipotetike në shfaqjen e jetës në Tokë, kur funksioni i ruajtjes së informacionit gjenetik dhe katalizimi i reaksioneve kimike u kryen nga ansamblet e molekulave të acideve ribonukleike. Më pas, jeta moderne e ADN-ARN-proteina, e ndarë nga mjedisi i jashtëm me një membranë, lindi nga shoqatat e tyre. Ideja e botës së ARN -së u shpreh për herë të parë nga Karl Woese në 1968, më vonë u zhvillua nga Leslie Orgel dhe më në fund u formulua nga Walter Gilbert në 1986.

Përmbledhje

Në organizmat e gjallë, pothuajse të gjitha proceset ndodhin kryesisht për shkak të enzimave të një natyre proteinike. Proteinat, megjithatë, nuk mund të riprodhohen dhe sintetizohen në qelizën de novo bazuar në informacionin e ruajtur në ADN. Por dyfishimi i ADN -së gjithashtu ndodh vetëm për shkak të pjesëmarrjes së proteinave dhe ARN -së. Formohet një rreth vicioz, për shkak të të cilit, në kuadrin e teorisë së gjenerimit spontan të jetës, ishte e nevojshme të njihej roli jashtëzakonisht i rëndësishëm jo vetëm i sintezës abiogjenike të të dy klasave të molekulave, por edhe shfaqjes spontane të një sistem kompleks të ndërlidhjes së tyre.

Në fillim të viteve 1980, aftësia katalitike e ARN -së u zbulua në laboratorin e T. Check dhe S. Altman në SHBA. Për analogji me enzimat, katalizatorët e ARN -së u quajtën ribozima, për zbulimin e tyre Thomas Chek iu dha Çmimi Nobel në Kimi në 1989. Për më tepër, doli që qendra aktive e ribozomeve përmban një sasi të madhe të ARNi. ARN është gjithashtu e aftë të krijojë një fije të dyfishtë dhe të vetë-përsëritet.

Kështu, ARN mund të ekzistojë plotësisht në mënyrë autonome, duke katalizuar reagimet "metabolike", për shembull, sintezën e ribonukleotideve të reja dhe vetë-riprodhimin, duke ruajtur vetitë katalitike nga "brezi" në "brez". Grumbullimi i mutacioneve të rastësishme çoi në shfaqjen e ARN -ve që katalizojnë sintezën e proteinave të caktuara, të cilat janë katalizatorë më efektivë, dhe për këtë arsye këto mutacione u fiksuan gjatë seleksionimit natyror. Nga ana tjetër, janë shfaqur depo të specializuara të informacionit gjenetik - ADN. ARN ruhet midis tyre si një ndërmjetës.

Roli i ARN -së në botën moderne

Gjurmët e botës së ARN -së kanë mbetur në qelizat e gjalla moderne, dhe ARN -ja është e përfshirë në proceset kritike të jetës qelizore:

1) Transportuesi kryesor i energjisë në qeliza - ATP - është një ribonukleotid, jo një deoksiribonukleotid.

2) Biosinteza e proteinave kryhet pothuajse tërësisht duke përdorur lloje të ndryshme të ARN -së:

· ARN -të e dërguara janë një matricë për sintezën e proteinave në ribozomet;

· ARN -të e transportit dorëzojnë aminoacidet në ribozome dhe zbatojnë kodin gjenetik;

· ARN -ja ribozomale përbën qendrën aktive të ribozomeve, duke katalizuar formimin e lidhjeve peptide midis aminoacideve.

3) ARN është gjithashtu kritike për përsëritjen e ADN -së:

· Për të filluar procesin e dyfishimit të ADN-së, kërkohet një ARN- "farë" (abetare);

· Për dyfishimin e pafund të ADN -së, të pakufizuar nga kufiri Hayflick, në qelizat eukariote, pjesët fundore të kromozomeve (telomeret) restaurohen vazhdimisht nga enzima telomerase, e cila përfshin një model ARN.

4) Në procesin e transkriptimit të kundërt, informacioni nga ARN rishkruhet në ADN.

5) Në procesin e maturimit të ARN -së, përdoren ARN të ndryshme që nuk kodojnë proteina, përfshirë ARN të vogla bërthamore, ARN të vogla nukleolare.

