Почему в РНК используется урацил, а не тимин?

Независимо от вопроса†, что появилось раньше*, РНК или ДНК, можно рационализировать отсутствие тимина в РНК с помощью анализа затрат и выгод. Использование тимина стоит дорого, поэтому должно быть достаточно преимуществ, чтобы оно того стоило.

Стоимость использования тимина вместо урацила

Наиболее очевидная стоимость использования тимина — потребность в энергии для его синтеза (с точки зрения восстановительной способности — НАДФН).

Аналогичное преобразование rUMP в rTMP (если бы оно существовало) потребовало бы аналогичных затрат. (Могут быть дополнительные расходы, но они могут быть спорными и это бесспорно, так что хватит.)

Преимущество использования тимина вместо урацила

Для ДНК преимущество ясно и указано в вопросе. Если урацил не используется в качестве дополнения к аденину, урацил, образующийся в результате спонтанного дезаминирования цитозина, может быть распознан как аномальный и удален системами репарации корректуры ДНК . Предположительно, это дает организму преимущество (выгоду) за счет уменьшения вредных мутаций в ДНК — генетическом материале.

РНК не является генетическим материалом современных автономных организмов. Следовательно, нерепарированные дезаминирования C в U не повлияют на этот аспект жизнеспособности организма. Однако насколько серьезными они будут для клетки? Структурные рибосомные РНК являются самыми крупными и долгоживущими РНК. Такие мутации в клеточной рРНК могут не влиять на функцию рибосом, поскольку считается, что большая часть РНК является структурной. Однако даже если бы они это сделали, инактивация небольшого процента рибосом клетки мало повлияла бы на синтез белка. То же самое и с малыми молекулами тРНК.

РНК-мессенджер представляет собой другую проблему, поскольку мы можем заключить, что аномальные белки, полученные из мутантной мРНК, опасны для клетки из-за того, что существует механизм корректуры для исправления ошибок в зарядке (аминоацилировании) тРНК. Я бы сказал, что относительно короткий период полужизни мРНК по сравнению с частотой дезаминирования цитозина означает, что последний процесс не отвечает за значительное количество мутантной мРНК.

Вывод

Преимущества использования тимина — вместе с системой репарации — в РНК были бы незначительными и, следовательно, не стоили бы энергетических затрат, которые это повлечет за собой.

†Сноска: нам не нужно спорить о том, какая нуклеиновая кислота появилась раньше.

Текущие метаболические пути образования dTTP из dUTP и восстановления рибозы до дезоксирибозы наводят меня на мысль, что РНК в эволюции предшествовала ДНК. (Они ничего не говорят о том, предшествовала ли РНК белку.) Однако представленное здесь объяснение не требует этого предположения. Если бы ДНК была первой, а в РНК изначально было T вместо U, это объяснение можно было бы использовать, чтобы доказать, почему РНК изменила основания с T на U. Действительно, это объяснение может быть использовано теми, кто даже не верит в эволюцию — они могли бы возразить ( и, вероятно, делают), что какое-то божество создало вещи таким образом, потому что это было более эффективно с точки зрения затрат и выгод.

Точно ответить на этот вопрос сложно, поскольку он касается гипотезы происхождения жизни. В Гипотезе мира РНК РНК — это изначальная «жизнь», способная катализировать собственное самовоспроизведение. Существуют различные свидетельства в поддержку этой гипотезы. Структуру урацила относительно легко синтезировать в реакциях, которые, вероятно , могли иметь место в условиях ранней Земли. Возможно, РНК использовала урацил просто из-за изобилия урацила в природе. По-видимому, это относится к использованию аденина в АТФ. Гуанин также может быть использован в молекуле ГТФ, несущей энергию, но таких случаев значительно меньше, чем АТФ.

Однако в теории камней нет четкого ответа на вопрос, почему либо РНК использует урацил вместо тимина, либо ДНК использует тимин вместо урацила. Только много косвенных доказательств. Обратный аргумент в пользу использования ДНК тимина может также поддерживать использование РНК урацила. В конкурентной среде более высокая частота мутаций, обеспечиваемая дезаминированием цитозина в урацил, могла быть преимуществом для быстрого продвижения изменений.