Биологический каталог




Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул

Автор М.Эйген

, особенно в случае Г ,и Ц, были бы слишком «липкими». Время жизни пары кодон — анти-кодон не должно превышать несколько миллисекунд, чтобы создать возможность для оптимальной адаптации ферментов с соответствующими числами оборотов. Тот же тип оптимизации — компромисс между стабильностью и скоростью — всегда находят в случае фермент Таблица 14

Средние равновесные и кинетические параметры

кооперативного спаривания оснований, полученные из релаксационных исследований с олигорибонуклеотидами (с длиной цепи от 3 до 18)

в водной среде х)

Кооперативная пара а, М~] s АН г), ккал/моль М-1 с"1 AH(kR), ккал/моль kn ИЛИ

... А ... ~ю_3 10 -11 10е -9 I07

У ...

... Г От 100 -15 10е от +5 ю7

до 200 до +7

') Данные экстраполированы к 0°С н относятся к рН 7 и ионной силе 0,05 М (какодилат натрия) для АУ-пар и 0,1 М (фосфатный буфер. рН 7,2) для ГЦ-пар, Измерения Д. Пёршке [72, 73, 82, 91] и С. Поддера [76].

Экстраполировано к одиночным цепям без стопочного взаимодействия (реально измеренные значения, относящиеся к одиночным цепям со стопочным взаимодействием, значительно ниже)-.

Зам ечание. Для констант скорости и равновесия даны только порядки величин, поскольку, точные значения зависят от специальных сочетаний пар (кооперативность) и от условий опыта (ионная сила и т. д.).

Времена жизни для различных областей можно оценить, пользуясь значениями &2з (Или ^12) и s (или asN соответственно).

Данные табл. 13 относятся в основном к спариванию в анти-кодоне, но включают, возможно, и другие открытые области. Эти значения выше, чем в табл. 14, вероятно, из-за стерической стабилизации петли антикодона. Следовательно, значения о из этих данных экстраполировать нельзя. Ошибочное спаривание внутри области, в которой основания спарены, должно дать более низкие константы стабильности (находящиеся «на уровне шумов»), чем те, которые можно получить, пользуясь константами для ошибочного спаривания на концах (см. табл. 13).

субстратных взаимодействий. Любой выигрыш в стабильности означает снижение скорости диссоциации комплекса, которая должна регулироваться в соответствии с числом оборотов, чтобы не стать этапом, лимитирующим скорость всего процесса.

Можно отметить еще одно интересное свойство триплета. Константы стабильности для комплементарных триплетов, полученные на олигомерных двойных спиралях с длиной цепи более чем v = 4, оказываются значительно ниже тех, которые были определены непосредственно (в лаборатории П. Доти) по взаимодействию триплетов или квадруплетов оснований с открытыми областями тРНК. То же самое имеет место для параметров активации при спаривании Г с Ц, начиная с дублетной пары (см. положительные значения). По-видимому, в коротких открытых областях существуют более сильные стопочные взаимодействия, потому что пары оснований могут при этом расположиться так, чтобы получилось наиболее выгодное стопочное перекрывание. Часть этой энергии взаимодействия теряется, когда рассматриваемая область вытягивается в скрученную спиральную структуру, где на расположение пар оснований накладываются большие ограничения. (Такие же «сте-рические» ограничения относятся к «виляющей» паре ГУ, которая может образоваться только на одном из концов триплета.)

Если использовать данные, приведенные в табл. 14, можно сделать некоторые заключения относительно значений единичных факторов качества, которые определяют точность комплементарного инструктирования. Используя уравнение (IV. 5), модифицированное для случая комплементарного взаимодействия, например для 'АУ (А —элемент матрицы),

?АУ 2 «л' (IV-27)

Х=АУГЦ

получим значения, которые даже для оптимальных уело-, вий с трудом могут достигнуть 0,99. Точное определение потребовало бы более полной информации о константах стабильности для «ошибочных пар» внутри комплементарной области, и для различных комбинаций ближайших соседей. Для АУ эти величины, вероятно, значительно ниже 0,99, для ГЦ они могут быть — в определенных условиях — несколько выше: пара ГЦ всегда по меньшей мере в 10—50 раз более стабильна, чем пара АУ (в зависимости от ближайших соседей). Эти значения дают верхние пределы. Они предполагают, что в процессе комплементарного узнавания достигается равновесие, до того как мономер включится в полимерную цепь, и относятся к тому случаю, когда концентрации всех мономеров забуферены примерно до одного и того же значения. Такие условия вряд ли существуют в природе. Можно сделать вывод, что значения Q будут значительно отклоняться от единицы уже для относительно коротких цепей. Согласно уравнению (11.46), для воспроизводимого образования носителя кода Q должно оставаться выше определенного порогового значения. Таким образом, воспроизводимое образование нуклеиновых кислот с определенными последовательностями оснований без участия катализаторов было возможно только для относительно коротких цепей, содержащих, по-видимому, не больше 30—100 звеньев (для q = 0,99 и v = 100 получим Q & Л/е; см. табл. 8). Другая трудность — это механизм редупликации. Для сколько-нибудь точного узнавания комплементарных оснований требуются низкие температуры. При таких температурах образующиеся двойные спирали стабильны. Таким образом, для диссоциации спирали (что является непременным условием многократного матричного действия данной цепи) необходимы большие градиенты температуры. Поэтому большие различия в скоростях (которые существуют и в настоящее время, когда процессы репликации инструктируются ферментами) не могли бы возникнуть как следствие индивидуальной вторичной структуры.

