Биологический каталог




Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул

Автор М.Эйген

з продуктов дал следующую информацию о ре-плицированных молекулах РНК (см. рис. 25): инфек-ционность была утрачена после 4-го переноса; молекулярные массы РНК-матриц по мере переносов более или менее постоянно снижались, пока после 74-го переноса не получился конечный продукт, утративший около 83% своей исходной генетической информации. Из 3600 ну-клеотидных остатков родительской молекулы сохранилось только 550. Параллельно с уменьшением молекулярного веса наблюдается увеличение скорости включения ^Р, так что к 74-му переносу скорость включения на один нуклеотид возросла в 2,6 раза по сравнению с начальной скоростью. Это прямо показывают исследования кинетики включения нуклеотидов в условиях насыщения. Рис. 26 служит примером: увеличение скорости в линейной области сопровождается уменьшением периода индукции, в течение которого количество минус-цепей должно возрастать вплоть до «уравновешенного» отношения плюс- и минус-цепей. В условиях специальных селекционных ограничений можно было наблюдать дальнейшее увеличение скорости, сопровождающееся уменьшением длины цепи до 180 нуклеотидных остатков. Эта фракция «мини-монстров» исследуется также в лаборатории Л. Оргела в Ла Хойя, Калифорния (личное сообщение С. Спигелмана).

На первый взгляд результаты этих экспериментов отражают только тривиальный «эволюционный» ответ на данное предписание: «размножаться как можно быстрее». Молекулы РНК, освобожденные от необходимости быть инфекционными, приспосабливаются к таким «райским» условиям, отбрасывая всю информацию, которая не нужна для быстрой репликации. Однако они не могут сократить процесс репликации, просто обрывая цикл, прежде чем будет достигнуто место терминации, потому что для узнавания необходимы различные части молекулы, в частности оба ее конца. На самом деле сокращение временных интервалов между переносами не вынуждает к такому поведению. Реакция не обрывается вследствие, переноса, и более вероятно, что молекула фермента, которая начала процесс репликации на матрице, закончит свое дело, а не отделится от нее, чтобы искать новую матрицу.

Рис. 26. Сравнение кинетики синтеза 74-го варианта (кривая /) и исходной РНК мутанта ts фага Q0 (кривая //) [121].

—3

Инициированы две стандартные реакции, (см. текст) в 0,25 мл смеси при 35 °С-В одной реакции затравкой служила одноцепочечная «вариантная» РНК (74-й перенос), очищенная гель-фильтрацией, в другой'—РНК мутанта ts фага Q0 (в обоих случаях количество затравки выше уровня насыщения). В указанные моменты времени брали пробы по 0,02 мл н анализировали их на включение

Р-УТФ (расп/мин/0,02 мл). 10

В сущности в эксперименте с серийными переносами создается приближение к условиям «постоянных реакционных сил», или постоянной «общей организации».

Концентрации, которые были в исходной стандартной реакционной смеси, — по крайней мере, концентрации высокоэнергетических мономеров АТФ, УТФ, ГТФ и ЦТФ — восстанавливаются при каждом переносе, поэтому сродство реакций образования в среднем находится на постоянном уровне. Сокращение промежутков времени между отдельными переносами позволяет компенсировать растущую скорость репликации. Однако, как показывает рис. 25, в опыте Спигелмана все-таки был некоторый дрейф стационарного состояния. Он вызван в основном тем, что селекционные ограничения выбирались

%7 Зак, 605

интуитивно (что совершенно оправдано, поскольку эксперименты ставили с целью получить качественные результаты). Более строго заданные селекционные ограничения, обеспечивающие сохранение стационарного состояния при постоянных условиях, могут влиять на скорость эволюции; такие условия потребовались бы для количественных выводов.

Качественный вывод состоит в том, что система всегда благоприятствует виду, имеющему максимальную селективную ценность. В «райских» условиях экспериментов in vitro инфекционность является не условием, а помехой для быстрого воспроизведения. Этот пример ясно показывает, что, хотя селективная ценность всегда определяется параметрами скорости и узнавания $Ly Q и к), эти параметры могут резко меняться при изменении условий среды. В последующих работах С. Спигелман и сотрудники сообщили о выделении целого ряда мутантов, которые адаптировались к различным модификациям условий отбора in vitro. В число свойств, которые можно было встроить в эти «варианты», входит устойчивость к аналогам нормальных рибонуклеозидтрифосфа-тов или к таким ингибиторам, как этидийбромид. Оказалось возможным также производить отбор на виды с повышенным молекулярным весом, фиксируя фермент на мембране и благоприятствуя тем самым (длинным) цепям, которые лучше адсорбируются. Эксперименты с «голоданием» по одному из оснований, например цитозину, не дали мутантов, бедных этим основанием: фермент сумел приспособиться к изменившимся условиям и повысить эффективность включения цитозина. Все эти эксперименты свидетельствуют о колоссальной структурной и функциональной вариабельности и адаптивной способности одноцепочечных РНК и об их возможной роли на ранних стадиях эволюционного процесса.

