Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

10 SO

GGAGU UCGACCG UGA CGAGUCACGGGCUAGCGCUUUCGCGCUCU GGGGUUCGCCCGGGGCGAACCCCGGGCGAACCCCUUCGCGAACC

90 100 110 120 130

CCAGGUGACGCCUCGUGA AGAGGCGCGACCUUCGUGCGUUUCGG CCGGGGGGGGCUUCGCGAAGGGGCCCCCCCUUCGUUCGUUUCGG

MO 150 160 170

CGACGCACGAGAACCGCCACGCUGCUUCGCAGCGUGGCCCUUCG CGAAGUUCGCGAACCCCUUCGCCCCUUCGCCCCGGGGCCCUUCG

1Й0 190 aoo 210

CGCAGCCCGCUGCGCGAGGUGACCCCCGAAGGGGGGUUCCCb CGAAC CCCC СUUCGCGAAGGGGCCC С СGAAGGGGGGGGCCCC

Рис. 57. Сопоставление последовательности миди-варианта Qp (по Спигелману и др.) с искусственной последовательностью, состоящей из блоков ССС(С) и UUCG и из комплементарных блоков GGG(G) и CGAA. Совпадение в 169 положениях из 218 позволяет предположить, что миди-вариант—это продукт, образованный de novo ферментом Qp-репликазэй, которая

имеет сайты узнавания для ССС(С) и UUCG (EF Ти). Кинетика синтеза de novo показывает, что в ферментативных сайтах узнавания образуется тетрамер, после чего происходит какое-то внутреннее самокопирование со случайными замещениями. Этот конкретный миди-вариант обычно выигрывает конкуренцию со всеми имеющимися последовательностями и поэтому является, вероятно, наиболее эффективной матрицей. Данный пример показывает, как в процессах примитивного копирования могут возникать однородные паттерны.

другом свои собственные затравки, которые она затем дуплицирует и избирательно усиливает, пока наконец не образуется однородная макроскопическая популяция последовательностей РНК с длиной несколько сотен нуклеотидов. В других условиях среды получаются другие (но тоже однородные) популяции последовательностей [8]. Спигелман, Миллз и их сотрудники определили последовательности нескольких таких «миди-вариантов», которые всегда содержат специфический сайт узнавания для Qp-репликазы [78]. Последующие эксперименты пролили свет на механизм этого синтеза de novo, показав, что небольшие фрагменты, соответствующие последовательностям, которые узнаются ферментом, синтезируются как затравки, а затем внутренне дуплицируются и избирательно усиливаются. Более ранние исследования [22] показали, что фермент может узнавать, в частности, последовательности ССС(С) и UUCG. UUCG соответствует последовательности 14|)CG, общей для всех тРНК и специфически взаимодействующей, как известно, с рибосомным фактором элонгации EF Ти, который является субъединицей комплекса (Зр-репли-казы. Сопоставление миди-варианта с последовательностью, состоящей исключительно из двух упомянутых олигонуклеотидов и комплементарных им GGG(G) и CGAA, выявляет совпадение в более чем 75% положений, что говорит об эффективности внутреннего копирования последовательностей-затравок (рис. 57).

Аналогичные соображения можно высказать и о первичных механизмах образования однородных паттернов. Если среди многих паттернов появился 5'GGC/5'GCC и, возможно, также 5'GAC/5'GUC, то эти паттерны в информационной РНК могли породить воспроизводимую трансляцию по механизму Крика и др. [3] и приобрести способность селективно усиливаться с помощью своих воспроизводимых продуктов трансляции.

XVI.7. Какими были первые функционально активные белки?

Простейший белок мог быть гомополипептидом, например полиглицином. Имел ли он какую-нибудь каталитическую активность? На этот вопрос могут и должны дать ответ эксперименты. Гетерогенные последовательности с достаточно большим числом остатков— скажем, 15—30 — способны к образованию р-слоя, имеющего активный центр, в котором концевая карбоксильная группа фиксирована в определенном положении вблизи концевой аминогруппы (рис. 58). Расстояние между ними варьирует с длиной цепи, так как в р-слое антипараллельные цепи закручены [79]. Концевая аминогруппа имеет рК около 8, следовательно, каталитический центр

содержит по меньшей мере эффективную протонную донорно-акцепторную систему. Образованию р-струк-тур благоприятствует чередование остатков Gly—Ala. Однако полипептиды, состоящие исключительно из остатков Gly и Ala, плохо растворимы, поэтому они могут присутствовать в ощутимых количествах лишь на поверхностях раздела.

Строение р-слоев изучали Чоу и Фасман [80], которые проанализировали рентгеноструктурные данные для 29 белков и выявили 459 р-изгибов. В числе трех остатков, чаще всего встречающихся в области Р-изгиба во всех его четырех положениях, находятся Gly и Asp, тогда как в участках, расположенных за р-изгибом, преобладают гидрофобные остатки.

Важной предпосылкой каталитической активности является определенное пространственное расположение концевых групп. Для стабилизации воспроизводимого складывания может оказаться необходимым использование двух или более видов аминокислот. Давно известно, что р-слои являются важными элементами белковой структуры. Согласно Левитту

[81], существует весьма общий принцип стабилизации с их помощью активной конформации белков.