Если, наконец, поставить вопрос:

Могут ли нуклеиновые кислоты организовать самореплицирующуюся и эволюционирующую единицу без содействия катализаторов?*

То следует ответить:

Вследствие комплементарных взаимодействий дый коллектив, состоящий из положительной и отрицательной цепи, обладает способностью к самоинструктированию. При благоприятных условиях среди них мог бы происходить отбор отдельных коллективов с определенными последовательностями. Однако эти последовательности— если они вообще воспроизводимо образуются — содержат очень малое количество информации (v < 100). Так как различные коллективы должны конкурировать друг с другом, такая система (без помощи самоинструктирующихся катализаторов) не смогла бы достигнуть такого уровня организации, на котором возможно согласованное функционирование.

САМООРГАНИЗАЦИЯ ЧЕРЕЗ ЦИКЛИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗ: БЕЛКИ

§ V.I. Узнавание и ферментативный катализ

Прежде чем обсуждать вопрос о том, могут ли белки образовать самоинструктирующиеся системы, отметим некоторые из их свойств.

1. Как показано во введении (гл. I), имея двадцать видов аминокислот, можно образовать бесчисленное множество различных последовательностей (табл. 3), лишь небольшая часть которых могла бы образоваться случайно. С другой стороны, последовательности аминокислот не обладают внутренне присущей им способностью инструктировать образование идентичных или комплементарных последовательностей. Во всех тех случаях, когда нечто похожее на такую способность, казалось бы, имеется, как, например, в «складчатом слое», или в р-структурах, стабилизированных солевыми мостиками, или в других простых регулярных структурах с комплементарным расположением определенных аминокислот, как в коллагене, это оказывается следствием весьма специфического расположения аминокислот, а вовсе не свойством, присущим самим мономерам, как это было в случае нуклеиновых кислот. Такие специфические «инструктирующие» расположения лишены чрезвычайно важного свойства — способности мутировать. Ошибки здесь не смогли бы воспроизводиться. Кроме того, полипептидные цепи проявляют сильную тенденцию к свертыванию с образованием специфичной пространственной структуры, что очень мешало бы любому процессу прямого копирования.

2. Пространственная укладка, с другой стороны, лежит в основе способности белков узнавать специфичные структуры. Этой же уникальной особенностью

определяются каталитические свойства ферментов при условии, что узнающие группы имеют, кроме того, согласованные каталитические функции. Для примера на рис. 10 и 11 изображен активный центр химотрипсина. Точное пространственное расположение функциональных

групп было установлено лишь недавно методом рентгено-структурного анализа [92].

Это прекрасный пример того, как функция может зависеть от очень сложной структуры, благодаря которой группы, находящиеся в совершенно различных местах

Рис. И. Конформация некоторых боковых цепей аминокислот в активном центре а-химотрипсина, которая демонстрирует, что «узнавание» белками — результат специфичной пространственной укладки, а не «внутренне присущее» аминокислотам свойство [92].

последовательности аминокислот, оказываются рядом в строго определенном пространственном расположении. Колоссальное разнообразие специфичных участков узнавания демонстрируется также огромным числом различных антител, которые способны связывать любой гаптен, даже если этот гаптен никогда не контактировал с антителом в процессе эволюции. Далее, в лабораторных экспериментах было показано, что при случайном синтезе полипептидов возникает много каталитических функций, иногда очень специфичных (например, химотрипсиноподобная функция у полипептидов с беспорядочной структурой [93]). Эти продукты не образуются воспроизводимым образом. Даже если некоторые функции возникают воспроизводимо, их носителями оказываются совершенно различные и неродственные структуры.

3. Специфичное узнавание определенной макромолекулы ограничивается узнаванием коротких последовательностей или пространственных (третичных) структур, имеющих относительно малую протяженность. Так, некоторые ферменты (например, папаин [94]) расщепляют пептиды с определенными последовательностями- аминокислот, тогда как другие ферменты синтезируют специфичные последовательности. Ф. Липман [95] и его группа недавно показали, что полный синтез грамицидина S (циклический декапептид) происходит при помощи одного только фермента, без участия нуклеиновых кислот. Этот фермент с молекуля

страница 19
< 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
(17.10.2019)