Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

о такие белковые предшественники в одних случаях будут благоприятствовать комплементарным, а в других случаях — некомплементарным взаимодействиям. Преимущество одних перед другими может определяться только неравенством свободных энергий для различных видов парных взаимодействий. Любое специфическое усиление комплементарных парных взаимодействий потребовало бы конвергентной эволюции тех конкретных ферментов, которые благоприятствуют данному типу взаимодействий. Для этого сами ферменты должны стать частью самовоспроизводящейся системы, что в свою очередь требует эволюционного развития трансляции.

Первыми самовоспроизводящимися структурами нуклеиновых кислот с устойчивым информационным содержанием — при данных оптимальных значениях q = 0,90—0,99 — были молекулы типа тРНК. Однако для любой воспроизводимой системы трансляции необходимо по крайней мере на порядок большее информационное содержание. Как мы знаем из анализа репликации РНК-содержащего фага, такому требованию удовлетворяют только оптимально адаптированные репликазы, которые не смогли бы эво-люционно развиться без совершенного механизма трансляции. Современные фаги являются поздними продуктами эволюции, чье существование обязано наличию такого механизма, без которого природе не удалось бы накопить так много информации в отдельной молекуле нуклеиновой кислоты. Следовательно, для молекулярной эволюции нуклеиновых кислот существовал барьер на уровне структур типа тРНК, подобный барьерам, характерным для более поздних этапов эволюции — т. е. для увеличения информационной емкости необходимо было возникновение какого-либо механизма нового типа.

Итак, тРНК или их предшественники, по-видимому, были «старейшими» репликативными единицами, которые начали накапливать информацию и отбирались как квазивиды т. е. как варианты одной и той же основной структуры.

Первым требованием была устойчивость к гидролизу. Игровая модель, подобная описанной в разд. IV. 1, показала, что известная вторичная (и третичная) структура тРНК (см. рис. 14, Л и Б) является прямым эволюционным следствием этого требования. Далее, симметрия этой структуры отражает оптимизацию ее репликативного механизма, который в соответствии с уравнением (20) предполагает эквивалентное поведение плюс- и минус-цепей, чтобы

имело место оптимальное функционирование. Эту симметрию можно обнаружить на уровне РН {(-содержащих фагов, особенно для вариантов, которые отобраны по свойству максимальной эффективности при репликации in vitro и не несут никакой лишней генетической информации (рис. 15).

IV.5. Необходимость возникновения гиперциклов

Цель этой работы состоит в том, чтобы показать, во-первых, что скачок в молекулярной эволюции, по-видимому, был вызван интеграцией нескольких самовоспроизводящихся единиц в кооперативную систему, и, во-вторых, что механизм, способный обеспечить такую интеграцию, мог принадлежать только к классу гиперциклов. К этому выводу можно прийти путем следующих рассуждений.

Информационное содержание первых репродуктивных единиц было ограничено vmax с< 100 нуклео-тидами. Для построения системы трансляции требовалось несколько таких единиц, имеющих сходные функции, но разные специфичности. Указанная система могла возникнуть из одного квазивида, но эквивалентные партнеры должны были эволюционировать одновременно. Этого нельзя было достичь ни посредством сочленения их в одну самовоспроизводящуюся единицу большего размера (из-за порога ошибок), ни путем компартментации (из-за сильной конкуренции между эквивалентными самовоспроизводящимися единицами внутри компартмента). Необходимо было образование функциональных связей между всеми самовоспроизводящимися единицами, имеющими следующие свойства:

1. Связь должна все-таки допускать конкуренцию каждой самовоспроизводящейся единицы с ее ошибочными копиями — иначе эти единицы не смогли бы сохранять свою информацию.

2. Связь должна «выключать» конкуренцию между теми самовоспроизводящимися единицами, которые интегрируются в новую функциональную систему, и допускать их кооперацию.

3. Интегрированная функциональная система должна быть способной успешно конкурировать с

Таблица 4

Основные этапы накопления информации в дарвиновских системах

Вероятность Превосход- Максимальное

ошибки на ство, число букв, Молекулярный механизм и

букву, \-qm om vmax биологический пример

Репликация РНК в отсутствие ферментов 4)

Предшественник TPHKf v = 80

Репликация одноцепочеч-ной РНК с помощью специфических реоликаз Фаг Qp, v = 4500 .

Репликация ДНК с помощью полимераз, включая коррекцию экзонук-леазой

Е. coli, v = 4-Ю8

Репликация и рекомбинация ДНК в эукариоти-ческих клетках

Позвоночные (человек), v = 3-Ю9

') Убедительных данных о некатализируемой репликации РНК пока не получено, однако прн катализе на поверхностях или прн катализе про-теинондами, которые не были специфически адаптированы (идея Фокса), вероятности ошибки могут соответствовать приведенным значениям.

