Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

ючительно либо из кодонов CNG, либо из GNC. В первом случае «качающееся» основание G всегда находится в третьем положении кодона, во втором же случае — в первом положении, как в плюс-, так и в минус-цепях (если считывание всегда идет в направлении 5'->3'). Для репликации различные кодонные

положения неразличимы. Следовательно, каждый раз, когда встречается «качающееся» основание, в комплементарную цепь может быть внесена неопределенность, которая при трансляции в первом случае затрагивает первое, а во втором случае — третье положение кодона:

5' CNG CNG CNG 3'

б' SN'GSWGSN'G з'

и

б' GNC GNC GNC 3'

5' GNjGNuGNu 3'

Воспроизведенные последовательности транслируются правильно только во втором случае, т. е. когда качания при взаимодействии с адаптором имеют место преимущественно в третьем, а не в первом положении кодона.

Другими словами, адаптор с антикодоном 3'CNG способен узнавать как 5'GN'C, так и 5'GN'U, а адаптор с антикодоном 3'GNC — только 5'CN'G, но не 5'UN'G. Эта аргументация может оказаться несостоятельной, если для связывания адапто-ра с мРНК требуется пять пар оснований, потому что тогда «качающиеся» положения могут выявляться не так четко. Тем не менее эта асимметрия в отношении первого и третьего положений кодона в современном генетическом коде существует и является твердо установленной . Относительно малых селекционных преимуществ обычно достаточно, чтобы повлиять на ход эволюции. Очевидно, Крик и др. предпочли модель RRY (или RNY) тоже на основании такой аргументации.

Теперь мы можем сделать однозначный выбор первых двух кодонов, а именно:

5'GGC и 5'GCC,

которые будут комплементарными, если их расположить антипараллельно. Этот выбор диктуется четырьмя требованиями:

— стабильностью взаимодействия между адаптером и мРНК;

— точностью репликации (оба требования подсказывают начинать с комбинации GC);

— считыванием без запятых при трансляции, для чего нужен несимметричный GC-паттерн;

— согласованностью трансляции, уменьшающей неоднозначность, которая обусловлена «качаниями» в третьем положении кодона.

Мы хотели бы подчеркнуть, что эти аргументы основаны исключительно на свойствах нуклеиновых кислот. Приятно отметить, что два кодона, GGC и GCC, в современном генетическом коде соответствуют двум простейшим аминокислотам — глицину и аланину, которые в экспериментах, моделирующих первичные условия, действительно образуются в количествах, далеко превосходящих все другие аминокислоты.

Можно возразить, что продукты трансляции, состоящие только из этих двух остатков, вряд ли могут быть хоть сколько-нибудь эффективными катализаторами. К этому вопросу мы вернемся в разд. XVI. Сейчас достаточно отметить, что трансляция на этой стадии еще не была свойством, необходимым для сохранения соответствующих мРНК. Первые GC-богатые последовательности отбирались исключительно благодаря своей структурной стабильности и способности правильно воспроизводиться. Этим требованиям одинаково хорошо могло удовлетворить много различных GC-богатых последовательностей, и все они могли оказаться отобранными как партнеры (более или менее вырожденные) одного квазивида. Наибольшее предпочтение отдавалось здесь симметричным структурам, потому что они удовлетворяли критериям стабильности одновременно для плюс- и для минус-цепей.

Среди стабильных структур, возникших, вероятно, благодаря матричной функции антикодоновых петель и последующим дупликациям паттерна, могли оказаться кодирующие последовательности без запятых; тогда-то и зародилась трансляция. Если продукты трансляции дают хоть какое-нибудь преимущество в отношении стабильности или скорости воспроизведения своих информационных РНК, то они будут эволюционировать по дарвиновскому механизму и тем самым непрерывно изменять квазивидовое распределение. Прежде чем вернуться к рассмотрению такой стабилизации продуктами трансляции, задержимся еще немного на проблеме соотношения стабильности структуры и эффективности репликации, поскольку создается впечатление, что эти необходимые свойства основаны на противоречащих друг другу предпосылках.

XIV.2. «Апериодическая линейная GC-решетка»

Молекулу, подобную тРНК, с ее петлями, стабилизируемыми водородными связями, можно рассматривать как микрокристалл. Если она содержит длинные GC-участки, то ее внутренняя структура может быть совершенно инертной. Из кривых плавления петель тРНК или соответствующих олигонуклеотидов мы знаем, что непрерывная последовательность, состоящая только из четырех GC-nap, уже является очень стабильной, Каутс [68] исследовал олигонуклеотид, соответствующий добавочной петле тРНК^г из дрожжей, содержащий четыре GC-пары (этот оли-гонуклеотид был получен в результате частичного расщепления молекулы тРНК). Температура плавления его составляла (84 ± 1)°С, а Д# = 44± 4 ккал-моль-1. Это соответствует константе стабильности около 2-Ю5 при 25°, что находится в хорошем согласии с приведенными выше значениями. Для отбора квазивида существенна не столько структурная стабильность цепей, сколько благоприятное сочетание структурной стабильности с эффективностью воспроизведения. Эффективная матричная функция требует быстрого локального расплетания петли, а этому препятствуют слишком длинные GC-участки. Однакоприродные последовательности совсем не являются совершенными.

