Brak zgody wśród badaczy biopoezy czy białka współistniały z kwasami nukleinowymi czy białka lub kwasy nukleinowe były pierwszymi samopodzielającymi się cząsteczkami.
1.) Teoria ‘białka pierwsze’ (Protein first theory) Sidney’a Foxa i Stuarta Kanfmana Przesłanki podtrzymujące tę teorię:
− łatwość uzyskania aminokwasów w wielu różniących się dość istotnie warunkami
eksperymentach;
− największa wydajność syntezy – Gly i Ala (w białkach jest najwięcej)
− umiejętność zsyntetyzowania peptydów i białko-podobnych polimerów zwanych
protenoidami (jeśli aminokwas ma przy innym węglu grubę aminową bądź karboksylową, to one są zaanagażowenw powstawanie wiązania peptydowego; powstają również
hydroksykwasy; jeśli są wiązania estrowe)
− abiogenne peptydy i protenoidy wykazują różne aktywności katalityczne, np.: X-Trp-X –
hydroliza depurynowego DNA, gdzie X to jakikolwiek aminokwas. Leu-Lys-Leu –
kondensuje tworząc heksamer;
− protenoidy umieszczone w wodzie tworzą tzw. mikrosfery (otoczki, pęcherzyki,
pseudokomórki) – pozwala to założyć, że pierwotnie komórki miały błony protenoidowe;
− mikrosfery mają również aktywność katalityczną – np.: tworzenie dodatkowego wiązanai peptydowego – często sprzężonego z hydrolizą ATP;
− organizmalna synteza niekodowanych peptydów: glutation (służąca do kontroli stanu redox u bakterii, przeciwutleniacz), gramicydyna (antybiotyk, syntetyzowany nie na rybosomach), mostki peptydowe w ścianach bakterii (w błonach bakterii łączą ze sobą długie polimery ….) Te trzy krótkie peptydy powstają nie w trakcie translacji, ich synteza jest przez poszczególne grupy enzymów, synteza niekontrolowana przez kwas
rybonukleinowy. Enzymy jednak są kodowane w DNA, przepisywane na RNA i powstają
w procesie translacji.
Trudności teorii „białka pierwsze”:
− problem replikacji białek;
− brak pamięci molekularnej;
2.) Teoria „świata RNA” (RNA world) L.Orgel, F. Crick, C. Wojsa
− cząsteczki RNA nabyły jako pierwsze zdolności replikacji i katalizy;
− dowody na aktywność katalityczną RNA:
o intron w genie rRNA dużej podjednostki rybosomowej kodowany przez genom
jądrowy Tetrahymena thermophila (Tomasz Cech i Altman 80 r. nobel w 90); należy zrobić ekstrakt, mieć układ In vitro, hodujemy komórki Tetrahymena thermofila,
robimy ekstrakt białkowy, tam dodajemy prekursor DNA, inkubujemy jakiś czas.
Musimy mieć aktywny układ. Tomasz Cech stwierdził, że różnią się wielkością. Intron wycinał się tak samo. W desperacji prekursor inkubował w samym roztworze, w
którym zawieszał ekstrakt komórkowy, po wykonaniu wszystkich kontroli do
opublikowania pracy. Opublikował pracę, że cząsteczki RNA mają aktywność
katalityczne i autokatalityczne. Ten dowód wpłynął na teorię świata RNA.
o inne introny grupy I:
w DNA mitochondriów grzybów
w jądrowych genomach orzęsków
T-parzyste bakteriofagi
o autokatalityczne wycięcie intronów przebiega poprzez dwie reakcje transestryfikacji:
- nie wymagają te reakcje nakładu energii;
- wymagają obecności kofaktora (GTP lub guanozyna);
Podobieństwa między rybozymami a enzymami:
a.) podobieństwa
− RNA i białka są katalizatorami;
− orientacja substratów – w enzymach jak i rybozymach jest to konieczne;
− wykorzystanie kofaktorów – enzymy wykorzystują np.: NADP, FAD; kofaktor może być postrzegany jako uniwersalny substrat; również kofaktory wykorzystywane są przez
rybozymy;
− wpływ czynników denaturujących na rybozymy i enzymy
− przyspieszenie reakcji 109 razy; białka są lepszymi przyspieszaczami niż rybozymy (1012
razy);
ale….
