Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

одукции от численности популяции соответствующего вида. Кооперация между различными видами через закодированные функциональные связи добавляет новые концентрационные члены, которые дают более высокий порядок зависимости скоростей от популяционных переменных.

Сравнительный анализ селекционного и эволюционного поведения не требует знания полных интегральных кривых. Обычно достаточно найти их конечные точки, для того чтобы решить, возможно ли устойчивое сосуществование всех партнеров в функциональном кооперативном ансамбле. Этой цели служит исследование особых точек в сочетании с методом Ляпунова и — в некоторых случаях — с более детальным изучением полного векторного поля. Результаты такого комбинированного анализа можно резюмировать следующим образом.

Функциональная интеграция ансамбля, состоящего из нескольких самореплицирующихся единиц, требует введения каталитических связей между всеми партнерами. Эти связи, наложенные на отдельные циклы репликации субъединиц, должны образовать замкнутый цикл, чтобы стабилизировать ансамбль путем взаимной регуляции всех популяционных переменных. Независимые конкуренты, которые при определенных пространственных условиях и на ограниченных интервалах времени могут сосуществовать в шишах», а также каталитические цепи или разветвленные сети лишены способности к самоорганизации, типичной для гиперциклов.

Одного лишь сосуществования недостаточно для согласованного роста и эволюции всех партнеров ансамбля. Гиперцикл отличается следующими свойствами:

1. Он обеспечивает устойчивое и регулируемое сосуществование всех видов, объединенных циклической связью,

2. Он допускает согласованный рост всех своих членов.

3. Гиперцикл конкурирует с любой отдельной репликативной единицей,, не принадлежащей циклу, независимо от того, является ли она независимой, представляет ли собой часть другого гиперцикла или даже присоединена к данному циклу паразитной связью.

4. Гиперцикл может увеличивать или уменьшать свои размеры, если такая модификация дает какое-либо селективное преимущество.

5. Гиперциклы с трудом сочленяются с образованием сетей более высокого порядка. Для взаимной стабилизации двух гиперциклов степени р необходимы члены связи степени 2р.

6. Внутренние связи и кооперативные свойства гиперцикла могут эволюционировать по пути к оптимальному функционированию. «Фенотипические» преимущества, т. е. такие вариации, которые дают мутанту прямую выгоду, немедленно закрепляются, «Генотипические» же преимущества, которые благо' приятствуют последующему продукту и поэтому лишь косвенно — репликативной единице, в которой произошла мутация, с другой стороны, требуют пространственной изоляции для конкурентной фиксации.

7. Отбор гиперцикла — это решение «раз и навсегда». В любой обычной дарвиновской системе мутанты, дающие селективное преимущество, легко могут размножиться и закрепиться. Их способность к росту не зависит от размера популяции. Для гиперциклов селективные преимущества всегда являются функциями численности популяции из-за существенно нелинейных свойств гиперциклов. Таким образом, однажды закрепившийся гиперцикл не может быть легко заменен никаким «новичком*, поскольку новый вид всегда появляется сначала в количестве одной (или нескольких) копий.

Все эти свойства делают гиперцикл единственным в своем роде классом самоорганизующихся химических сетей. Это само по себе оправдывает более формальное изучение их свойств, что и было целью данной.

части. Как было показано в части А, простые представители этого класса встречаются в природе. Возможно, этот тип функциональной организации широко распространен и играет какую-то роль в нервных сетях или в социальных системах. С другой стороны, мы не считаем, что гиперциклы — это какой-то фетиш. Их роль в молекулярной самоорганизации ограничена. Они позволяют интегрировать информацию, что было необходимо для возникновения трансляции.:

Однако гиперцикл мог исчезнуть, как только появился ферментативный аппарат с высокой точностью репродукции, позволяющий интегрированной системе индивидуализоваться в форме живой клетки. Индивидуализованные репликативные системы имеют намного больший потенциал для дальнейшей диверсификации и дифференциации.

Существует много форм гиперциклической организации — от простой связи второго порядка до компаунд-гиперцикла п-го порядка, в котором для каждого реакционного этапа требуется кооперативное действие всех членов. Хотя мы не знаем формы организации более простой, чем гиперцикл второго порядка, которая могла бы инициировать аппарат трансляции, мы хорошо сознаем сложность даже этой «простейшей возможной» системы. Поэтому нашей задачей в части В будет обоснование того, что реалистические гиперциклы действительно могут возникать из более простых предшественников, которые имелись в достаточных количествах в первичных условиях.

