|
Chcesz wiedzieć więcej? Zamów dobrą książkę. Propozycje Racjonalisty: | | |
|
|
|
|
Nauka » Biologia » Powstanie życia
Jak powstał pierwszy system biochemiczny? [1] Autor tekstu: Marcin Klapczyński
Podążając
za porównaniem Leslie E. Orgela nauka o początkach życia przypomina bardzo
skomplikowaną i dobrze zaplątaną historię kryminalną. Jest w niej wielu
podejrzanych, każdy ma jakieś alibi, jednak każdy również coś kręci,
czujny nos naukowca-detektywa węszy wciąż jakąś intrygę. Na dodatek nikt
nie chce zostać sędzią, ława przysięgłych niczego nie rozumie, a każdy z powołanych rzeczoznawców mówi coś innego. Materiał dowodowy jest delikatnie
mówiąc szczątkowy, proces zdecydowanie jest poszlakowy. Jednak mimo wszystko
postaram się przedstawić głównych podejrzanych i wpakować chociaż niektórych
do aresztu tymczasowego.
Należałby się tutaj krótki wstęp, aby rozjaśnić zagadnienie
pierwszych systemów biochemicznych, które byłyby następnym poważnym krokiem w procesie powstawania życia, zaraz po powstaniu podstawowych cząsteczek życia
opisywanych przeze mnie w poprzednim artykule (str. 3065).
Zachęcam, aby nie rezygnować z powodu czasami skomplikowanie wyglądających ilustracji oraz złożonych opisów,
gdyż przy uważnym przeczytaniu nie powinny stanowić problemu.
Zacznijmy od podstawowego przepływu informacji. Jak każdy wie,
podstawowym jej nośnikiem w organizmach żywych jest dzisiaj DNA
enkryptujący ją za pomocą czterech „liter" A,C,G,T -
nukleotydów w których skład wchodzą między innymi zasady azotowe (patrz
poprzedni artykuł) od których nazw skrótami są te litery. Co oznacza właściwie
'kod genetyczny'? Otóż litery zawarte w DNA ułożone są w odpowiedniej
kolejności, czyli mają zakodowany pewien sens,
instrukcję. Instrukcja ta służy do budowania białek — cząsteczek złożonych z łańcuchów aminokwasów
(patrz poprzedni artykuł) zwiniętych w „kłębki", które tworzą nasze mięśnie,
paznokcie, skórę, przenoszą tlen, czy też bronią nasz organizm przed
patogenami. Jednym słowem — to cegiełki budujące najważniejsze części
naszego organizmu. Jednak informacja ta nie
jest przekazywana bezpośrednio z DNA na łańcuch białkowy — ma pewnego pośrednika — tak zwany informacyjny mRNA (z
ang. messenger RNA).
Rysunek
1. (por. przyp. 1.)
Procesy zachodzące w komórce bakteryjnej.
Rysunek
2. (por. przyp. 1.)
Procesy zachodzące w komórkach organizmów wyższych.
Przyjrzyjmy
się temu nieco bliżej [ 1 ]. Zarówno u Prokaryota
(prymitywnych organizmów pozbawionych jądra, np. bakterii) jak i Eukaryota
(czyli komórek roślinnych czy zwierzęcych) proces przebiega podobnie. [Patrz
rysunki.] Informacja z DNA przepisywana
(tzw. transkrypcja) jest na mRNA
poprzez enzym zwany polimerazą
RNA. Przepisywanie polega na dobieraniu odpowiednich liter (w alfabecie RNA nie
ma T, zastąpiona jest natomiast poprzez U) przez co informacja jest wierna.
Następnie kod genetyczny mRNA jest tłumaczony
(tzw. translacja) na łańcuch białkowy.
U Prokaryota oba procesy
zachodzą w cytoplazmie i symultanicznie. U Eukaryota
są one rozdzielone przestrzennie i czasowo; mRNA ulega często dodatkowej obróbce
przed tłumaczeniem. Translacja w obu przypadkach przebiega w rybosomach — „fabryczkach" produkujących białka.
Poszczególne aminokwasy aktywowane i doprowadzane są przez małe cząsteczki transportującego — tRNA.
Kiedy
czytelnik połapie się w tym wszystkim, może nasunie mu się pewna myśl -
skoro mówimy tu o powstaniu życia.....zaraz, zaraz to co z tego było pierwsze?! Białko
nie może powstać bez informacji z DNA, zaś DNA nie może powielać się, ani przekazywać informacji bez białka
(polimerazy)! I tu dochodzimy do słynnego problemu kury i jajka w biochemii. Co
było pierwsze?
