ктивы it снова подвергаются отбору. При отсутствии других связей между различными Ц выживает только один коллектив im (вместе с его «кометным хвостом» ошибок), т. е. тот, который имеет максимальную селективную ценность W°m > 0 (или вырожденная группа коллективов). Селективная ценность коллектива содержит среднее геометрическое параметров s4-mQm для плюс- и минус-цепей. Этот интересный результат показывает, что параметры воспроизведения обеих цепей одинаково важны. (Отметим, что среднее арифметическое было бы эквивалентно члену, «лимитирующему скорость».) В настоящем случае более медленный компонент дорастает до большей стационарной концентрации и тем самым достигает скорости быстрого компонента.

Важная особенность «комплементарного инструктирования» состоит в том, что даже при большом избытке одного мономера система всегда должна накопить по меньшей мере два различных мономера, которые затем встречаются у отобранного вида в почти равных количествах. Тогда вследствие копирования ошибок система будет всегда образовывать смешанные последовательности. Это служит предпосылкой для возникновения любого кода, который может приобрести «смысл» («представляя» информацию, которая поддается оценке) в том случае, если каждая из смешанных последовательностей дает селективное преимущество для своего собственного воспроизведения. Как мы увидим дальше, бинарные кодовые системы с самого начала имеют определенные преимущества, не препятствуя в то же время переходу к высшей (например, четверной) форме кода, если это почему-либо выгодно. Вследствие конкурентной природы отдельных (± i) -ансамблей количество информации, которое может храниться, ограничено емкостью одного-единственного класса носителей (т. е. главной копии с ее постоянным «кометным хвостом» ошибочных копий) или емкостью вырожденной группы. Следовательно, ограничения, налагаемые на длину, которые определяются в основном факторами качества Q+i и являются важными. Информацию о комплементарном узнавании оснований нуклеиновых кислот можно получить из экспериментальных данных.

§ IV. 3. Комплементарное узнавание оснований (экспериментальные данные)

IV. 3.1. Образование одиночной пары. Комплементарное инструктирование основано на том, что пары образуются только между А и У или между Г и Ц соответственно. Что же лежит в основе такого специфичного взаимодействия, которое гарантирует точное считывание, трансляцию и усиление генетических сообщений во всем органическом мире, от фага до человека?

Биохимик ответил бы, конечно: «Специфичные ферменты», физико-химик, возможно, предпочел бы сказать: «Специфичные силы». Правы и тот и другой, потому что мы достаточно хорошо знаем некоторые ферменты, но мы знаем также, что существует специфичное взаимодействие без участия ферментов, например гибридизация комплементарных цепей нуклеиновых кислот.

Структуры специфичных комплементарных пар, предложенные Ф. Криком и Дж. Уотсоном в их эпохальной статье [1], показаны на рис. 8. Однако, взглянув на рис. 9, можно немедленно убедиться в том, что одних только водородных связей недостаточно для объяснения очевидного выбора природы.

Рис. 8. Комплементарные пары оснований.

Во-первых, существует различие в геометрии разных пар (рис. 9), так что изоморфизм двух уотсон-криков-ских пар определенно будет давать преимущество в отношении образования однородных двухцепочечных структур, содержащих все четыре нуклеотида, и особенно в отношении эволюционной адаптации общего поли1 г

Рис. 9. «Некомплементарные» комбинации оснований.

меризующего фермента. С другой стороны, существует возможность того, что эволюция началась с двухбуквен-ного кода, содержащего, например, только А и У. Наконец, до того как ферменты приобрели специфическую адаптацию, возможно, существовал какой-то тип взаимодействия кодон — антикодон с «комплементарностью» по иным параметрам. Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимы соответствующие эксперименты.

Некоторые такие эксперименты уже проделаны. Например, имеются количественные данные о свободных энергиях образования одиночной пары для различных комбинаций оснований. Попытки провести такие измерения, пользуясь в качестве растворителя водной средой, окончились разочарованием: оказалось, что ни одна из пар не стабильна. Даже при самых высоких концентрациях довольно хорошо растворимых нуклеотидов нельзя было заметить образования одиночных пар. И мы знаем почему: если водородные связи между такими полярными группами, как NH, NH2, ОН и СО или N, являются единственным источником стабилизации, то полярные молекулы Н2О будут слишком сильно с ними конкурировать, сольватируя все доступные дипольные группы. Следовательно, для опытов, где исследуется относительная устойчивость, лучше пользоваться неполярным растворителем.

Проведены измерения в различных неполярных растворителях с нуклеозидами, которые становятся растворимыми в этих растворителях при замещении различных положений в рибозе неполярными группами (это не мешает основаниям образовывать водородные связи). Очень большая работа в этом направлении, в частности изучение инфракрасных спектров различных замещенных нуклеозидов, проведена А. Ричем и его сотр. [76, 77] в Массачусетском технологическом институте. Аналогичную работу опубликовали Э. Кюхлер и И. Деркош из Венского университета [78]. Диэлектрические измерения образования пар были проведены Т. Функом в нашей лаборатории [79], частично в сотрудничестве с Р. Хопма-ном и Ф. Эггерсом. Они определили также кинетические параметры по данным релаксационных измерений [80].