Në të njëjtën kohë, shumë viruse ruajnë materialin e tyre gjenetik në formën e ARN-së dhe furnizojnë ARN polimerazën e varur nga ARN në qelizën e infektuar për replikimin e saj.

Sinteza e ARN -së abiogjene

Sinteza abiogjenike e ARN -së nga komponimet më të thjeshta nuk është demonstruar plotësisht në mënyrë eksperimentale. Në 1975, Manfred Samper dhe Rudiger Lews në laboratorin e Eigen demonstruan se në një përzierje që nuk përmban fare ARN, por që përmban vetëm nukleotide dhe replikazë Qβ, ARN e vetë-përsëritshme mund të lindë spontanisht në kushte të caktuara.

Në vitin 2009, një grup shkencëtarësh nga Universiteti i Mançesterit i udhëhequr nga John Sutherland ishte në gjendje të demonstronte mundësinë e sintetizimit të uridinës dhe citidinës me efikasitet të lartë dhe shkallën e fiksimit të rezultatit të reagimit (si dhe mundësinë e akumulimit të produkteve përfundimtare ) në kushtet e Tokës së hershme. Në të njëjtën kohë, megjithëse sinteza abiogjenike e bazave purine është demonstruar për një kohë të gjatë (në veçanti, adenina është një pentamer i acidit hidrokianik), glikozilimi i tyre me anë të ribozës së lirë të adenozinës dhe guanozinës është treguar deri më tani vetëm në një efekt joefektiv. version.

Evolucioni i ARN -së

Aftësia e molekulave të ARN -së për të evoluar është demonstruar qartë në një numër eksperimentesh. Edhe para zbulimit të aktivitetit katalitik të ARN -së, eksperimente të tilla u kryen nga Leslie Orgel dhe kolegët e tij në Kaliforni. Οʜᴎ u shtua në epruvetë me helm ARN - bromid etidium, i cili pengon sintezën e ARN. Në fillim, shkalla e sintezës u ngadalësua nga helmi, por pas rreth nëntë "brezave të provës" të evolucionit, një racë e re e ARN -së rezistente ndaj helmit u edukua nga seleksionimi natyror. Duke dyfishuar në mënyrë të njëpasnjëshme dozat e helmit, u krijua një racë e ARN -së që ishte rezistente ndaj përqendrimeve shumë të larta të tij. Në total, 100 gjenerata të tubave të provës u zëvendësuan në eksperiment (dhe shumë më tepër breza të ARN-së, pasi gjeneratat u zëvendësuan brenda secilës provëz). Megjithëse në këtë eksperiment replikaza e ARN-së iu shtua zgjidhjes nga vetë eksperimentuesit, Orgel zbuloi se ARN-të janë gjithashtu të afta për vetë-kopjim spontan, pa shtimin e një enzime, edhe pse shumë më të ngadaltë.

Një eksperiment shtesë u krye më vonë në laboratorin e shkollës gjermane të Manfred Eugen. Ai zbuloi gjenerimin spontan spontan të një molekule të ARN -së në një epruvetë me një substrat dhe një replikazë ARN. Ajo u krijua nga evolucioni gradualisht në rritje.

Pas zbulimit të aktivitetit katalitik të ARN -së (ribozimet), evolucioni i tyre në një pajisje të automatizuar të kontrolluar nga një kompjuter u vu re në eksperimentet e Brian Pegel dhe Gerald Joyce nga Instituti Kërkimor Scripps në Kaliforni në 2008. Faktori që luan rolin e presionit të përzgjedhjes ishte nënshtresa e kufizuar, e cila përfshinte oligonukleotide, të cilat ribozima i njihte dhe i bashkangjitej vetes, dhe nukleotide për sintezën e ARN -së dhe ADN -së. Gjatë ndërtimit të kopjeve, ndonjëherë ndodhnin defekte - mutacione - që ndikonin në aktivitetin e tyre katalitik (për të përshpejtuar procesin, përzierja u mutua disa herë duke përdorur një reaksion zinxhir polimerazë duke përdorur polimerazat "të pasakta"). Mbi këtë bazë, u bë përzgjedhja e molekulave: molekulat më të shpejta të kopjimit shpejt filluan të dominojnë në mjedis. Pastaj 90% e përzierjes u hoq, dhe në vend të kësaj u shtua një përzierje e freskët me substrat dhe enzima, dhe cikli u përsërit përsëri. Për 3 ditë, aktiviteti katalitik i molekulave për shkak të gjithsej 11 mutacioneve u rrit 90 herë.