Rysunek 3. Rybozym. Tak niewielka cząsteczka może już być aktywna
katalitycznie.
|
Najbardziej popularną obecnie, jest teoria świata RNA jako pierwszego systemu biochemicznego. Okazuje się, że niektóre cząsteczki RNA potrafią replikować się w prymitywny sposób, na zasadzie komplementarności nici, zawierając jednocześnie zakodowaną informację, np. ligazy [ 2 ][_2_]. Jeszcze bardziej ciekawym przykładem jest enzym pochodzenia wirusowego tzw. Q-beta replikaza — zdolny do replikowania RNA, działający na instrukcji zawartej na matrycy. [ 12 ] Ma on niesamowite zdolności katalityczne niegdyś przypisywane tylko białkom. Potrafi np. samodzielnie produkować RNA w zamkniętych pęcherzykach mając do dyspozycji tylko nukleotydy oraz RNA „na wzór". [ 13 ] Cząsteczki te zwane są
rybozymami. Jedną z głównych przesłanek jest skład mieszaniny prebiotycznej
(patrz poprzedni artykuł) — rybozy i zasad azotowych. Poza tym łączenie się
nukleotydów w losowe łańcuchy na minerałach jest bardzo dobrze
udokumentowane. Samoreplikujące RNA posiadałoby bardzo ważną cechę — brak perfekcyjnej dokładności w kopiowaniu siebie. W przypadku
polimerazy w naszych komórkach istnieje skomplikowany i wysublimowany system
sprawdzania i korekty źle wstawionych literek. Brak systemu edytującego w przypadku pierwszych RNA byłby źródłem
wybuchu ich różnorodności i przypadkowego nabycia przez nie nowych cech. Czyli obrazowo przedstawiając: na
warstwie mineralnej powstaje łańcuszek ...ACAGAUUAAAC… i pływa sobie w pierwotnym roztworze bezczynnie, ale zaś przypadkowo złożony
...GGGAGGUUCCUCCC… wygina się i przyjmuje taką pozycję, która umożliwia
mu samoprzecięcie się, czyli zyskuje
zdolność katalityczną. Pierwsze kopiowanie zachodziło zapewne na
spontanicznym „doklejaniu" się swobodnie pływających „literek". Te kopie
tworzą dalsze kopie, te zaś dalsze, itd.
Tutaj chciałbym wspomnieć o spektakularnym doświadczeniu. Naukowcy z Kalifornii przeprowadzili eksperyment ewolucji
in vitro z udziałem około 500
trylionow losowo wygenerowanych cząsteczek RNA [1]. Poddano je pewnej
selekcji: wiązania do pewnej substancji oraz aktywności. Rybozymy umieszczono w warunkach korzystnych do swobodnej, tudzież błędnej replikacji. Wynik był
niesamowity — produktem końcowym puli rybozymów była struktura bliźniaczo
podobna do tRNA — elementu, który rozpoznaje i „nosi" aminokwasy do
rybosomu umożliwiając budowę łańcucha białkowego.
W swoim poprzednim artykule wspominałem o abiotycznej drodze powstawania nukleotydów, która nie wydaje się zbyt wydajna na potrzeby rozwijającego się życia. Otóż sytuacja wygląda zupełnie inaczej już w
obecności RNA — grupa naukowców z Cambridge
udowodniła, że może ono wspomagać i przeprowadzać reakcję tworzenia
nukleotydów [2]. Pierwotna synteza tych cegiełek była prawdopodobnie
mało wydajna, jednak w momencie powstania odpowiednio aktywnych cząsteczek RNA
została znakomicie udoskonalona. Udowodniono również katalizę powstawania
odcinków RNA, czyli dodatkowe wspomaganie dla prostego mechanizmu tworzenia łańcuchów
na minerałach wspomnianego wyżej [2].
Istnieje jeszcze bardzo ważna przesłanka — przyjrzyjmy się jeszcze
raz tym małym fabryczkom produkującym białka — okazuje się, że zbudowane
są nie tylko z białek, lecz również RNA o bardzo konserwatywnej
sekwencji (są prawie identyczne w całym świecie ożywionym). Okazuje się,
że te RNA bynajmniej nie stanowią rusztowania, ale są
enzymatycznie aktywne, co oznacza, że biorą
czynny udział w łączeniu aminokwasów w łańcuch białkowy. Wzbudza to w nas optymistyczne podejrzenie, iż w dalekiej przeszłości samo
RNA, samodzielnie bez „łupiny" białkowej, zaczęło nieśmiale tłumaczyć
instrukcję na pierwsze białka [3]. Te ostatnie jako bardziej elastyczne i znacznie bardziej aktywne najprawdopodobniej
zaczęły przejmować funkcje enzymatyczne pozostawiając RNA przede wszystkim
magazynowanie informacji. Wkrótce pojawił się inny bohater — DNA,
który już tylko przez swoją dwuniciowość jest znacznie
bardziej wiarygodnym magazynierem — obie nici muszą do siebie „pasować" — A pasuje tylko z T i odwrotnie, G pasuje tylko do C i odwrotnie (nazywane to
jest komplementarnością par zasad). To dlatego (stabilność) w nowoczesnym świecie
biochemicznym RNA został zdegradowany głównie do chłopca na posyłki między
DNA a białkami. Przy wybuchu różnorodności aktywnych białek, powstał również
wyrafinowany system sprawdzania wstawionych liter, który służy nam w każdej
naszej komórce.
