Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

общий кодовый паттерн RNY, где N — любой из четырех нуклеотидов A, U, G, С, тоже приписывается Крику и др. [3]. Однако авторы «разлюбили» свою модель из-за одного ее недостатка: если N является пиримидином, то антикодоновая петля с общей последовательностью 3' © GYNRU © в некоторых случаях может использовать лишь свои пять центральных нуклеотидов для образования стабильных пар оснований с мРНК. Это возражение, однако, снимается на основании того факта, что код RNY может детерминировать восемь аминокислот, вследствие чего некоторые комбинации, не удовлетворяющие требованиям стабильности комплекса мРНК—пептидил-тРНК (см. ниже), можно исключить.

Каковы преимущества общего кодового паттерна RNY? Прежде всего, код RNY, как и его аналог RRY, является кодом без запятых. Более того, он симметричен по отношению к плюс- и минус-цепям* В направлении 5'->3' общая структура рамки как

для плюс-, так и для минус-цепи будет RN Y, где N и N7 комплементарны и расположены в цепях зеркально-симметричным образом. Такая же симметрия может возникнуть в пределах одной цепи; тем самым допускается образование симметричных петель вторичной структуры. Современные тРНК — это типичный пример молекул с (почти) симметричными петлями. Одноцепочечные фаговые геномы и их производные (например, миди-вариант РНК Qp) тоже отличаются такими элементами симметрии. Здесь селективное преимущество симметричной структуры очевидно. Если молекулы воспроизводятся с помощью полимеразы, которая специфически узнает какую-то структурную особенность, то лишь при условии симметричной структуры плюс- и минус-цепи могут быть равно эффективными матрицами. Такое равенство эффективностей необходимо для отбора. Итак, симметрия тРНК, возможно, является реликтом той эпохи, когда эти молекулы еще должны были воспроизводиться автономно.

Образование петель увеличивает также устойчивость молекулы к гидролизу и создает предпосылки для правильного считывания. В открытой структуре, где большое число нуклеотидов остается неспарен-ными (например, в последовательностях типа RRY), репликация и трансляция могут начинаться в любом одноцепочечном участке последовательности, что приводит к образованию фрагментарных продуктов. В полностью двухцепочечной структуре начальными

А Б В

Рис. 50. Для симметричности вторичной структуры РНК необходима соответствующая внутренняя комплементарность (см. рис. 14 в части А)—только тогда плюс- и минус-цепи будут складываться одинаково. Такие структуры могут образовать ко-донные паттерны типа RNY. Придумана игра, правила которой учитывают физические взаимодействия, характерные для олиго-нуклеотидов и тРНК [17, 18]. Эта игра показывает, какие структуры образуются с наибольшей вероятностью. Для образования шпильки необходимо, чтобы обе половинки молекулы были комплементарны (например, последовательность 5'-RRY может соединиться со своей минус-цепью, несущей паттерн 5'-RYY).

точками репликации и трансляции являются только открытые липкие концы. Таким способом может быть прочтена вся мРНК, при этом требуется лишь временное частичное развертывание матрицы, которое может стимулироваться взаимодействиями с растущей цепью. Симметрия давала бы и в этом случае преимущество, хотя ее наличие не обязательно (см. рис. 50).

Чисто логически код RNY кажется более привлекательным, чем код RRY, по трем причинам:

1. Селективное усиление молекул РНК должно быть эффективным как для плюс-, так и для минусцепей. Симметричные паттерны RNY в большей степени удовлетворяют этому требованию, чем последовательности RRY, которые отличаются от своих минус-цепей (RYY) и, следовательно, не могут с той же эффективностью узнаваться ферментами.

2. Из-за высокой сложности последовательностей вероятность отыскать именно те немногие из них, которые обладают свойствами, полезными для репликации и трансляции, очень мала. Если эти последовательности, будучи симметричными структурами, удовлетворяют требованиям п. 1, то как плюс-, так и минус-цепи могут быть кандидатами на роль молекул — носителей таких функций.

3. Эволюция аппарата трансляции с его различными тРНК и мРНК требует взаимной стабилизации всех репликативных молекул. Как будет показано ниже, гиперцикл может легче образоваться из квазивида, если этот квазивид вследствие своей симметрии обеспечивает наличие двух комплементарных функций.

Система может накапливать информацию и в /со-нечном счете эволюционировать к большей сложности только в том случае, если она приемлет «дарвиновскую логику» селективной самоорганизации. Однако эта логика должна найти свое обоснование и свое выражение в материальных свойствах. Все, что могут узнавать компоненты в самом начале,— это естественная распространенность и сила взаимодействия. Это те свойства, с которыми мы должны иметь дело, чтобы понять, как возникла трансляция.