Këto eksperimente vërtetojnë se molekulat e para të ARN -së nuk kishin nevojë të kishin veti mjaft të mira katalitike. Οʜᴎ u zhvillua më vonë gjatë evolucionit nën ndikimin e seleksionimit natyror.

Në vitin 2009, biokimistët kanadezë nga Universiteti i Montrealit K. Bokov dhe S. Steinberg, pasi kishin studiuar përbërësin kryesor të ribozomit të bakterit Escherichia coli, molekula 23S-rRNA, treguan sesi mekanizmi i sintezës së proteinave mund të zhvillohej nga relativisht i vogël dhe ribozima të thjeshta. Molekula u nda në 60 blloqe strukturore relativisht të pavarura, kryesore e të cilave është qendra katalitike (qendra peptidil-transferazë, PTC, qendra peptidil-transferazë), e cila është përgjegjëse për transpeptidimin (formimin e një lidhje peptide). Shtë treguar se të gjitha këto blloqe mund të shkëputen në mënyrë sekuenciale nga molekula pa e shkatërruar pjesën e saj të mbetur derisa të mbetet vetëm një qendër transpeptidimi.
Postuar në ref.rf
Në të njëjtën kohë, ajo ruan aftësinë për të katalizuar transpeptidimin. Nëse secila lidhje midis blloqeve të një molekule përfaqësohet në formën e një shigjete të drejtuar nga blloku që nuk shembet pas ndarjes në bllokun që shembet, atëherë shigjeta të tilla nuk formojnë një unazë të vetme të mbyllur. Nëse drejtimi i lidhjeve do të ishte i rastësishëm, probabiliteti i kësaj do të ishte më pak se një miliard. Rrjedhimisht, kjo natyrë e lidhjeve pasqyron sekuencën e shtimit gradual të blloqeve gjatë evolucionit të molekulës, të cilat studiuesit ishin në gjendje të rindërtonin në detaje. Kështu, në origjinën e jetës mund të jetë një ribozim relativisht i thjeshtë - qendra PTC e molekulës 23S -rRNA, së cilës më pas u shtuan blloqe të reja, duke përmirësuar procesin e sintezës së proteinave. Vetë PTC përbëhet nga dy lobe simetrike, secila prej të cilave mban bishtin CCA të një molekule tRNA. Supozohet se kjo strukturë lindi si rezultat i dyfishimit (dyfishimit) të një lobe origjinale. Me metodën e evolucionit artificial, funksionale ARN -të (ribozimet) u morën që mund të katalizojnë transpeptidimin Struktura e këtyre ribozimeve të nxjerra artificialisht është shumë afër strukturës së protoribozomit, të cilën autorët e "llogaritën".

Vetitë e objekteve botërore të ARN -së

Ekzistojnë supozime të ndryshme në lidhje me atë se si dukeshin sistemet ARN të vetë-përsëritura. Më shpesh, supozohet se është jashtëzakonisht e rëndësishme për membranat grumbulluese të ARN -së ose vendosjen e ARN -së në sipërfaqen e mineraleve dhe në hapësirën pore të shkëmbinjve të lirshëm. Në vitet 1990, A. B. Chetverin dhe bashkëpunëtorët e tij demonstruan aftësinë e ARN-së për të formuar koloni molekulare në xhel dhe substrate të ngurta kur krijoi kushte për përsëritje. Kishte një shkëmbim falas të molekulave, të cilat mund të shkëmbejnë rajone pas përplasjes, gjë që u tregua në mënyrë eksperimentale. I gjithë grupi i kolonive evoloi me shpejtësi në këtë drejtim.

Pas fillimit të sintezës së proteinave, kolonitë e afta për të krijuar enzima u zhvilluan më me sukses. Kolonitë u bënë edhe më të suksesshme, pasi kishin formuar një mekanizëm më të besueshëm për ruajtjen e informacionit në ADN dhe, më në fund, të ndarë nga bota e jashtme me një membranë lipidesh që parandalon shpërndarjen e molekulave të tyre.