ЧАСТЬ В

РЕАЛИСТИЧЕСКИЙ ГИПЕРЦИКЛ

Предлагаемая модель «реалистического гиперцикла» тесно связана с молекулярной организацией примитивного аппарата репликации и трансляции. Гиперциклическая организация обусловливает селективную стабилизацию и эволюционную адаптацию всех гено- и фенотипических компонентов функционально связанного ансамбля. Она зарождается в форме молекулярного квазивида и усложняется в ходе эволюции путем мутаций и дупликаций генов. Ее первоначальная структура, по-видимому, отражается в установлении соответствия между кодона-ми и аминокислотами, в гомологии последовательностей тРНК, в двойных ферментативных функциях репликации и трансляции и в структурной и функциональной организации генома прокариотической клетки.

XI. Как могла зародиться трансляция?

«Общеизвестно, что возникновение белкового синтеза представляло собой очень трудную проблему. Мы имеем в виду не образование компонентов со случайной последовательностью, а синтез полипептидов, направляемый хотя бы в общих чертах матрицей — молекулой нуклеиновой кислоты, и имеющий такую природу, благодаря которой постепенно, шаг за шагом, в ходе эволюции сформировался современный генетический код, выражение которого сейчас требует наличия сложного аппарата активирующих ферментов, транспортных РНК, рибосом, различных факторов и т. д.».

Предмет нашего обсуждения трудно охарактеризовать более четко, чем этими вводными словами из

недавней статьи Крика, Бреннера, Клуга и Пече-ника [3].

Допустим на время, что примитивный аппарат репликации и трансляции, функционирующий с надлежащей точностью и адаптированный к достаточно богатому алфавиту молекулярных символов, возник в результате какого-то процесса, который далее не конкретизируется, например в результате самоорганизации или некоего акта творения, в природе или в лаборатории. Допустим, далее, что имеется среда, которая поставляет все активированные высокоэнергетические вещества, необходимые для синтеза таких макромолекул, как нуклеиновые кислоты и белки, для того чтобы репликация и трансляция могли быть спонтанными процессами, т. е. поддерживались бы положительным сродством. Мог ли такой ансамбль, каким бы путем он ни возник, продолжать эволюционировать как дарвиновская система? Другими словами, могла ли такая система неопределенно долго сохранять заложенную в нее первоначально информацию и совершенствовать ее дальше, пока не была бы достигнута максимальная функциональная эффективность?

Чтобы конкретизировать ситуацию, рассмотрим модель, изображенную на рис. 45. Плюс-цепи данного множества молекул РНК несут информацию для синтеза соответствующего числа молекул белков. Продукты трансляции могут выполнять по меньшей мере следующие функции: 1) Один белок играет роль РНК-полимеразы, подобной тем специфичным репликазам, которые связаны с различными РНК-содержащими фагами. Ее сайт узнавания адаптирован к специфической последовательности или структуре, имеющейся у всех плюс- и минус-цепей РНК; другими словами, она эффективно воспроизводит лишь те молекулы РНК, которые идентифицируются как члены определенного ансамбля. 2) Другие продукты трансляции функционируют как активирующие ферменты — они специфически узнают различные аминокислоты и присоединяют их к соответствующим адапторным РНК, каждая из которых несет определенный антикодон. Число разных аминокислот и, следовательно, адапторов выбрано так, чтобы оно равнялось числу различных кодонов, встречающихся в информационных последовательностях, т. е. в плюс-цепях РНК, с тем, чтобы в результате получилась «замкнутая» система трансляции с определенным кодом. Она не обязательно должна включать полный генетический код в его современном виде, а может ограничиваться меньшим, но функционально достаточным числом аминокислот (например, четырьмя), используя определенные ограничения, наложенные на структуру кодонов, чтобы гарантировать однозначное считывание. В качестве адапторов можно использовать минус-цепи молекул РНК, или — если это условие окажется слишком жестким — адапторы можно ввести вместе с другими компонентами (например, с рибосомами) как постоянные факторы среды, подобные тем бактериальным факторам, которые обеспечивают репликацию фага и трансляцию в клетке-хозяине.

и т. д.

других параметров — констант скоростей трансляции \1( —? Е;/, параметров, определяющих выбор аминокислот (вклады Еи Е2, Е3, Е4 в Ftr), стабильностей фермент-субстратных комплексов

одинаковы для всех партнеров

реакций. Кинетические кривые для относительных чнсленностей

популяций отражают конкурентность поведения. Наиболее эффективно воспроизводящаяся матрица (I4) в конце концов становится доминирующей {y\jc\ -> l). Однако из-за того,

что репликация (представленная Е0) и трансляция (вклады Ei, Е2 и Е3 в Ftr) прекращаются, 14 тоже вымирает. Вся популяция

обречена на гибель (c°N ~> 0).

С первого взгляда может показаться, что система, изображенная на рис. 45, в достаточной степени насыщена функциональными перекрестными связями: все h каталитически поддерживаются реплика-зой Ео; эта репликаза в свою очередь обязана своим существованием совместному действию ферментов трансляции Ei — Е4> без которых она не смогла бы транслироваться

страница 27
< 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
(20.08.2017)