XIII. Физика первичного кодирований

XII 1.1. Условия на старте

Самоорганизация как мультимолекулярный процесс требует, чтобы концентрация соответствующих мономеров и полимеров была достаточно высока. Таким образом, ее началу должен был предшествовать длительный этап предбиологического синтеза, во время которого накапливались все вещества, необходимые

7 Зак. 1273

для создания «очень обогащенного бульона». Мы не намерены задерживаться на этих процессах предбиологической химии; не собираемся мы также спорить и о деталях исторических граничных условий. Такие вопросы, как, например, образовался ли «бульон» в океанах, в водоемах или же в маленьких лужах или какую роль играли здесь поверхности раздела, крупнозернистые или пористые поверхности, могут быть важны только в том случае, если необходимо дать оценку абсолютным скоростям исторических процессов.

Здесь мы просто предположим, что когда началась самоорганизация, высокоэнергетические вещества всех видов имелись в изобилии, в том числе

— аминокислоты, различающиеся по степени своей распространенности,

— нуклеотиды A, U, G, С,

— полимеры обоих упомянутых классов, т. е. про-теиноиды и тРНК-подобные вещества, имеющие более или менее случайные последовательности.

«Менее случайные» в данном контексте означает наличие взаимодействий между ближайшими соседями и более сложных взаимодействий при укладке молекулы, которые ведут к преобладанию определенных структур, в то время как «более случайные» относится к тому, что исходно эти последовательности не предназначались для выполнения какой-либо функции: если такая способность и существовала с самого начала, то она могла появиться только случайно.

С другой стороны, мы не предполагаем наличия каких бы то ни было адаптированных белковых аппаратов — таких, как

— специфические полимеразы,

— адаптированные синтетазы или какие-либо ри-босомные структуры.

Это не означает, что неинструктированные, плохо адаптированные белковые катализаторы не могли содействовать зарождению репликации и трансляции. Однако эти белки, неспособные воспроизводиться и совершенствоваться посредством отбора, должны быть включены вместе с другими каталитическими поверхностями в категорию «постоянных факторов среды».

XII 1.2. Распространенность нуклеотидов

Поскольку к самовоспроизведению способны лишь структуры, подобные нуклеиновым кислотам, важно более детально проанализировать, во-первых, их распространенности и, во-вторых, их взаимодействия друг с другом.

Нуклеотиды, а еще более их высокоэнергетические олигофосфатные формы образуются с большим трудом (если использовать возможные предбиологиче-ские механизмы), чем аминокислоты. Поэтому количественные данные об их относительной распространенности весьма скудны. Миллер и Оргел [63, с. 104] подчеркивают центральную роль адениновых нуклеотидов как в генетических процессах, так и при переносе энергии и связывают это с относительной легкостью их образования. Оро с сотрудниками [64] обнаружили, что в концентрированных водных растворах цианида аммония аденин может быть получен с выходом 0,5%, а Миллер и Оргел [63, с. 105] показали, что даже чистый цианистый водород в ходе реакции, катализируемой солнечным светом, дает важное промежуточное соединение:

4HCN —>? Тетрамер —? | >Аденин.

H2N

Этот интермедиат может реагировать также с циана-том, мочевиной или с цианом с образованием гуанина. Менее известны механизмы синтеза пиримидинов. Удалось установить путь синтеза цитозина, используя сочетание цианата с цианоацетиленом,— последний образуется при электрическом разряде из смеси метана с азотом. Урацил является, по-видимому, продуктом гидролиза цитозина, и возможно, что его существование в первичных условиях было обязано именно этому источнику^

О распространенности пуринов и пиримидинов в первичных условиях можно сказать очень мало. Скорость матричной полимеризации пропорциональна концентрации включаемого мономера. Для комплементарного инструктирования требуются по меньшей мере два типа нуклеотидов, и их содержание в информационных последовательностях должно быть одинаковым. Поэтому включение менее распространенного нуклеотида всегда будет лимитирующим этапом, по крайней мере для элонгации цепи. Следовательно, большой избыток А над U в первичном распределении мономеров, который мог иметь место, лишь очень мало благоприятствовал бы синтезу сополимеров AU-типа по сравнению с сополимерами GC-типа, за исключением тех случаев, когда лимитирующим этапом является нуклеация олиго-А-затравок. Способность к репликативному росту лимитирована матричной функцией менее обильного члена комплементарной пары нуклеотидов. Если в первичных условиях распространенность G и С была промежуточной между распространенностями А и U, то сополимеры, богатые GC и богатые AU, вполне могли бы образовываться со сравнимыми скоростями.

Поэтому мы не можем далее придерживаться прежнего спекулятивного мнения, что первые кодоны выбирались исключительно из бинарного алфавита и состояли лишь из сополимеров AU.

XIII.3. Стабильность комплементарных структур

Более ценные указания, связанные с проблемой первых кодонов, могут быть получены из данных о стабильности пар оснований. Результаты исследования стабильности и скоро

страница 29
< 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
(11.12.2017)