Bota para ARN-së

Biokimisti R. Shapiro kritikon hipotezën e botës së ARN -së, duke besuar se probabiliteti i shfaqjes spontane të ARN -së me veti katalitike është shumë i ulët. Në vend të hipotezës "në fillim kishte ARN", ai propozon hipotezën "në fillim kishte metabolizëm", domethënë shfaqjen e komplekseve të reaksioneve kimike - analoge të cikleve metabolike - me pjesëmarrjen e komponimeve të ulëta molekulare që rrjedhin brenda ndarjeve - të kufizuara në hapësirë ​​nga membranat e formuara spontanisht ose kufijtë e tjerë të fazës - rajone. Ky koncept është afër hipotezës së abiogjenezës të propozuar nga A.I. Oparin në 1924.

Një hipotezë tjetër e sintezës abiogjenike të ARN -së, e krijuar për të zgjidhur problemin e probabilitetit të ulët të vlerësuar të sintezës së ARN -së, është hipoteza e botës së hidrokarbureve polyaromatike, e propozuar në 2004 dhe që sugjeron sintezën e molekulave të ARN -së bazuar në një pirg unazash polyaromatike.

Në fakt, të dyja hipotezat e "botëve para-ARN" nuk hedhin poshtë hipotezën e botës së ARN-së, por e modifikojnë atë, duke postuluar sintezën fillestare të replikimit të makromolekulave të ARN-së në ndarjet parësore metabolike, ose në sipërfaqen e bashkëpunëtorëve, duke shtyrë "Bota ARN" në fazën e dytë të abiogjenezës.

Akademiku i RAS A.S.Spirin beson se bota e ARN -së nuk mund të shfaqet dhe të ekzistojë në Tokë, dhe konsideron mundësinë e origjinës dhe evolucionit jashtëtokësor (kryesisht në kometat) të botës së ARN -së.

S. GRIGOROVICH, kandidat i shkencave biologjike.

Në agimin më të hershëm të historisë së tij, kur njeriu fitoi arsyen, dhe me të aftësinë për të menduar në mënyrë abstrakte, ai u bë i burgosur i një nevoje të parezistueshme për të shpjeguar gjithçka. Pse shkëlqen dielli dhe hëna? Pse rrjedhin lumenj? Si funksionon bota? Sigurisht, një nga më të rëndësishmet ishte çështja e thelbit të të gjallëve. Dallimi i mprehtë midis të gjallëve, në rritje, nga të vdekurit, të palëvizshëm, ishte shumë i dukshëm për t'u injoruar.

Virusi i parë, i përshkruar nga D. Ivanovsky në 1892, është virusi i mozaikut të duhanit. Falë këtij zbulimi, u bë e qartë se ka krijesa të gjalla më primitive se qeliza.

Mikrobiologu rus D.I. Ivanovsky (1864-1920), themeluesi i virologjisë.

Në 1924, A.I. Oparin (1894-1980) sugjeroi që në atmosferën e Tokës së re, e cila përbëhej nga hidrogjeni, metani, amoniaku, dioksidi i karbonit dhe avulli i ujit, aminoacidet mund të sintetizohen, të cilat më pas kombinohen spontanisht në proteina.

Biologu amerikan Oswald Avery ka demonstruar bindshëm në eksperimentet me bakteret se janë acidet nukleike që janë përgjegjës për transmetimin e pronave trashëgimore.

Struktura krahasuese e ARN dhe ADN.

Struktura dy-dimensionale hapësinore e një ribozimi të organizmit më të thjeshtë Tetrahymena.

Paraqitja skematike e ribozomit - makina molekulare për sintezën e proteinave.

Diagrami i procesit të evolucionit in vitro (metoda selex).

Louis Pasteur (1822-1895) ishte i pari që zbuloi se kristalet e së njëjtës substancë - acidi tartarik - mund të kenë dy konfigurime hapësinore pasqyrë -simetrike.

Në fillim të viteve 1950, Stanley Miller nga Universiteti i Çikagos (SHBA) kreu eksperimentin e parë që simuloi reaksionet kimike që mund të ndodhnin në një Tokë të re.