Pozwolę sobie tutaj na małą dygresję. Chciałbym odpowiedzieć na jeden z poważniejszych zarzutów ze strony bojówkarzy
Intelligent Design o nieredukowalności
systemów biochemicznych. Chociażby powyższy przykład rybosomów daje
jasno do zrozumienia, iż "niepełna"
maszyneria komórkowa dalej będzie pełnić swoją funkcję. Transkrypcję można zasymulować in
vitro bez obecności wszystkich czynników, które występują w komórce, z nadal korzystnym skutkiem. W wielu przypadkach usunięcie
wydawałoby się niezbędnych elementów ze szlaków metabolicznych ukazuje, że
istnieje droga „na skróty" — system prostszy, może i będący reliktem.
Wszystko wskazuje na to, iż systemy
biochemiczne również podlegały i podlegają procesom ewolucji.
Powracając do tematu — krótkie odcinki RNA są niezbędne
do powielania się DNA (np. podczas
podziału komórki, kiedy materiał genetyczny musi być zdublowany), może to również
świadczyć na korzyść RNA, które poprzedzało DNA.
To główne zarzuty kierowane w kierunku RNA, popatrzmy teraz na białka,
mimo iż raczej nie są akceptowane jako pionierzy pierwszego systemu
biochemicznego. Główna przesłanka, to powstanie większości z aminokwasów w zupie Millera (patrz poprzedni artykuł) — 13 z dwudziestu oraz innych substancji, które mogą prowadzić do powstania
reszty. Mimo, iż pewien rodzaj minerału może katalizować powstawanie krótkich odcinków
białkowych, jednak dobranie w ten sposób przypadkowo sekwencji, która utworzyłaby
chociażby niewielkie, funkcjonalne białko zajęłoby kosmiczną liczbę
kombinacji. Poza tym takowe, nawet funkcjonalne białko, nie miałoby możliwości przekazania informacji, utworzenia
kolejnego, „lepszego" lub podobnego pokolenia. Dlaczego zajmujemy się więc
białkami? Pamiętajmy, że poruszamy się trochę po omacku, gdyż pierwszy
system biochemiczny mógł nie pozostawić żadnych śladów w systemach
dzisiejszych. Istnieje teoria, że świat
genetyczny (czyli ten który niesie informacje z pokolenia na pokolenie) poprzedzony był światem metabolicznym
[4] (czyli
„przerabiającym" cząsteczki) w którego skład mogły wchodzić białka.
Daje to kilka innych możliwości, gdyż aparatura
takiego systemu metabolicznego mogła ułatwić powstanie RNA. Jednak wydaje
się, że użyteczne białka powstały raczej na matrycy samoreplikujących się
RNA.
1 2 Dalej..
Przypisy: [ 1 ] Opisywane procesy są bardzo
dużym, lecz zamierzonym uproszczeniem. Aby uczynić zagadnienie bardziej
przejrzystym oraz skupić się na temacie artykułu ograniczyłem się do
opisania niezbędnych podstaw omijając celowo takie procesy jak promocja genów,
czynniki inicjujące oraz przeprowadzające transkrypcję, splicing, białka
chaperonowe podczas fałdowania, potranslacyjną obróbkę białek etc. Chętnie
służę informacją na temat tych zagadnień. [ 2 ] Natasha Paul and Gerald f. Joyce, „A self-replicating ligase ribozyme", PNAS, Oct 1,2002, vol.99, no. 20. [ 12 ] Spiegelman S et al., "Studies in the replication of viral RNA", J Cell Physiol. 1967 Oct;70(2):Suppl:35-64. [ 13 ] Oberholzer T., Wick R., Luisi P. L. and Biebricher C. K., Enzymatic RNA Replication in Self-Reproducing Vesicles: An Approach to a Minimal Cell, Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 207, Issue 1, 6 February 1995, Pages 250-257. « Powstanie życia (Publikacja: 19-12-2003 Ostatnia zmiana: 13-04-2004)
Marcin KlapczyńskiUkończył biologię molekularną na Uniwersytecie Adama Mickiewicza w Poznaniu. Pracował jako Research Specialist in Health Science w Department of Anatomy and Cell Biology na University of Illinois w Chicago. Obecnie pracuje jako Associate Cell Biologist / Histologist w Abbott Laboratories (Illinois). Specjalizuje się w ekspresji białek 'od zera', hodowlach linii komórkowych, symulacji in vitro procesów zachodzących w komórkach. Jego pasją jest teoria ewolucji, w szczególności ewolucja systemów biochemicznych i pochodzenie życia we Wszechświecie. Liczba tekstów na portalu: 22 Pokaż inne teksty autora Liczba tłumaczeń: 1 Pokaż tłumaczenia autora Najnowszy tekst autora: Wykonanie statywu Dobsona, złożenie i kolimacja teleskopu | Wszelkie prawa zastrzeżone. Prawa autorskie tego tekstu należą do autora i/lub serwisu Racjonalista.pl.
Żadna część tego tekstu nie może być przedrukowywana, reprodukowana ani wykorzystywana w jakiejkolwiek formie,
bez zgody właściciela praw autorskich. Wszelkie naruszenia praw autorskich podlegają sankcjom przewidzianym w
kodeksie karnym i ustawie o prawie autorskim i prawach pokrewnych.str. 3150 |
|