Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

с 10. Ферменты Ei — Е4 для своего воспроизведения используют, конечно, эту же функцию трансляции, но поскольку они являютXL Как могла зародиться трансляция?

183

ся продуктами трансляции Ii —14, то в конечно^ счете зависят также от ЕО или соответственно от 10.

Детальный анализ показывает, однако, что име-ющихся связей недостаточно, чтобы гарантировать взаимную стабилизацию различных генотипических компонентов Ij. Общей репликазной функции Е0 и общей трансляционной функции FTR во всех дифференциальных уравнениях соответствует один и тот же член. Поэтому эти уравнения сводятся к уравнениям для несвязанных конкурентов, умноженным На общую функцию времени f(t). Из-за внутренней конкуренции система, которая сначала функционирует очень хорошо, обречена на распад. Типичный набор интегральных кривых, полученных численным интегрированием кинетических уравнений, приведен на рис. 46.

Другой пример такого же рода представлен рис. 47. Здесь все мРНК производят свои специфические репликазы EI — Е4, которые выполняют таю^е синтетазные функции (FTR)- И снова этой свя$и

через соответствующую трансляционную функцию оказывается недостаточно для стабилизации ансамбля. На наш вопрос — является ли наличие системы информационных РНК для репликазной и трансляционной функций и продуктов трансляции достаточным для их существования и эволюции — ответить следует так: если не введена связь определенного типа между различными репликативными компонентами то такие системы будет неустойчивы, несмотря на то что они обладают всеми свойствами, необходимыми для репликации и трансляции. Даже если бы все партнеры были селекционно эквивалентны (или почти эквивалентны) и, следовательно, могли бы сосуществовать некоторое время (в зависимости от размеров их популяций), они не смогли бы эволюционировать взаимно контролируемым образом и, следовательно, никогда не были бы способны оптимизировать свое функциональное взаимодействие. В конце концов они обязательно распадались бы, потому что случайная селекционная эквивалентность не может согласованно поддерживаться на протяжении длительных периодов эволюции, если она не подкреплена определенными связями.

Этот ответ не вызовет удивления, если учесть результаты части Б. Более тщательный анализ связей, обусловленных функционированием ферментов репликации и трансляции, не обнаруживает никакой гиперциклической структуры. Поэтому эти связи не могут обеспечить взаимную регуляцию величин популяционных переменных, которая необходима для согласованной эволюции членов организованной системы. Связи, имеющиеся в этих двух изученных системах, можно свести к двум общим функциям, которые, подобно факторам среды, действуют на всех партнеров совершенно одинаковым образом и, следовательно, не предоставляют никакой возможности для взаимного контроля.

Рассмотренные выше примеры иллюстрируют те положения, которые мы хотели подчеркнуть в данном разделе:

1. На ранних этапах эволюции, пока точность репликации и трансляции была низка и концентрации эффективно реплицирующихся единиц малы, гиперциклическая организация давала большое относительное преимущество над любой другой формой (структурной) организации (разд. XV).

2. Действительно, удается построить такие гиперциклические модели, которые можно считать реалистическими предшественниками аппарата воспроизведения и трансляции современных прокариотиче-ских клеток (разд. XVI).

Как представить возникновение трансляции, если допустить существование воспроизводимых молекул РНК, имеющих размеры тРНК, и наличие предпосылок для синтеза белков в примитивной форме, с использованием ограниченного числа (достаточно распространенных) аминокислот?

XII. Логика первичного кодирования

XII.1. Код RRY

Наиболее привлекательная спекулятивная модель возникновения матричного синтеза белков, предложенная совсем недавно [3], основана на целом ряде соображений, относящихся к проблеме связного считывания без запятых. Первичный код должен иметь определенную структуру рамок, иначе информация не сможет считываться согласованным образом. Случайные смещения фазы будут приводить к сдвигу рамки трансляции на каких-то участках информационной РНК и к искажению смысла. Поэтому авторы предлагают определенную последовательность оснований, которой должны придерживаться все кодоны. Или, другими словами, функционировать в качестве мРНК могут лишь те последовательности нуклеотидов, которые несут определенный паттерн («образ»). Единообразие паттерна может возникнуть благодаря инструкции, которую содержит выступающая антикодоновая петля тРНК, а также благодаря внутреннему самокоиированию. Среди паттернов, которые гарантируют неперекрывающееся считывание, авторы выбрали последовательность оснований пурин — пурин — пиримидин (или, в обычных обозначениях, RRY) как общую для всех кодонов, образующих сообщение. Этот выбор был продиктован регулярностью последовательности, которая была обнаружена в антикодоновой петле современных тРНК. Упомянутая последовательность такова: 3'NRaPYUY, где ару — антикодон, N — любой из четырех нуклеотидов, а R и Y — пурин и пиримидин соответственно. Другой предпосылкой возникновения трансляции без рибосом является стабильность комплекса, образованного мРНК и растущей полипептидной цепью. Пептидил-тРНК не должна отделяться до того, как осуществится перенос следующей аминоацил-тРНК, т. е. пока не закончится трансляция всей мРНК, в противном случае синтезировались бы только функционально неэффективные белковые фрагменты. На основании известных данных о стабильности пар оснований очевидно, что простое взаимодействие кодон — антикодон не гарантирует необходимой стабильности комплекса мРНК — тРНК. Поэтому для обоснования модели существенны три вспомогательных допущения:

1. Структура антикодоновой петли адаптора (предшественника тРНК) такова, что если конкретизирован общий паттерн кодона, то РНК может всегда образовать пять пар оснований с мРНК. Таким образом, антикодоновой петле первичных тРНК приписывается следующая общая последовательность:

где YYR — антикодон.

2. Антикодоновая петля каждой первичной тРНК может принимать две разные конформации, изображенные на рис. 48, Обе они были описаны в более ранней статье Вёзе [60], который обозначил их FH и hf. (Обозначение FH образовано из первых букв фамилий Фуллера и Ходжсона [61]—ученых, которые предположили, что из семи неспаренных оснований в антикодоновой петле стопку образуют пять оснований, расположенных с З'-конца; hf, по Вёзе, обозначает дополнительную конфигурацию^ в которой стопку образуют пять оснований на б'-конце петли.) Вёзе предположил, что переход между этими конфигурациями играет важную роль в синтезе белка на рибосомах, но указал также и на его возможное значение для прежних, более примитивных механизмов.

3. Какая из этих двух конфигураций действительно реализуется, зависит от того, с чем связана тРНК — с аминокислотой или с пептидной цепью. При переносе аминокислоты на пептидную цепь тРНК скачкообразно переходит из hf- в FH-конфи-гурацию (см. рис. 49).

Дополнительный, четвертый постулат, не абсолютно необходимый для обоснования модели, вводит взаимодействие между двумя соседними тРНК на мРНК, которое делает энергетически выгодной необходимую конфигурацию и вносит (дальнейший) вклад в стабилизацию комплекса полипептид — мРНК.

Рис. 49 показывает более детально, как может облегчаться синтез полипептидов, если учесть приведенные соображения. Растущая полипептидная цепь перемещается вдоль мРНК, используя в качестве «топлива» свободную энергию реакции переноса. Эта реакция может ускоряться общим неспецифическим катализатором, но такой механизм не требует

hf FY^Y-^TZ-L^WVy^v 5r

5'WVYV-[/-i/

Рис. 48. Две возможные конфигурации антикодоновой петли тРНК (конфигурация FH —по Фуллеру и Ходжсону [61], hf — по Вёзе [60]). Антикодонный паттерн (в рамках) — по модели Крика и др. [3].

п п*1 п*2 п+3

мРНК

'#'"4 <%'"4

никакого сложного аппарата типа современных рибосом. Хотя взаимодействие между кодоном и антикодо-ном стабилизируется пятью парами оснований, существенно, что код в действительности использует триплеты оснований. Ранее уже подчеркивалось [62J, что первичный код, использующий не триплеты оснований, не может объяснить возникновение современного кода.

ыРПК f WVW5

в

взаимодействия между мРНК и пептидил-тРНК, в результате мРНК, пока не закончится трансляция. По Крику и др. [3], конформация тРНК (FH ~т~^ nf). Новообразованная пептидная причем некоторую дополнительную стабилизацию обеспечивает вании оснований гарантирует связное чтение сообщения, закоЭта модель хорошо объясняет, как в отсутствие сложного аппарата трансляции может происходить

— спонтанное,

— последовательное,

— полное, т. е. не по частям, и

— воспроизводимое, т. е. при строгом сохранении заданной рамки кодонов,

считывание мРНКТакой код неразрывно связан с определенными структурными особенностями антикодоновой петли современных тРНК, и это позволяет допустить, что указанные молекулы являются потомками первых функционально организованных единиц. Четыре аминокислоты, кодируемые по этой модели, таковы:

GGH GAb1 AGG ААН

глицин аспарагиновая серии аспарагин

кислота

Содержание некоторых из них в первичном бульоне было очень высоким [63].

С другой стороны, модель сталкивается и с некоторыми трудностями. В последовательности RRY имеется большой избыток пуринов и поэтому она не сможет легко складываться на себя с образованием стабильной структуры.

Вследствие этого такие последовательности

— очень легко гидролизуются (если они находятся в виде одиночных цепей),

— имеют повышенную тенденцию к образованию дуплексов (которые не могут легко реплицироваться с помощью примитивных механизмов),

— не имеют внутренней симметрии и

— производят минус-цепи с другим общим кодовым паттерном (т. е. 5'RYY).

ХП.2. Код RNY

Прежде чем перейти к более детальному обсуждению вопросов, перечисленных выше, рассмотрим альтернативную модель, которая лишена этих конкретных недостатков. Предложение использовать

страница 28
< 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
(22.07.2017)