Molekulat kirale, të tilla si aminoacidet, janë pasqyrë-simetrike, si dora e majtë dhe e djathtë. Vetë termi "chirality" vjen nga fjala greke "chiros" - dorë.

Teoria e botës së ARN -së.

Shkenca dhe Jeta // Ilustrime

Në çdo fazë të historisë, njerëzit ofruan zgjidhjen e tyre për enigmën e shfaqjes së jetës në planetin tonë. Të lashtët, të cilët nuk e njihnin fjalën "shkencë", gjetën një shpjegim të thjeshtë dhe të arritshëm për të panjohurën: "Çdo gjë që është përreth dikur ishte krijuar nga dikush". Kështu u shfaqën perënditë.

Që nga lindja e qytetërimeve të lashta në Egjipt, Kinë, pastaj në djepin e shkencës moderne - Greqi, deri në Mesjetë, vëzhgimet dhe opinionet e "autoriteteve" shërbyen si metoda kryesore e të kuptuarit të botës. Vëzhgimet e vazhdueshme dëshmuan pa mëdyshje se të gjallët, në kushte të caktuara, dalin nga të pajetë: mushkonjat dhe krokodilët nga balta e kënetës, mizat nga ushqimi i kalbur dhe minjtë nga liri të ndotur të spërkatur me grurë. Onlyshtë e rëndësishme vetëm të vëzhgoni një temperaturë dhe lagështi të caktuar.

"Shkencëtarët" evropianë të Mesjetës, duke u mbështetur në dogmën fetare për krijimin e botës dhe pakuptueshmërinë e synimeve hyjnore, e konsideruan të mundur të argumentonin për origjinën e jetës vetëm brenda kornizës së Biblës dhe shkrimeve fetare. Thelbi i asaj që Zoti ka krijuar është i pamundur të kuptohet, por ju mund të "sqaroni" vetëm duke përdorur informacione nga tekstet e shenjta ose duke qenë nën ndikimin e frymëzimit hyjnor. Në atë kohë konsiderohej formë e keqe për të testuar hipotezat, dhe çdo përpjekje për të vënë në dyshim opinionin e kishës së shenjtë shihej si një çështje jo e këndshme, herezi dhe sakrilegj.

Njohja e jetës po shënonte kohën. Arritjet e filozofëve të Greqisë së Lashtë mbetën kulmi i mendimit shkencor për dy mijë vjet. Më domethënësit prej tyre ishin Platoni (428/427 - 347 para Krishtit) dhe studenti i tij Aristoteli (384 - 322 pes). Platoni, ndër të tjera, propozoi idenë e animimit të materies së pajetë fillimisht për shkak të futjes së një shpirti të pavdekshëm jomaterial - "psikikës" në të. Kështu u shfaq teoria e gjenerimit spontan të të gjallëve nga jo të gjallët.

Fjala e madhe "eksperiment" për shkencën erdhi me Rilindjen. U deshën dy mijë vjet që një person të guxonte të dyshonte në pandryshueshmërinë e deklaratave autoritative të shkencëtarëve të lashtë. Një nga guximtarët e parë të njohur për ne ishte mjeku italian Francisco Redi (1626-1698). Ai kreu një eksperiment jashtëzakonisht të thjeshtë por efektiv: vendosi një copë mishi në disa enë, i mbuloi disa prej tyre me një leckë të trashë, të tjerat me garzë dhe i la të tjerët të hapur. Fakti që larvat e mizave u zhvilluan vetëm në anije të hapura (në të cilat mizat mund të uleshin), por jo në ato të mbyllura (në të cilat kishte akoma qasje në ajër), kundërshtoi ashpër bindjet e mbështetësve të Platonit dhe Aristotelit për forcën e pakuptueshme të jetës duke lundruar në ajër dhe duke e shndërruar materien e pajetë në të gjallë.

