Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

длительного процесса эволюции, который должен был состоять из многих отдельных — но не обязательно экстраординарных — этапов. В частности, генетический код можно представить как результат такого многошагового процесса эволюции [2], который, по-видимому, начался с однозначного кодирования лишь немногих из наиболее распространенных в первичных условиях аминокислот [3]. Хотя в коде не удается усмотреть совершенной логической структуры в отношении всех окончательных соответствий, он далек от случайного, и невольно приходит в голову мысль, что здесь «сработал» какой-то оптимизационный принцип. Его можно назвать принципом наименьшего изменения, потому что структура кода такова, что на уровне аминокислот последствия точечных мутаций сводятся к минимальным изменениям. Избыточные кодоны, т. е. триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, расположены в соседних положениях таблицы кода, а кодоны для аминокислот, сходных по своим физико-химическим свойствам, обычно различаются только по одному из трех положений, как правило, первому или третьему. Чтобы такая оптимизация могла произойти в процессе эволюции, требуется испытание многих возможностей путем проб и ошибок, в том числе целого ряда вырожденных вариантов кодирования. Итак, доклеточная эволюция характеризовалась, вероятно, такой же степенью ветвления, какую мы находим на уровне видов, если только она управлялась тем же дарвиновским механизмом естественного отбора.

Однако нам не известны никакие варианты генетического кода, даже если рассматривать его тонкую структуру. С одной стороны, было бы совершенно неудовлетворительным допущение, что оптимальные кодовые соответствия возникли по простой случайности, которая произошла всего однажды и как раз в нужный момент времени, не допуская никаких альтернатив, которые несомненно привели бы к ветвлению кода на варианты с различной тонкой структурой. С другой стороны, столь же невероятным было бы допущение, что исторический путь доклеточ-ной эволюции был однозначно задан детерминированными физическими событиями,

Результаты наших исследований заставляют полагать, что дарвиновской эволюции видов предшествовал аналогичный многоэтапный процесс молекулярной эволюции, который привел к созданию уникального аппарата клетки, использующей универсальный код. Этот код окончательно установился не потому, что он был единственно возможным, а потому, что здесь работал своеобразный механизм отбора «раз и навсегда», причем этот процесс мог начаться с любых кодовых соответствий. Отбор «раз и навсегда» является следствием гиперциклической организации [4]. Тщательный анализ механизмов воспроизведения макромолекул позволяет думать, что наличие каталитических гиперциклов — это минимальное требование для возникновения макромоле-кулярной организации, способной накапливать, сохранять и обрабатывать генетическую информацию.

II. Что такое гиперцикл?

Рассмотрим последовательность реакций, в которой на каждом этапе продукты — с участием дополнительных реагентов или без них — подвергаются дальнейшим превращениям. Если в такой последовательности какой-либо из продуктов идентичен исходному реагенту какой-либо предшествующей стадии, то такая система подобна реакционному циклу, а цикл в целом — катализатору. В простейшем случае катализатор — это отдельная молекула, например фермент, превращающий субстрат в продукт;

Механизм» который стоит за этой формальной схемой, требует по меньшей мере трехчленного цикла (рнс. 1). Более сложные реакционные циклы, выполняющие фундаментальные каталитические функции, показаны на рис. 2 и 3. Цикл Бете — Вайцзекера [5] (рис. 2) вносит существенный вклад в поддержание высокой скорости высвобождения энергии в Пассивных звездах. Он, если можно так сказать, заставляет Солнце светить и, следовательно, является одной из наиболее важных внешних предпосылок существования жизни на Земле. Не меньшее значение, по-видимому, имеет цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты [6], изображенный на рис. 3, хотя он касается внутреннего механизма живого. Этот цикл реакций опосредует и регулирует метаболизм углеводов и жирных кислот в живой клетке и выполняет также важные функции в анаболических (биосинтеES ЕР

Рис. 1. Общий механизм ферментативного катализа по Михаэ-лису — Меитен. В этом процессе участвуют по меньшей мере три интермедиата: свободный фермент (Е), комплекс фермент — субстрат (ES) и комплекс фермент — продукт (ЕР). Схема показывает, что каталитическое действие фермента эквивалентно циклическому воспроизведению интермедиатов при превращении субстрата (S) в продукт (Р). Впрочем, ока дает^лишь формальное представление истинного процесса, который может включать в себя многоступенчатую активацию субстрата и индуцированные конформационные изменения фермента.