Большая распространенность глицина и аланина

могла в основном определить характер первых белков, но для обеспечения растворимости более длинных

последовательностей были необходимыми полярные

боковые цепи Наличие четырех видов аминокислот привело бы, конечно, к гораздо большей структурной гибкости. Если следующими двумя кандидатами были аспарагиновая кислота и валин, то могли

образоваться глобулярные структуры, стабилизируемые гидрофобными взаимодействиями боковых цепей

валина и аланина и солюбилизируемые карбоксильными боковыми цепями аспарагиновой кислоты. Этот

остаток создает условия для образования специфических каталитических центров с участием двухвалентных ионов металлов.

Нашему воображению слишком трудно охватить колоссальное многообразие всех возможностей. В настоящее время проводятся эксперименты, цель которых состоит в исследовании различных структур в отношении их эффективности в дискриминации различных последовательностей РНК и их структурных особенностей. Результаты, полученные с рибонуклеаза-ми [82], стимулируют поиски «минимальной структур ры», способной специфически узнавать определенные последовательности РНКXVI.8. Необходимы ли при старте синтетазы?

В трехмерной структуре современных тРНК (см. часть А, рис. 14) антикодоновая петля фиксирована на значительном расстоянии от аминоацильного сайта. Такая структура адаптирована к функциональным потребностям современных молекул тРНК, которые определяются рибосомами и структурой синтетаз. С другой стороны, известно, что тРНК может совершать конформационные переходы, которые существенно изменяют ее форму и размеры. Риглер н др. [83] флуоресцентными методами исследовали времена жизни конформационных состояний, va также времена вращательной релаксации и сделали вывод о существовании по меньшей мере трех конформацион-ных состояний, быстро переходящих друг в друга. Аналогичные результаты получены Олсоном и др. [84], которые использовали методы, основанные на рассеянии лазерного излучения. Заселенность различных конформационных состояний сильно зависит от концентрации ионов магния. Важно отметить, что в условиях, которые соответствуют морской воде (~50 мМ Mg2+), присутствует конформер, отличающийся от L-формы, обнаруженной при кристаллографических исследованиях, — по своей форме он гораздо ближе к цилиндру.

Все сказанное самым прямым образом связано с поставленным вопросом. Первичные ферменты состояли из весьма ограниченного числа аминокислотных остатков и поэтому не могли быть, очень большими глобулярными структурами. Для того чтобы гарантировать однозначное соответствие аминокислоты антикодону, либо должны были существовать такие совершенные ферменты, как современные амино-ацйлсинтетазы, либо тРНК должна была иметь такую структуру, чтобы осуществлялся гораздо более тесный контакт между аминоацильным и аникодоновым сайтами, чем в случае L-формы, с тем чтобы можно было одновременно контролировать оба сайта. В противном случае высокий темп мутаций на ранних этапах эволюции очень скоро нарушил бы любое однозначное случайное соответствие между двумя этими сайтами. С другой стороны, конформационный переход все-таки необходим, потому что механизм образования пептидной связи (см. рис. 48) требует достаточного пространственного разделения мРНК и растущей пептидной цепи. Данные, о которых шла речь, вызывают желание поразмыслить о таких возможностях. С другой стороны, при наличии структур типа изображенной на рис. 49, В кодирование первых аминокислот могло бы осуществляться даже без помощи ферментов. Структура самой, тРНК заведомо достаточно сложна, чтобы стало возможным специфическое узнавание. Было отмечено [85], что четвер

тое основание от З'-конца (т. е. основание, следующее за З'АСС) имеет какое-то отношение к антико-дону. Первоначальные предположения об однозначной корреляции для всех тРНК в конечном счете не оправдались. Однако такая корреляция могла играть ключевую роль в первичных механизмах специфического распознавания аминокислот транспортными РНК. По имеющимся данным для Е. coli и фага Т4, в положении, которое следует за З'АСС, находятся такие нуклеотиды: U для Gly, А для Ala, G для Asp и А для Val. Для первичных адапторов было, несомненно, важным обеспечение однозначного соответствия с помощью дискриминирующих сайтов — свойство, которое могло быть частично утеряно в ходе эволюции. Это, конечно, чисто спекулятивные рассуждения, которые требуют экспериментальной проверки.

Вывод. Возможно, синтетазы не были необходимы на самых ранних этапах, а транспортные РНК в конечном счете оказались неудачной попыткой Природы создать ферменты из нуклеиновых кислот. Более эффективное распознавание могло эволюционно развиться из факторов связи, которые были предназначены для специфического узнавания тРНК-подобных структур.

KVI.9. Какими были первые ферменты?

Если синтетазы в действительности не являются необходимыми для зарождения трансляции (а это большое «если»!), то в качестве единственного абсолютного первичного условия согласованной эволюции трансляции у нас остаются только факторы связи — вероятно, репликазы. С помощью такой функции селективное преимущество, заключенное в продукте трансляции, может быть наибол

страница 36
< 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
(22.06.2017)