§ VII. 3. Количественные исследования отбора

Важные данные можно получить из количественных экспериментов по эволюции. Хотя в этом направлении еще предстоит много работы, некоторую информацию можно извлечь из уже опубликованных данных.

«Селективное преимущество» всегда относится к воспроизведению всего вида или ансамбля. Если скорость воспроизведения зависит от длины цепи, то просто утрата ненужной информации, приводящая к укорочению цепи — без увеличения «характеристической» скорости воспроизведения (которая относится к отдельной единице),— уже может оказаться «селективным преимуществом». Однако в условиях насыщения, когда скорость также становится независимой от концентрации матрицы, такая зависимость от длины цепи исчезнет. Термин «насыщение» означает, что практически все молекулы

фермента Е связаны с матрицами /,-, т. е. ^хЕг. *» Хе .

k й 0

Такие условия явно обладают рядом преимуществ при кинетических исследованиях, и Спигелман использовал их в своих опытах. Если скорость воспроизведения не зависит от концентрации матриц, число матричных молекул (определяемое по включению 32Р) растет линейно во времени (рис. 26). Наличие периода индукции, заметного на рис. 26, указывает на различие в параметрах скорости и (или) связывания плюс- и минус-цепей. Если обозначить плюс- и минус-цепи /+ и /_ соответственно, а их концентрации х{ /х, , то кинетические уравнения для

условий, указанных в подписи к рис. 26, будут иметь следующий вид:

Xi — $F+Xei _,

i -Г x ' (VH- 1}

Xi_ — if -Xei + ,

где EI+ и EI- — комплексы фермент — матрица. Процедура, аналогичная выводу уравнения Михаэлиса—Мен-тен, приводит к выражению

XEI+ + *EI_ = XE0 1 + KJf_ + K_~Xl_ (VII. 2)

(EQ — суммарное количество свободного и связанного фермента).

К+ а К- — константы стабильности комплексов фермент— матрица или их аналоги для стационарного состояния. Если затравкой служили одни только плюс-цепи, то начальный наклон относится только к

V.7* к включению в минус-цепи:

«Начальный наклон» ~ @~-,Хе0. (VII. 3)

После накопления достаточно большого числа минус-цепей достигается постоянное «равновесное» отношение

Принимая, что или

*/+/*/+ (VI1, 4)

и используя уравнение (VII. 1), получаем

xijxi_= VK+r+fK-F- . (VII. 5)

или для конечного наклона, для тех условий, когда включается и в плюс- и в минус-цепи:

«Конечный наклон» ~ — ^—, —— .

(VII. б)

Последнее выражение при /С+ = /С- сводится к

а для = ss у к

(ср. с результатами § IV. 2, которые, однако, не относятся к ферментативному воспроизведению в области насыщения).

Из экспериментальных данных следует вывод, что плюс-цепь образуется быстрее, чем минус-цепь (каждая использует в качестве матрицы комплементарную цепь). Различие в наклонах можно объяснить различиями в значениях и К (а не только К). Если различие обусловлено только параметром скорости, то @~ + может быть в 100 раз больше, чем Для количественного расчета необходимы, однако, более подробные экспериментальные данные. Конечный «вариант» (после 74 переносов) имеет более высокую среднюю скорость образования. Конечный наклон возрастает в 2,6 раза (по сравнению с конечным наклоном исходной РНК фага Qp). Хотя имеются веские основания считать, что это изменение в основном обусловлено ростом параметров скорости, экспериментальные данные не позволяют точно вычислить отдельные и К. Уменьшение периода индукции может быть обусловлено как ростом скоростей, так и присутствием плюс- ? и минус-цепи в начальной фазе. (Отметим, что периода индукции не должно быть, если обе цепи с самого начала представлены в своем «уравновешенном» соотношении.) Имеющиеся в настоящее время данные нельзя считать достаточными для обоснования вывода, что увеличение наклона в 2,6 раза (это определенно означает увеличение средней скорости копирования отдельных единиц) означает 15-кратное увеличение скорости воспроизведения индивидуальных «вариантных» молекул РНК (по сравнению с исходной РНК фага Qp). Необходимо не только получить более детальные кинетические данные, но и доказать, что укорочение молекулы линейно связано с уменьшением времени ее полного воспроизведения, что маловероятно, если матрицу могут считывать одновременно несколько молекул фермента, и что должно зависеть также от концентраций. Тем не менее скорость воспроизведения отдельных молекул должна заметно расти, иначе включение 32Р — как показано на рис. 26 — не возрастало бы с числом переносов, несмотря на уменьшение времени инкубации в 4 раза.

Следует также подчеркнуть, что сделанные выше оценки относятся к самой простой модели взаимодействия фермент — матрица, предполагающей стационарное состояние, я были даны только для того, чтобы продемонстрировать возможности получения более полной информации — путем количественного исследования кинетики и механизмов.

Необходимо сделать еще одно замечание о механизме отбора. Основываясь на обсуждении в гл. II, можно было бы утверждать, что в об

страница 28
< 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
(13.11.2019)