Ky dhe eksperimente të ngjashme shënuan fillimin e një periudhe betejash të ashpra midis dy grupeve të shkencëtarëve: vitalistëve dhe mekanistëve. Thelbi i mosmarrëveshjes ishte pyetja: "A mund të shpjegohet funksionimi (dhe pamja) e gjallesave me ligje fizike që janë gjithashtu të zbatueshme për materien e pajetë?" Vitalistët u përgjigjën negativisht. "Qeliza - vetëm nga qeliza, të gjitha gjallesat - vetëm nga të gjallët!" Ky pozicion, i paraqitur në mesin e shekullit XIX, u bë flamuri i vitalizmit. Më paradoksale në këtë mosmarrëveshje është se edhe sot, duke ditur për natyrën "e pajetë" të atomeve dhe molekulave që përbëjnë trupin tonë dhe në përgjithësi dakord me pikëpamjen mekanike, shkencëtarët nuk kanë konfirmim eksperimental të mundësisë së origjinës të jetës qelizore nga materia e pajetë. Askush ende nuk ka arritur të "kompozojë" as qelizën më primitive nga "detajet" "inorganike" që janë të pranishme jashtë organizmave të gjallë. Kjo do të thotë se pika përfundimtare në këtë mosmarrëveshje epokale ende nuk është vënë.

Pra, si mund të ketë lindur jeta në Tokë? Duke ndarë pozicionet e mekanikëve, është më e lehtë, natyrisht, të imagjinohet se jeta së pari duhet të kishte lindur në një formë shumë të thjeshtë, primitive. Por, pavarësisht nga thjeshtësia e strukturës, ajo ende duhet të jetë Jeta, domethënë diçka që ka një grup minimal të pronave që dallojnë të jetuarit nga jo të gjallët.

Cilat janë ato, këto veti kritike për jetën? Çfarë, në fakt, e dallon të jetuarit nga jo i gjalli?

Deri në fund të shekullit XIX, shkencëtarët ishin të bindur se të gjitha gjallesat janë ndërtuar nga qeliza, dhe ky është ndryshimi më i dukshëm midis tij dhe materies së pajetë. Kjo u konsiderua para zbulimit të viruseve, të cilët, edhe pse më të vegjël se të gjitha qelizat e njohura, mund të infektojnë në mënyrë aktive organizmat e tjerë, të shumohen në to dhe të prodhojnë pasardhës me të njëjtat veti biologjike (ose shumë të ngjashme). I pari nga viruset e zbuluar, virusi i mozaikut të duhanit, u përshkrua nga shkencëtari rus Dmitry Ivanovsky (1864-1920) në 1892. Që atëherë, është bërë e qartë se krijesat më primitive se qelizat gjithashtu mund të pretendojnë të drejtën për t'u quajtur Jetë.

Zbulimi i viruseve, dhe pastaj edhe format më primitive të gjallesave - viroidet, bënë të mundur që në fund të formulohet grupi minimal i pronave që janë të nevojshme dhe të mjaftueshme që objekti në studim të quhet i gjallë. Së pari, ai duhet të jetë i aftë të riprodhojë llojin e tij. Sidoqoftë, ky nuk është kushti i vetëm. Nëse substanca fillestare hipotetike e jetës (për shembull, një qelizë ose molekulë primitive) do të ishte në gjendje të prodhonte thjesht kopjet e saj të sakta, ajo përfundimisht nuk do të ishte në gjendje të mbijetonte në ndryshimin e kushteve mjedisore në Tokën e re dhe formimin e një tjetre, format më komplekse (evolucioni) do të bëheshin të pamundura. Rrjedhimisht, "substanca jonë primitive e jetës primitive" mund të përkufizohet si diçka që është rregulluar sa më thjeshtë, por në të njëjtën kohë është e aftë të ndryshojë dhe transferojë pronat e saj tek pasardhësit.

Në organizmat e gjallë, pothuajse të gjitha proceset ndodhin kryesisht për shkak të enzimave të një natyre proteinike. Proteinat, megjithatë, nuk mund të riprodhohen dhe sintetizohen në qelizën de novo bazuar në informacionin e ruajtur në ADN. Por dyfishimi i ADN -së gjithashtu ndodh vetëm për shkak të pjesëmarrjes së proteinave dhe ARN -së. Formohet një rreth vicioz, për shkak të të cilit, në kuadrin e teorisë së gjenerimit spontan të jetës, ishte e nevojshme të njihej nevoja jo vetëm për sintezën abiogjenike të të dy klasave të molekulave, por edhe për shfaqjen spontane të një kompleksi sistemi i ndërlidhjes së tyre, probabiliteti i të cilit është jashtëzakonisht i vogël.