2 СО*

Рис. 3. Цикл трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты, — это общий каталитический аппарат биологического окисления «топливных» молекул. Полная схема цикла была предложена Кребсом, важный вклад в ее построение был внесен также Сеит-Дьёрди, Марциусом и Кнопом. Основные компоненты цик-ла? цитрат (С), ^ис-аконитат (А), изоцитрат (I), а-кетоглута-рат (К), сукцинил-СоА (S*), сукцинат (S), фумарат (F), 1-ма-лат (М) и оксалоацетат (О). Ацетат вступает в цикл в активированной форме в виде ацетил-СоА (этап 1) и реагирует с окса-лоацетатом и Н20 с образованем цитрата (С) и СоА (+Н+). Во всех превращениях участвуют ферменты и такие кофакторы, как СоА (этапы 1, 5, 6), Fe2+ (этапы 2, 3), NAD+ (этапы 4,5,9), ТПФ, липоевая кислота (этап 5) и FAD (этап 7). На схеме не показаны дополнительные реагенты: Н2О (этапы 1, 3, 8), Pt и GDP (этап 6) и нродукты реакций —Н20 (этап 2), Н+ (этапы 1, 9) и GTP (этап 6). В результате всех реакций цикла происходит полное окисление двух ацетильных углеродов до С02 (и Н20). За один оборот цикла генерируется 12 макроэргиче-ских фосфатных связей, причем одна из них образуется в самом цикле (GTP, этап 6), а 11—в результате окисления NADH и FADH2 [три пары электронов переносятся к NAD+ (этапы 4, 5,9) и одна пара —к FAD (этап 7)].

NB: Хотя цикл в целом функционирует как катализатор благодаря воспроизведению иитермедиатов, он не похож на каталитический цикл, изображенный на рис. 4. Несмотря на то что каждый этап цикла катализируется ферментом, ни один из этих ферментов не образуется в самом цикле.

СоА — кофермент A, NAD — никотинамидадениндинуклеотид, GTP — гуанозинтрифосфат, FAD — флавинадениндинуклеотид, ТПФ — тиаминпирофосфат, GDP —гуанозиндифосфат, Р\ — фосфат неорганический.

тических) процессах. В обеих схемах высокоэнергетическое вещество превращается в продукты, бедные энергией, при сохранении, т. е. циклическом воспроизведении существенных промежуточных продуктов. Оба цикла были предложены примерно в одно и то же время (1937—1938 гг.), хотя между ними нет никакой причинной связи.

Однонаправленность циклического воспроизведения интермедиатов, конечно, предполагает, что система находится в состоянии, далеком от равновесия, и всегда связана с расходованием энергии, часть которой диссипирует в окружающую среду. С другой стороны, установление равновесия в замкнутой системе приведет к тому, что все стадии будут находиться в состоянии детального равновесия. Каталитическое действие в такой замкнутой системе будет микроскопически обратимо, т. е. оно будет происходить с равной эффективностью в обоих направлениях.

Теперь, пользуясь простой итерацией, построим иерархии реакционных циклов и зададим их частные свойства. Это означает, что на следующем этапе мы рассматриваем реакционный цикл, в котором по меньшей мере один, но, возможно, и все интермедиа-ты сами являются катализаторами. Отметим, что эти интермедиаты, будучи катализаторами, теперь остаются неизменными во время реакции. Каждый из них образуется из потока высокоэнергетического строительного материала с использованием каталитической поддержки от предшествующего интермедиата (рис. 4). При большом числе интермедиатов такая система становится очень сложной по составу и поэтому вряд ли может встретиться в природе. Самым известным примером является четырехчленный цикл, связанный с матричной репликацией молекулы РНК (рис. 5). Такого рода механизм исследовался in vitro: использовали реакционную среду, содержащую нук-леозидтрифосфаты четырех типов в качестве высокоэнергетических строительных материалов, а также фаговую репликазу, которая играла роль постоянного фактора среды [7, 8] (более детальное описание дано Кюпперсом [9]). Каждая из двух цепей действует как матрица, инструктирующая синтез своей комплементарной копии,— как при фотографической

репродукции.

Простейшим представителем этой категории реакционных систем является отдельный автокатализатор

или — в случае целого класса объектов Ь, несущих информацию,— самовоспроизводящаяся единица. Такой процесс формально может быть описан следующим образом:

X—М.

В этой книге будут часто рассматриваться реакции такого типа; мы будем обозначать их символом © .

Такой истинно самовоспроизводящейся формой является двухцепочечная ДНК (в отличие от одно-цепочечной РНК) — обе ее цепи одновременно копируются полимеразой [10] (рис. 6). Эта же формальная схема применима и в случае прокариотиче-ской клетки, где все наследование осуществляется в основном независимо в каждой клеточной линии.

Кинетические уравнения как простых каталитических, так и автокаталитических систем при постоян* ной концентрации субстрата содержат член первого порядка по концентрации катализатора. Кривые роста, однако, четко дифференцируют две эти системы. Количество продукта для простого каталитического процесса в указанных условиях растет во времени линейно, тогда как для автокаталитических систем характерен экспоненциальный рост.

Строго говоря, автокаталитическую систему уже можно называть гиперциклической, ибо она предстаРР

Рис. 5. Каталитический цикл, имеющий биологическое значение, — репликация одноцепочечной РНК. Интермедиаты (плюс- и минус-цепи) участвуют в цикле как матрицы для своего взаимного воспроизведения. Матричная функция эквивалентна избирательному

страница 3
< 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)