Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

предшественников могут выполняться, как правило, только для близко

родственных мутантов. Таким образом, возникновение гиперциклов требует предсуществования молекулярной дарвиновской системы, но ведет к совершенно новым последствиям. Этот эволюционный принцип работает даже при очень малых различиях в кинетических параметрах, и поэтому характеризуется чувствительностью к малым изменениям, вызванным мутациями. Если имеется квазивидовое распределение с эволюционирующими взаимодействиями между компонентами, то независимо от того, насколько слабы эти взаимодействия, гиперциклическая

Таблица 18

Обобщение эволюционного принципа для гиперциклов объясняется на примере перехода от двучленной системы к трехчленной (рис. 54).

Общие кинетические уравнения имеют тот же вид, что и уравнения, приведенные в табл. 17. Введение третьего члена Ь (например, мутанта h) в двучленный гиперцикл, который был сначала устойчив, часто ведет к тому, что ранее устойчивая особая точка превращается в седловую. Это проявляется яснее всего, если допустить наличие циклической симметрии. При этом обозначения упрощаются

«22 ~ ^33 = ^D> ^13 = ^21 ~ К32 = «12 = ^23 ~ ^31 = ^и получается следующая матрица кинетических коэффициентов:

k- «+ #D

Особые точки и собственные значения таковы: Вершины:

Xj = (с, 0, 0); x2, x3 — аналогично. Ребра:

(0, kQ- kQ-k+)

2k

С

©'

2ЈQ — — «_

C02

(«р-« + )(«р-«-)

2^Q I fe

x5t X5 — аналогично.

Внутренняя особая точка:

Продолжение табл. 18 Снова особый интерес представляют четыре случая;

а) kD > k+, k_,

б) k+ > ft_ > kD,

в) k_ > k+ > kD,

Г) = k >

которым соответствуют следующие диаграммы особых точек:

А В

г 1

Большая величина диагональных членов (kD k+t k-) ведет к конкуренции — диаграмма А. В противном случае, т.е. для больших недиагональных элементов матрицы К, данные три вида проявляют кооперативное поведение. Направление вращения вокруг спирального стока в центре симплекса определяется большей из двух констант k+ и Когда k+ = k~, вращательная компонента отсутствует, и центральная особая точка является фокусом.

8 Зак. 1273

Пример, рассмотренный в этой таблице, является хорошей иллюстрацией усложнения гиперциклов в ходе эволюции. В отсутствие упрощающих предположений относительно констант скоростей анализ становится крайне сложным. Более детальное рассмотрение можно найти в работе [98], где дано обобщение на случай произвольной размерности.

организация неизбежно возникает, раз уж такие взаимодействия появились.

Гиперцикл также будет неизбежно развиваться в сторону усложнения из-за мутаций (рис. 54, 55). Эволюционный принцип может быть обобщен по индукции таким образом, чтобы он был применим к любому «-членному гиперциклу. Тогда мутант У может либо заменить I, либо вымереть, либо увеличить гиперцикл до (п + 1)-членного размера (см. XVI. 10). Можно получить и более общие эволюционные критерии, как указано в табл. 18.

XVI. Десять вопросов, касающихся наших самых ранних молекулярных предков и тех следов, которые они оставили в биосинтетическом аппарате современных клеток

XVI.1. Один РНК-предшествеиник?

Этот вопрос касается сложности тех молекул, которые первыми начали воспроизводимо функционировать. Полинуклеотид из 100 остатков соответствует

сложности около 1060 альтернативных последовательностей. Если по соображениям стабильности мы ограничимся только сополимерами GC-типа (с включениями AU), то у нас останется еще 1030 возможных вариантов. Необходимой предпосылкой отбора одной или нескольких определенных последовательностей является точное самовоспроизведение. Оно неизбежно будет вести к дарвиновскому поведению с отбором одного квазивида. Отбор продуктов определяется просто их оптимальной селективной эффективностью, но структура продуктов зависит от исторического пути развития, который во многом определяется самокопированием олигонуклеотидных паттернов меньших размеров.

XVI.2. Что означает селективное преимущество для молекулы?

Селективная ценность определяется как оптимальная комбинация структурной стабильности и эффективности точной репликации. Она может быть выражена количественно через физические свойства молекулы в данной среде. Необходимым условием структурной стабильности, устойчивости к гидролизу и развития кооперативных свойств было увеличение длины молекулы. Небольшие олигонуклеотйды не могут укладываться с образованием стабильных структур и поэтому легко гидролизуются. Далее, они не обладают в достаточной степени способностью к ком-плексообразованию, чтобы обеспечить правильное копирование или трансляцию. Длина, с другой стороны, лимитируется скоростью репликации и точностью копирования. Было показано, что свойства GC-богатых последовательностей благоприятны для образования стабильных копий довольно большой длины. Сравнимы ли эти длины с размерами современных молекул тРНК, остается неясным. В молекулах тРНК была обнаружена гомология последовательностей [74], которая указывает на определенную степень самокопирования внутренних областей. Это самокопирование вполне могло произойти еще до того, как появилось кодирование. Для возникновения" трансляции требуются сильные взаимодействия между адапторами и информационными РНК, а эти взаимодействия не могут обеспечиваться молекулами небольшой длины.