Në fillim të viteve 1980, aftësia katalitike e ARN -së u zbulua në laboratorin e T. Check dhe S. Altman në Shtetet e Bashkuara. Për analogji me enzimat, katalizatorët e ARN u quajtën ribozima; për zbulimin e tyre, Thomas Chek iu dha Çmimi Nobel në Kimi në 1989. Për më tepër, doli që qendra aktive e ribozomeve përmban një sasi të madhe të ARNi. ARN është gjithashtu e aftë të krijojë një fije të dyfishtë dhe të vetë-përsëritet.

Kështu, ARN mund të ekzistojë plotësisht në mënyrë autonome, duke katalizuar reagimet "metabolike", për shembull, sintezën e ribonukleotideve të reja dhe riprodhimin e vetvetes, duke ruajtur vetitë katalitike nga "brezi" në "brez". Grumbullimi i mutacioneve të rastësishme çoi në shfaqjen e ARN -ve që katalizojnë sintezën e proteinave të caktuara, të cilat janë katalizatorë më efektivë, dhe për këtë arsye këto mutacione u fiksuan gjatë seleksionimit natyror. Nga ana tjetër, janë shfaqur depo të specializuara të informacionit gjenetik - ADN. ARN u ruajt midis tyre si një ndërmjetës.

Ekzistojnë supozime të ndryshme në lidhje me atë se si dukeshin sistemet ARN të vetë-përsëritura. Më shpesh, pretendohet se ekziston nevoja për membranat grumbulluese të ARN -së ose vendosjen e ARN -së në sipërfaqen e mineraleve dhe në hapësirën e poreve të shkëmbinjve të pakonsoliduar. Në vitet 1990, A. B. Chetverin dhe bashkëpunëtorët e tij demonstruan aftësinë e ARN-së për të formuar koloni molekulare në xhel dhe substrate të ngurta kur krijoi kushte për përsëritje. Kishte një shkëmbim falas të molekulave, të cilat mund të shkëmbejnë rajone pas përplasjes, gjë që u tregua në mënyrë eksperimentale. I gjithë grupi i kolonive evoloi me shpejtësi në këtë drejtim.

Pas fillimit të sintezës së proteinave, kolonitë e afta për të krijuar enzima u zhvilluan më me sukses. Kolonitë u bënë edhe më të suksesshme, pasi kishin formuar një mekanizëm më të besueshëm për ruajtjen e informacionit në ADN dhe, më në fund, të ndarë nga bota e jashtme me një membranë lipidesh që parandalon shpërndarjen e molekulave të tyre.

Biokimisti R. Shapiro kritikon hipotezën e botës së ARN -së, duke besuar se probabiliteti i shfaqjes spontane të ARN -së me veti katalitike është shumë i ulët. Në vend të hipotezës "në fillim kishte ARN", ai propozon hipotezën "në fillim kishte metabolizëm", domethënë shfaqjen e komplekseve të reaksioneve kimike - analoge të cikleve metabolike - me pjesëmarrjen e komponimeve me peshë të ulët molekulare që rrjedhin brenda ndarjeve - të kufizuara në hapësirë ​​nga membranat e formuara spontanisht ose kufijtë e tjerë të fazës - rajone. Ky koncept është afër hipotezës së abiogjenezës të propozuar nga A.I. Oparin në 1924.

Një hipotezë tjetër e sintezës abiogjenike të ARN -së, e krijuar për të zgjidhur problemin e një probabiliteti të ulët të vlerësuar të sintezës së ARN -së, është hipoteza e botës së hidrokarbureve polyaromatike, e propozuar në 2004 dhe që sugjeron sintezën e molekulave të ARN -së bazuar në një pirg unazash polyaromatike.

Në fakt, të dy hipotezat e "botëve para ARN" nuk hedhin poshtë hipotezën e botës së ARN, por e modifikojnë atë, duke postuluar sintezën fillestare të replikimit të makromolekulave të ARN në ndarjet kryesore metabolike, ose në sipërfaqen e bashkëpunëtorëve, duke shtyrë "ARN botë ”në fazën e dytë të abiogjenezës.