любой другой, менее эффективной системой или единицей.

Эти три условия можно выполнить только путем установления циклической связи между самовоспроизводящимися единицами — другими словами, функциональная связь между автономными самовоспроиз

водящимися единицами сама должна иметь самоусиливающуюся циклическую природу — иначе их суммарное информационное содержание не сможет сохраняться. Итак, гиперциклическая организация, по-видимому, является необходимой предпосылкой для нуклеации интегрированных самовоспроизводящихся систем с большим информационным содержанием, чем требовалось для возникновения трансляции. Это утверждение следует из того, что будет показано в последующих разделах при более детальном анализе систем со связями.

Если нас спросят, в чем состоит особенность гиперциклов, мы ответим: «Они являются аналогами дарвиновских систем на следующем, более высоком уровне организации». Дарвиновское поведение — это основа для генерирования информации. Его предпосылкой является интеграция самовоспроизводящихся символов в самовоспроизводящиеся единицы, способные предохранять себя от накопления ошибок. То же требование сохраняется для интеграции самовоспроизводящихся и селективно устойчивых единиц в следующую, более высокую форму организации, чтобы в результате снова возникло селективно устойчивое поведение. Только циклическая связь — эквивалент автокаталитического усиления на данном уровне (см. разд. II)—способна привести к этой цели.

Результаты разд. IV суммированы в табл. 4, иллюстрирующей основные этапы накопления информации в дарвиновских системах, которым способствовали различные в отношении накопления механизмы воспроизведения. Эта таблица окажется полезной для обсуждения модели непрерывной эволюции от отдельных молекул до интегрированных клеточных систем, которая рассматривается в части В,

ЧАСТЬ Б

АБСТРАКТНЫЙ ГИПЕРЦИКЛ

Для характеристики определенного класса самореплицирующихся сетей реакций — гиперциклов — используются топологические методы. Результаты показывают, что свойства гиперциклов достаточны для стабильного интегрирования информации, содержащейся в нескольких самореплицирующихся единицах. Среди исследованных каталитических сетей гиперциклическая организация оказывается необходимой предпосылкой для сохранения устойчивости информации и для ускорения ее дальнейшей эволюции. Методы, использованные в этой работе, привычные для математиков, изложены здесь довольно подробно, с тем чтобы логика рассуждения была понятна и нематематикам.

V. Конкретный пример

В части А этой трилогии о гиперциклах мы пришли к некоторым важным выводам об особенностях дарвиновских систем на молекулярном уровне.

1, Объектом отбора и эволюции является квазивид— распределение (генотипически) близкородственных репликативных единиц, сгруппированных

вокруг копии (или вырожденного множества копий),

соответствующей фенотипу с максимальной селективной ценностью.

2. Информационное содержание этой доминирующей копии — выраженное в числе символов v

(нуклеотидов) на одну репликативную единицу —

in а

ограничено: vm < . , где am(> 1) — превосходит

ство доминирующей копии, т. е. среднее селективное преимущество над видами остальной части распредё

ления, qm — среднее качество копирования символа. Превышение этого порога информационного содержания вызывает катастрофу ошибок, т. е, распад информации из-за постоянного, накопления ошибок.

3. Для достижения устойчивого информационного содержания порядка нескольких тысяч нуклеотидов требуется крайне сложный аппарат ферментативной репликации. Такого количества нуклеотидов как раз достаточно, чтобы закодировать несколько белковых молекул, как у ныне существующих РНК-содержащих фагов. Физические свойства, внутренне присущие нуклеиновым кислотам, допускают воспроизводимое накопление информации в количестве, не превосходящем 50—100 нуклеотидов.

Последнее из этих трех утверждений не является бесспорным, если учесть, что наличие определенных факторов среды, например каталитических поверхностей или даже белковоподобных предшественников ферментов [47], может значительно сместить эти оценки. В действительности приведенные выше значения были получены из равновесных данных, а именно из свободных энергий для (кооперативных) комплементарных взаимодействий нуклеотидов по сравнению с некомплементарными. Тем не менее мы все же считаем, что они представляют собой верхние пределы, которые в природе могут достигаться только в присутствии подходящих катализаторов или путем отжига. Лабораторные эксперименты с полимеризацией на матрицах в отсутствие ферментов дают значительно меньшие значения. С другой стороны, катализаторы, имеющиеся в среде, не могут обеспечить точность распознавания символов, превышающую равновесную, если только они сами не становятся частью селективно оптимизирующейся системы. Для систематического благоприятствования взаимодействиям, дающим функциональные преимущества перед взаимодействиями, не дающими таких преимуществ, не существует другого пути, кроме поэтапной селективной опти

страница 13
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Скачать книгу " Гиперцикл. Принципы организации макромолекул" (2.15Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(28.06.2017)