− introny działają na same siebie, po wycięciu nieaktywne, enzymy przeprowadzają wiele razy reakcję;
− RNaza P – rybonukleoproteina z katalitycznym RNA (funkcja RNA, funkcja białka)
o odpowiedzialna za dojrzewanie 5’ końców cząsteczek tRNA, jest
endonukleazą;
− wiele przykładów rybozymów z różnych organizmów; rybozymy typu spinka do włosów, rybosomy typu VL; rybosomy głowa młotka;
−
Implikacja katalitycznych właściwości RNA dla protobiologii:
− pierwsze formy życia składały się z RNA;
− ich syntezę katalizowała Polimeraza RNA będąca sama cząsteczką RNA; istnieje
prawdopodobieństwo, że kiedyś było więcej rybozymów, a funkcje poprzejmowały
białka; istnieje taka technika, która nazywa się SELEX lub ewolucja In vitro; polega na selekcjonowaniu z wielkiej puli cząsteczek RNA takich cząsteczek RNA, które robią to co im każemy – wykonują zadanie; zaczynamy np.: od cząsteczek puli cząsteczek RNA o
długości 100nt; ponieważ mamy 4 różne nukleotydy to wynosi 4100 ~ 1030; zwykle końce nukleotydu są znane, a zmieniaja się bloku wewnątrz niego. Maszyna produkuje
bibliotekę DNA, później przepisujemy ją na RNA; mamy bibliotekę RNA; teraz
przychodzi kluczowy eksperyment – test; Szostak szukał motywów RNA wiążącego ATP, wziął kolumienkę, wypełnił ziarnami agarowy sprzężonymi z cząsteczką ATP, przemywał
taką kolumnę biblioteką RNA; nakładamy nadmiar ATP, wolne ATP będzie konkurował z tym związanym z agarazą; uzyskujemy frakcje RNA, która nas interesuje – związaną z ATP; przepisujemy przy pomocy odwrotnej transkryptazy na DNA, w reakcji PCR
powielamy ten DNA (amplifikujemy); dostajemy dużo DNA i ten DNA przepisujemy
przy pomocy T7 polimerazy na RNA; cykl przeprowadzamy ok. 10 razy; Szostak uzyskał
cząśtgeczki, które wiązały przy niebywale niskich wartościach ATP; takie klony później sekwencjonujemy; badaczom (Szostak i Bartel) udało się wygenerować rybozy, który
potrafiły polimeryzować RNA;
− właściwości RNA jako cząsteczek replikowanych i katalizatorów; cząsteczka RNA ma strukturę liniową, ale również nie jest cząsteczką sztywną – może się zwijać w przestrzeni;
− pierwsza synteza białek odbyła się przy udziale RNA katalizatorów; koncepcja „światła RNA” rozwiązuje kilka ważnych problemów dzisiejszego metabolizmu komórkowego:
o co było pierwsze: białko czy DNA?
o rola mRNA jako pośrednika między DNA i białkiem;
o obecność rRNA jako głównego składnika rybosomów;
o fakt, że wiele kofaktorów zawiera reszty RNA;
o kofaktory są zaangażowane w rodzaje szlaków metabolicznych które uznaje się
za ewolucyjnie stare i pierwotne; kofaktor można traktować jako drugi substrat
lub grupę funkcyjną potrzebną; te które nie wymagają kofaktorów tworzą
intermediaty, uważa się, że enzymy starsze nie miały takich centrów, ale
służyły jako ruszt wykorzystując kofaktor jako centrum katalityczne;
Rozwój ryboorganizmów:
- pula genomów kodujących i/lub będącymi rybozymami;
- problem RNA replikazy;
rys.1
autoreplikacja – system genetyczny na którym musi działać naturalna selekcja;
Dlaczego białka zastąpiły aktywne katalitycznie RNA?
− obecność wielu aminokwasów w prabulionie;
− aminokwasy używane jako substraty w metabolizmie kierowanym przez RNA: wiązanie AA przez RNA; transport do centrów aktywnych; funkcje AA w świecie RNA (puryny i
pirymidyny powstają z aminokwasów); synteza pierścienie purynowych i piramidowych;
− rybosomy lub ich zbiory rozbudowują swój metabolizm oparty na rybokofaktorach –
nabywają zdolności syntezy lipidów;
− „zakotwiczenie” rybozymów jako jednostek organizacyjnych;
− wiązanie przez rybozymy („cząsteczki adapterowe”) aminokwasów mogło doprowadzić do pierwszych kodowanych syntez peptydów;
− doświadczenia z laboratorium H.Noblerca z 23 s rRNA E.Coli
− funkcje pierwszych peptydów kodowanych w centrach RNA (białka kanałowe);
− kanały błonowe umożliwiają zamknięcie się rybozymów w lipidowej otoczce;
− przewaga różnorodności grup funkcyjnych w białkach i RNA;
− przykłady rybonukloprotein w dzisiejszej komórce: RNaza P, snRNP, rybosom,
telomeraza;
Rybonukleoproteiny – struktury pośrednie w ewolucji katalizatorów biologicznych: od RNA do białka;
Współczesne enzymy wykorzystujące nukleotyd lub zasadę azotową jako kofaktor mogą być potomkami wcześniejszych RNP-enzymów.
Pierwsze AA wykorzystywane w metabolizmie rybosomów były już najprawdopodobniej
kodowane. Z takich struktur centrów rybozymowych najprawdopodobniej wyewoluowały
rybosomy, prces translacji i kod genetyczny.