Как только в результате появления трансляции система начинает воспроизводимо функционировать, селективная ценность достигает нового уровня. Тем не менее для каждой данной мРНК она должна выражаться через структурную стабильность и эффективность правильного воспроизведения. Однако теперь эти свойства зависят также от качества (и концентрации) продуктов трансляции. Поэтому специфическая связь, необходимая для гиперциклической организации, необходима также для любой системы, в которой продукты трансляции должны оцениваться при отборе и посредством этого эволюционировать. Такая связь имеет каталитическую или защитную природу.

XVI.3. Почему нужна гиперциклическая

организация отдельных мутантных генов, а не один постоянно растущий геном?

Ответ на этот вопрос в основном был уже дан в части А. Для очень примитивного аппарата трансляции необходимо такое количество информации, какое соответствует геному современных РНК-содержащих фагов (или даже превосходит его). Информация фагового генома может сохраняться лишь с помощью фагоспецифического ферментативного комплекса, а извлечение этой информации основано на эффективности полного аппарата трансляции, предоставляемого клеткой-хозяином. Если согласиться с ответами, данными на первый и второй вопросы, то информация, необходимая для зарождения трансляции, должна создаваться на основе кооперации между несколькими мутантами — членами квазивидового распределения, а не просто в результате удлинения одной последовательности, для которой сначала не существовало бы никакого давления отбора.

Гиперциклическая стабилизация нескольких сосуществующих мутантов эквивалентна эволюции через дупликацию генов. Первоначально мутанты возникали как отдельные цепи, а не как ковалентно связанные дуплексы. Ограничения точности не допустили бы такого увеличения длины. Более того, вероятность получить необходимую комбинацию мутантов в одной цепи очень мала. Последовательности, состоящей из 100 остатков G и С, соответствует

100 мутантов с одной ошибкой,

4950 мутантов с двумя ошибками,

161 700 мутантов с тремя ошибками и т. д., т. е. /100 4

Nft = l ^ I мутантов с к ошибками.

(для п < Nk),

Число цепей, содержащих п мутантных генов, отличающихся друг от друга в к определенных положениях (это различие может быть необходимой предпосылкой функционирования), равно

что в случае п = 4, и k = 3 дает 3* 1019 альтернативных последовательностей. При наличии даже таких малых отклонений в реплицировавшихся генах вероятность найти копию с благоприятной комбинацией в одной гигантской цепи будет почти нулевой для любой популяции разумных размеров. Однако каждый из изолированных мутантных генов, содержащих три замещения, будет представлен в любой макроскопической популяции в достаточно большом количестве.

Наконец, не менее важно, что транспортные РНК — адапторы трансляции — во всяком случае должны были существовать в виде отдельных цепей. Эволюция объединенного генома потребовала бы с самого начала сложной регуляции на уровне транскрипции.

Естественный источник изолированных цепей РНК — это квазивидовое распределение. Все последовательности были сходны друг с другом, и таким же сходством, должно быть, обладали продукты их трансляции. Как только один продукт трансляции приводил к возникновению фактора связи, эта функция появлялась и у всех других продуктов. В результате могла возникнуть и циклическая связь, необходимая для гиперциклической организации. Можно даже сказать, что гиперциклическая организация самым естественным образом вытекает из любой реалистической модели примитивной трансляции.

Дает ли современная организация генома клеток прокариот какие-либо указания на свою первоначальную структуру? Современные гены, конечно, гораздо больше примитивных информационных РНК. Удлинение генов, так же как и дупликация, давало преимущество всякий раз, когда постоянно растущая точность ферментативного аппарата допускала это. Продукты трансляции становились более сложными, создавая предпосылки для эволюции по пути создания более тонких полиферментных механизмов, использующих дифференцированные ферменты, которые произошли от общего предшественника. В примитивных системах отсутствовали механизмы рекомбинации, используемые клетками в настоящее время. Поэтому современная структура прокариотического генома могла сформироваться в результате удлинения изолированных генов, их дупликации и трипли-кации с образованием оперонов и их последующего отображения на ДНК, которая может использовать более совершенные средства воспроизведения, приводящие к образованию объединенного генома. Размеры современных оперонов хорошо соответствуют тем размерам, с которы

страница 34
< 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
(24.08.2017)