Преамбула

Любой ответ относительно происхождения нашего биохимического эволюционного происхождения будет разумно спекулятивным, учитывая, что это очень сложный вопрос для научной проверки, и эта область, как правило, недостаточно изучена, чтобы сказать, что это в значительной степени самый фундаментальный биохимический вопрос. Но есть несколько причин, по которым РНК имеет смысл в качестве основной генетической молекулы по сравнению с другими установленными макромолекулами, присутствующими в первичном бульоне, а также есть веские причины, по которым ДНК вытеснила ее в качестве генетического хранилища для большинства клеточных организмов.

Таким образом, альтернативные полимерные макромолекулы в изобилии, которые произошли из первобытного бульона, не так универсальны, как РНК, и со временем ДНК стала использоваться больше, чем РНК, поскольку она была более надежной молекулой для хранения информации.

Мы должны помнить, однако, что условия, которые приводят к генезису РНК, являются гораздо более сложным вопросом. Существует непостижимое количество комбинаций химических веществ, которые могли бы способствовать эволюционному процессу. @WYSIWYG сделал отличный комментарий о том, почему на этот вопрос практически невозможно ответить однозначно:

... Почему используется фосфодиэфирная цепь, а не эфирная, амидная, карбоксиэфирная или любая другая связь? Или почему пурины и пиримидины, почему не гетероциклы с нафталиновым кольцом? Почему имидазол, почему не оксазол или фуран? Вы не можете обосновать это обратным образом.

Поэтому в этом ответе мы будем обсуждать РНК и другие биополимеры, которые были созданы в изобилии из очень раннего первобытного бульона, а не первоначальный генезис таких биохимических веществ. Что сделало каждого из них хорошим сосудом для эволюционного процесса?

Макромолекула генетического кода нуждается в следующих свойствах:

• Стабильный.
• Переменная структура.
• Расширяемый.
• Воспроизводимый.

РНК имеет все это и не зависит от биологической системы для воспроизведения молекулы РНК.

мир РНК.

Давайте не будем забывать, что ДНК, вероятно, не первая, и до клетки, какой мы ее знаем, существовал мир РНК . Даже сегодня многие вирусы используют одноцепочечную РНК .

РНК была хорошей молекулой, потому что это был полимер, состоящий из мономеров с 4 основаниями, которые могли связываться с другими полимерами, образуя любой набор композиций из основных компонентов, и могли спонтанно воспроизводиться. Это позволило создать изначальную форму молекулярной эволюции, какой мы ее знаем сегодня. Он способен нести более разнообразную информацию, чем другие широко распространенные макромолекулярные полимеры.

РНК также может выполнять функции, аналогичные функциям белка, включая катализ . Никакие известные сахара или другие макромолекулы не способны продемонстрировать такой же уровень изменчивости и универсальности, как РНК, хотя дезоксирибозимы были искусственно созданы в лабораториях.

Вероятно, это дало ей хорошие шансы утвердиться в качестве первой молекулы, запустившей биогенез, и это привело к тому, что нуклеиновые кислоты стали фундаментальной молекулой молекулярной эволюции.

Химическая структура ДНК.

В конце концов РНК превратилась в более сложные структуры, и ДНК в значительной степени вытеснила РНК в качестве устройства хранения генетической информации в клеточных организмах, в первую очередь из-за повышенной стабильности ДНК по сравнению с РНК. Если мы посмотрим конкретно на ДНК , мы увидим очень хороший механизм хранения данных по нескольким причинам.

1. Внутрицепочечная водородная связь и другая химически структурированная сахарная группа делают общую структуру более стабильной.
2. Более жесткие бороздки позволяют белкам связываться в определенных местах.
3. Опять же, это полимер переменного состава.

Альтернативное кодирование макромолекул.

Каковы наши другие варианты из биологических полимеров?

• Углеводы. Гликокаликс покрывает большинство клеток нашего тела, и очевидно, что сахара (в частности, полисахариды и гликопротеины) представляют собой расширяемую, информационную молекулу. Однако он полагается на белки для сборки так же, как и белки, поэтому у него никогда не было шанса стать этой основной молекулой.
• Липиды. Великолепный вспениваемый полимер, и многие из них спонтанно расширяются в правильных условиях, но обычно липиды не могут нести столько «информации» в полимере (практически просто разная длина групп CH2).
• Белки. Слишком сложный и не спонтанно воспроизводимый. Они полагаются на другие системы для производства (за исключением некоторых редких примеров , хотя, возможно, они все еще полагаются на сложную биологическую систему).

Это свидетельство того, что все существа имеют общего предка в результате эволюции. О происхождении генетического кода ученые предложили несколько гипотез для его объяснения.

1. Химические принципы : В ходе экспериментов ученые обнаружили, что некоторые аминокислоты обладают избирательным сродством к определенным триплетным кодонам.

2. Расширение биосинтеза : оригинальные существа могут производить аминокислоты как побочные продукты метаболизма, а затем некоторые из них функционируют в генетическом кодировании. Факты показывают, что в прошлом использовалось меньше различных аминокислот, чем сегодня.

3. Естественный отбор : цель генетического кодирования — свести к минимуму мутацию. Некоторые ученые предполагают, что древняя жизнь могла иметь более длинный кодон, чем триплетный кодон, такой как квадруплетный кодон, но квадруплетный кодон имеет больше ошибок, чем триплетный кодон, и тогда может выжить только тройной кодон.

4. Информационный канал . Эта гипотеза предполагает, что процесс трансляции генетического кода является информационным каналом, подверженным ошибкам. Организмы хотели точно и эффективно унаследовать свою генетическую информацию и держаться подальше от генетического шума. Генетический код должен находиться под влиянием трех эволюционных сил: потребности в разнообразных аминокислотах, устойчивости к ошибкам и минимальной стоимости ресурсов. Наконец, генетические кодирующие аминокислоты становятся неслучайными.

Что интересно в эволюции, так это то, что Мать-природа не возвращается к чертежной доске и не начинает с совершенно нового дизайна. Эволюционные изменения происходят крошечными шагами. Столкнувшись с такой проблемой, как появление кислорода в атмосфере, эволюция не переделала всю генетическую структуру растений. Это возится. Таким образом, мы получили расточительную и неэффективную систему. Но это работает. Этот ребенок делает замечательное юмористическое видео, объясняющее это. Просто погуглите Rubisco Tubes.