Биологический каталог




Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул

Автор М.Эйген

зм существовал, он давал бы известные преимущества.

b — В и т. п. отражает только конечный исход (к которому ретроспективно и приспособлены обозначения). Рассмотрим три модели, к которым относится это допущение и для которых поэтому возможен общий подход:

1. Аминокислота узнается третичной структурой (например, щелью) полинуклеотида, похожего на предшественник тРНК- Антикодон локализуется в открытой петле; но он может не участвовать в узнавании (или не определять его) и фиксации аминокислоты на адаиторе, так что a priori данной аминокислоте может быть сопоставлен любой триплет.

2. Модель, аналогичная первой, с той разницей, что аминокислота заменена олиго- или полипептидом (второй адаптор), концевая аминокислота которого должна быть активирована. Такое взаимодействие полинуклеотида с полипептидом может быть гораздо более тесным |f специфичным, чем взаимодействие с отдельной аминокислотой, но, как и прежде, для каждой данной взаимодействующей структуры полипептида и полинуклеотида [можно произвести любую подстановку концевой аминокислоты и доступного антикодон а.

3. Модель, сходная со второй моделью, в которой, однако, полипептиды обладают ферментативной активностью (как предшественники аминоацилсинтетаз) — специфично узнают свободную аминокислоту (или оли-гопептид), которая должна присоединяться к данной адапторной структуре; эта модель снова допускает любые возможные комбинации антикодон — аминокислота.

В любой из этих моделей мы имеем Я, единиц, т. е. аминокислоты а,Ь,с, ..., которые нужно поставить в соответствие кодонам А, В, С, ... с помощью адапторов А', В', С' (комплементарных Л, В, С .. .). Имеется всего X2 возможных соответствий, например, для I = 2 : аЛ', аВ', ЬА' и ЬВГ. Различные соответствия возможны потому, что Л', например, согласно нашему допущению, представляет собой целый класс адапторов, которые все имеют один и тот же антикодон, соответствующий А, но в остальном могут взаимодействовать совершенно по-разному с различными аминокислотами или активирующими ферментами. Предполагается, что все соответствия имеют равные априорные вероятности. Рассмотрим теперь элемент объема , в котором имеется \ таких соответствий. Тогда вероятность (Р) найти данный набор соответствий будет обратно пропорциональна числу всех возможных наборов, которое в свою очередь равно числу всех сочетаний с повторениями из X элементов по Я:

Сюда входят также те комбинации, в которых все соответствия относятся к одному типу, например а — А'\ а также те, в которых данный адаптер соединен со многими различными аминокислот-ами: а — A', b—А\ с — А' или наоборот; короче говоря, допускается любой набор соответствий. Это весьма крайнее (и, по-видимому, не очень реалистичное) допущение, но оно сделано для того, чтобы получить нижний предел для вероятностей, так что любое отклонение может только усилить нашу аргументацию.

Среди всех соответствий имеется Л! уникальных, т. е. таких, в которых данная аминокислота соединена только с одним (анти-) кодоном и наоборот. Таким образом, вероятность найти элемент объема, где имеется какое-либо уникальное соответствие, равна

ass

Р.

{Х\) {Х - 1)1 (Л 4- Х - 1)! *

(VI. 6)

Такой элемент объема начнет — возможно, с помощью катализатора — однозначно транслировать нуклеотид-ные последовательности в последовательности' аминокислот, но только до тех пор, пока в рассматриваемом элементе объема поддерживается данная конкретная «флуктуация» соответствий. Чтобы стабилизировать этот тип трансляции, мы должны найти среди нуклеотидных последовательностей такие, которые после трансляции усиливают использование того же кода. Только такой ансамбль нуклеотидов представлял бы собой стабильный и воспроизводимый источник информации для кода и аппарата трансляции (состоящего из определенного набора адапторов и активирующих ферментов). Для того чтобы отбор благоприятствовал именно данному ансамблю, подавляя другие конкурирующие системы, особенно те, которые не однозначны и поэтому всегда дают некоторое воспроизведение нонсенсов, в данной системе должен возникнуть самоусиливающийся гиперцикл, описанный в первых двух параграфах этой главы :.

1 Одна возможность состоит в том, что адапторы с самого начала были достаточно протяженными нуклеотндными структурами, которые могли осуществлять двойные функции:

а) действовать как специфичные адапторы, имея петлю антикодона,

н могли специфично узнаваться активирующими ферментами;

б) специфичная информация (/*), содержавшаяся в их последовательностях, кодировала бы ферменты Еи которые являлись членами гиперцикла. Однако на этом этапе нельзя сделать определенного вывода о сложности системы, в которой могла происходить нуклеация; в нее могли входить также адапторы с короткой

цепью, распространенность которых a priori высока,

Вероятность найти такой набор нуклеотидов, который будет усиливать определенную функцию трансляции, зависит от тех же предпосылок, что и вероятность найти набор белков, выполняющий эту функцию. Если полину-клеотиды каким-то образом транслируются, им будет соответствовать некий набор случайных полипептидных последовательностей; таким образом, мы должны исходить из тех же предположений, как и в том случае, когда мы искали X специфичных «координаторов», однако теперь не будет вырожденности XI, потому что система должна усиливать одно из Х- возможных однозначных соответствий. Если концентрации случайных нуклеотидных последовательностей близки к концентрациям случайных полипептидов, вероятность найти определенный набор в данном элементе объема снова будет равна величине, обратной «числу всех сочетаний с повторениями» из X2 элементов по X.