При высокой относительной концентрации мономеров А и ограниченной точности спаривания оснований GC-микрокристаллы всегда будут сильно «загрязнены» остатками А, играющими роль дефектов в линейной GC-решетке. A priori последовательность может быть любой — с низким или с высоким содержанием A, U, G или С. Отбираться, а затем воспроизводимо размножаться будет GC-богатая, но несовершенная последовательность. Если, например, каждое пятое положение в такой последовательности замещено остатками А или U, то спаренные участки в зависимости от внутренней комплементарности будут состоять в среднем не более чем из четырех пар GC (ср. с современными тРНК). Такие структуры легко могут локально плавиться, особенно если процессу репликации способствует белок, который в таком случае представляет собой наиболее примитивную форму репликазы.

Итак, отметим: AU-дефекты в апериодической. GC-решетке дают селективное преимущество.

Как сказал Томас Манн: «Жизнь избегает абсолютного совершенства» .

XIV.3. От GNC к RNY

Если в GC-богатых цепях отобранного квазивида имеется определенная концентрация дефектов А (и комплементарных дефектов U), то следующий этап в эволюции кода, по-видимому, можно считать предопределенным. Мутации могут возникнуть в любом из трех положений кодона, но их последствия будут совершенно различны. Замещение среднего основания в кодоне вызовет комплементарное замещение среднего основания в соответствующем антикодоне минус-цепи, и, следовательно, немедленно возникнут два новых кодона — GAC и GUC, Изменения в первом или третьем положении, с другой стороны, будут дополнены соответствующими изменениями в третьем (или соответственно в первом) положении минус-цепи и из-за эффекта «качания» приведут в конце концов к появлению только еще одного кодона. Кроме того, будет нарушена GC-рамка для считывания без запятых.

Требования стабильности сначала не допускают подстановки более чем одной AU-пары в участок, состоящий из пяти пар оснований, комплекса мРНК— тРНК. Следовательно, наиболее вероятно, что следующими возникнут кодоны 5'GAC и 5'GUC, Поскольку они являются мутантами пары 5'GGC/5'GCC, они могут присутствовать в достаточных количествах, входя в состав отобранного GC-богатого квазивида.

Однако, если на эти мутанты возлагается какая-либо функция при трансляции, они должны стать полностью эквивалентными доминирующему виду 5'GGC/5'GCC. Именно на этой стадии гиперциклическая стабилизация четырех кодонных адапторов (и информационных РНК, кодирующих факторы связи) становится абсолютно необходимым требованием. Без такого сочленения различные компоненты первичной системы трансляции хотя и могут сосуществовать некоторое время, но никогда не будут согласованно эволюционировать или оптимизировать свою кооперацию.

Четыре кодона способны кодировать четыре разные аминокислоты, которые создают основу для богатой палитры функций, так что образовавшиеся в результате белки могут стать эффективными факторами связи. Информационные РНК и тРНК как члены одного квазивида могли возникнуть из комплементарных цепей одного и того же вида РНК, выполняя, таким образом, обе функции.

С другой стороны, это могло существенно ограничить их дальнейшую эволюцию. Следовательно, мы должны допустить, что они возникли из общего предшественника, но дивергировали в различные последовательности из-за своих совершенно разных структурных и функциональных требований.

Согласно таблице современного генетического кода, GAC и GUC кодируют аспарагиновую кислоту и валин. Прежде чем обсуждать аминокислотный аспект более детально, рассмотрим вкратце несколько дальнейших этапов в эволюции на пути к более общему коду.

Требование высокой стабильности взаимодействия кодон — антикодон становится менее жестким по мере повышения адаптации продуктов трансляции. Наконец, допускаются взаимодействия с «качаниями», и код с GC-рамкой может эволюционировать к более общему коду с RY-рамкой. Все это вместе вводит в действие еще четыре аминокислоты. Первое замещение происходит еще тогда, когда остается в силе требование стабильности, которое уменьшает до минимума содержание AU-nap. Тем самым вводятся два кодона: 5'AGC (= серии) и 5'АСС (= треонин). В комплементарных им последовательностях изменяется третье положение кодона, в результате чего появляются 5'GCU и 5'GGU — вторые кодоны для аланина (GCC) и глицина (GGC). Вырождение, связанное с наличием взаимодействий с «качаниями» при воспроизведении этих последних кодонов, могло быть основной причиной появления кодонов AGC и АСС и детерминирования соответствующих аминокислот.

Появление в области кодона при эволюции ферментативного аппарата более одной пары AU привело к кодированию еще двух аминокислот: ААс

(аспарагина) и AUc (изолейцина

страница 31
< 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
(30.04.2017)