Все эти результаты в общем согласуются друг с другом. Комплементарные пары АУ и ГЦ самые сильные по сравнению с другими альтернативами. В табл. 12 приведены некоторые значения констант стабильности, определенные по данным диэлектрических измерений.

Можно видеть, что пара АУ по крайней мере в десять раз более стабильна, чем АА или УУ, тогда как ГЦ является самой прочной парой~ среди всех комбинаций, содержащих Г или Ц. Пара ГЦ гораздо стабильнее, чем пара АУ. Поскольку Г обнаруживает также значительное «самоспаривание», то определение констант стабильности любых гетеропар, содержащих гуанин, за исключением пары ГЦ, становится невозможным. Следует отметить, что некоторые пары могут образоваться разными способами и что константы равновесия, приведенные в табл. 12, представляют собой суммарные значения.

Таблица 12 Константы стабильности для спаривания

У А Ц г

У 550 < 50

А 150 \w 22 <50 <103

Ц <28 X. 50 28 \ > 10*

Г < 1,2- ТО3 <1,2- 103 3-10* 1,2-Ш*\

Kass [М г] при 25 °С (2'-3'-5'-0—замещенные рибонуклео-зиды в неполярных средах).

Все пары образуются очень быстро. Константы скорости показывают, что каждое столкновение ведет к образованию пары и что времена жизни пар в общем меньше одной микросекунды.

Относительно большая устойчивость пар АУ и ГЦ, вероятно, обусловлена одной сильно поляризованной водородной связью. Единственная комбинация ХН ... Y такого типа, общая для пар АУ и ГЦ, но отсутствующая у. их конкурентов, — это водородная связь между довольно кислой группой NH(pK~9,5) и азотом кольца (рК~4,5). Большую стабильность такой связи можно объяснить на основе квантовой механики. Итак, эта важная предпосылка возникновения кода в принципе объясняется физической теорией.

В итоге можно сказать, что, судя по всем имеющимся данным, пары образуют преимущественно те основания, которые мы теперь называем «комплементарными». «Узнавание» — процесс очень быстрый, но вследствие этой быстроты абсолютные стабильности очень низки — так низки, что в полярных средах ощутимого образования пар не происходит. Такие низкие стабильности не могут обеспечить очень точное узнавание, необходимое для чтения кода в длинных последовательностях. Для того чтобы получить больше информации об узнавании оснований при последовательном считывании кода, следует изучить кооперативные взаимодействия в олигомерах и полимерах.

IV. 3.2. Кооперативные взаимодействия в олиго- и поли ну клеотид ах. Мы уже подчеркивали, что в водных средах отдельные пары оснований слишком нестабильны, чтобы их можно было обнаружить современными методами. С другой стороны, хорошо известно, что комплементарные полимерные цепи образуют очень устойчивые двойные спирали, которые «плавятся» только при высоких температурах. Форма кривых плавления указывает на сильное кооперативное поведение. Источник кооперативности— относительно сильное стопочное взаимодействие между соседними парами оснований, а также хелатные эффекты, возникающие вследствие «замораживания» степеней свободы после образования спирали. Очевидно, что эти кооперативные эффекты сильно увеличивают «инструктивные» способности нуклеиновых кислот.

Прямой путь исследования кооперативных явлений — строить полимер шаг за шагом, начиная с мононуклео-тида, и изучать, как изменяются его термодинамические и кинетические свойства с увеличением длины цепи. Большим преимуществом является относительная простота термодинамического и кинетического анализа конформационных изменений олигомеров, особенно то, что спаривание оснований происходит у них по типу «все или ничего». Трудности такой работы на 'олигомерах связаны с получением материала: приходится проводить расщепление полимерных образцов, а затем разделять, собирать и очищать продукты гидролиза. Различные группы в нашей, а также в других1 лабораториях занимались этим в течение нескольких лет.

Первые кинетические исследования были выполнены в дипломной работе Д. Пёршке [72, 73] на олигомерных адениловых кислотах (длина цепи от 2 до 10 мономеров). Как уже говорилось, олиго- и поли-рибоА образуют двуспиральные структуры в кислой области (рН ~ 4), и это дало хорошую модель для наших первых исследований. Затем Д. Пёршке [82] изучил образование двойных и тройных спиралей из олиго-рибоА и олиго-рибоУ при нейтральном рН (длина цепи до 18 мономеров). Эта работа включала в себя термодинамические (фазовые диаграммы и кривые плавления, которые регистрировались с помощью спектрофотометрии в ультрафиолете), а такж