Тогда совместная вероятность приближенно равна

(XI)'[(V-1)1]» ' (у 7)

Эту закономерность иллюстрируют следующие примеры:

я. 2 4 8 20

р 2- 10~2 1,6- ю~6 4.10-16 5-Ю-50

Совместная вероятность содержит также множитель, описывающий отношение концентраций полйнуклеотид-ных и полипептидных последовательностей. Далее, сделаны совершенно нереалистичные допущения, например одинаковые априорные вероятности для всех последовательностей, которые приводят к тому, что эта формула дает лишь грубую оценку некоторых величин.

Есть еще один важный пункт: процедура состоит в том, чтобы найти вероятность существования и воспроизведения определенной функции (т. е. соответствия аминокислота — кодон) в популяции случайных полипептидов, но не в том, чтобы найти вероятность совместного нахождения определенных последовательностей. Функция может быть представлена очень большим числом различных полипептидных последовательностей, таким большим, что в действительности эти последовательности можно найти практически в любой случайной популяции (см. эксперименты С. Фокса [102] и его сотрудников, которые показали, что в любом случайном наборе полипептидов можно обнаружить функцию, моделирующую активность химотрипсина). Назовем эту вероятность р — независимо от ее специального вида. Тогда та же вероятность наличия той же функции (после трансляции) будет относиться и к популяции случайных нуклеотидных последовательностей (имеющих равные концентрации). В первом случае мы все же имеем hi однозначных выборов для соответствий, тогда как второй выбор должен совпадать с первым. Совместная вероятность тогда становится равной К\р2. Мы ищем вероятность совпадения функций, а не последовательностей. Если бы мы искали вероятность наличия определенной нуклеотидной последовательности, которая после трансляции дала бы полипептидную последовательность, точно совпадающую с данной (с которой начался определенный тип трансляции), то эта вероятность была бы порядка Ю-130 (для 100 аминокислот, принадлежащих к 20 классам), подтверждая аргументацию Вигнера (см. гл. I).

Однако в подобных оценках таится достаточно ловушек, чтобы заставить нас отказаться от более подробного анализа, пока не накопится больше экспериментальных данных о каталитических функциях полипептидов со случайными последовательностями. Основной довод что определенная каталитическая специфичность не является уникальным свойством одной или нескольких данных последовательностей, а встречается довольно часто в любой случайной популяции достаточно большого размера — может быть проверен экспериментально (см. гл. VII). Даже не имея таких данных, мы можем оценить, при какой степени сложности однозначная трансляция, начинающаяся со случайных флуктуации, становится совершенно невероятной.

В отношении вероятности случайного начала трансляции можно сделать следующие выводы (см. также численные примеры, приведенные после уравнения VI. 7). Бинарная система трансляции может возникнуть, по-видимому, очень легко, но с функциональной точки зрения двух единиц (или классов единиц) было бы недостаточно для обеспечения специфичности. Сделано предположение, что четыре класса единиц— минимум, необходимый для начала процедуры оптимизации в эволюции кода. Вероятность нуклеации четырехбуквенной трансляции еще имеет приемлемую величину. Вероятность, отвечающая восьмибуквенному коду, находится, по-видимому, на пределе того, что представляется осуществимым при разумных концентрациях в пределах Земли и в масштабах времени, на протяжении которого происходила ранняя эволюция (оно, вероятно, значительно меньше 109 лет ~3 -1016 с). Восьмибуквенный код могла бы обеспечить система АУ. Далее, восьми аминокислот, по-видимому, достаточно для построения функционально специфических последовательностей любого тица. Не обязательно даже начинать, имея только 8 аминокислот, — можно иметь 8 (или меньше) классов функционально родственных молекул. То же самое справедливо для инструктирующего кода, который мог бы начаться с вырожденных классов и развиваться дальше в соответствии с некоей процедурой оптимизации [ПО]. Поэтому вполне возможно, что тот конкретный код, который мы находим теперь, возник из случайной флуктуации; следовательно, нет необходимости предполагать существование очень специфичного (прямого или непрямого) взаимодействия между кодоном и аминокислотой. Если это верно, то любая независимо

страница 26
< 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

Скачать книгу "Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул" (2.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2019)