ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ПОЛИНУКЛЕОТИДНЫЕ И ПОЛИПЕПТИДНЫЕ СИСТЕМЫ

Экспериментально установлено матричное автокопирование полирибоадениловой кислоты при низких рН, а также автоко­пирование полирибоцитидиловой кислоты. Представим себе ав­токопирование нуклеиновой кислоты с X разных нуклеотидов. Считая узнавание равновесным, имеем

Вероятность пары И пцКц

У1 Сумма вероятностей для всех пар * '

L т! КЧ

1-і

Где Kik — ехр(—&GiJRT)— константы равновесия, — сво­бодные энергии.

В природе, однако, происходит не автокопирование, но ком­плементарное копирование нуклеиновых кислот. В этом случае система описывается чередованием плюс - и минус-копий -|-і и —і. Отбор происходит среди коллективов ±г, представляемых циклами

-і

Теория в принципе не изменяется. В этом случае существенно, что даже при большом избытке одного мономера система долж­на накопить по меньшей мере два разных мономера, которые затем встречаются у отобранного вида в почти равных количе­ствах. Вследствие копирования ошибок система всегда образует смешанные последовательности. Это служит предпосылкой для возникновения любого кода, который может приобрести «смысл», если каждая из смешанных последовательностей дает селектив­ное преимущество для самовоспроизведения.

Однако неферментативное узнавание не является вполне точ­ным, значения AGih порядка 3 ккал/моль и факторы q не пре­вышают 0,99 (ср. стр. 488). Соответственно, воспроизводимое образование нуклеотидных цепей возможно лишь для относи­тельно коротких последовательностей, содержащих не более 30—100 звеньев —для q = 0,99 и v = 100, Q = Це. Отсюда Эй­ген делает вывод о невозможности достижения уровня само­организации, необходимого для согласованного фукционирова - ния, путем неферментативного матричного синтеза полинукле - отидов.

Эта аргументация, однако, недостаточна [47]. И. М. Лифшиц обратил внимание на то, что теория Эйгена не учитывает одного важного обстоятельства. Селективная ценность, выражаемая кинетическим параметром Wu не однозначно коррелирует с пер­вичной структурой цепи. В цепи могут возникать мутации и мат­ричный синтез может происходить с ошибками без того, чтобы параметр Wi изменился. Матричная редупликация основана на узнавании отдельных единиц и их ближайших соседей. Таким образом, например, двойная мутационная замена

... CABBD... CACBD... ... CACBD... CABBD...

Не должна сказываться на значении Wi, т. е. на скорости син­теза цепи как целого.

Двойная мутация, конечно, маловероятна. Единичная замена звена меняет Wiy но при большом числе звеньев v это измене­ние очень мало. Относительное изменение скорости матричного синтеза при замене одного звена имеет порядок величины v-1. Допустим, что в результате замены Wi увеличилась на соответ­ствующую малую величину. Селекция требует времени. Если за время преимущественного выживания главных копий появится вторая мутация, возвращающая Wi к прежнему значению, то но­вая главная копия не возникает. Следовательно, селективная ценность Wі не выражает ценности информации в случае про­стой или комплементарной репродукции.

Как бы ни были малы вероятности мутаций и ошибок реду­пликации, через достаточное время в системе будут накапли­ваться цепи, вырожденные по значению Wm, но разнящиеся пер­вичной структурой. Если цепи достаточно длинны, то число та­ких вырожденных макромолекул станет очень большим. В ко­нечном счете наиболее вероятному состоянию системы будет соответствовать максимальное разнообразие первичных струк­тур цепей с одинаковыми значениями Wm. Селекционное равно­весие не только неустойчиво, но неизбежно должно вырож­даться. Вслед за стадией селекции, строго рассмотренной Эйге - ном, наступит стадия релаксации к вырожденному состоянию. Тем самым система будет не эволюционировать, но деградиро­вать. Селекция на первой стадии еще не означает эволюции.

Для эволюционного добиологического развития необходима автокаталитическая система, использующая информацию цепи, т. е. репродуцируемая путем узнавания не отдельных единиц, но всей первичной структуры. Такая система также рассмотрена Эйгеном.

Полипептидные цепи, белки, также могут, в принципе, обра­зовать самоннструктируемые системы. Белки характеризуются значительно большей точностью узнавания определенных суб­стратов благодаря наличию пространственной структуры и зна­чительно большим объемом информации. Показано, что полный синтез полипептида, например грамицидина S, представляющего собой циклический декапептид, возможен с помощью одного фермента, без участия нуклеиновых кислот [48]. Фермент функ­ционирует как белковая матрица, соединяя активированные АТФ аминокислоты в точную последовательность О-Фен-Ь-Про-Ь-Вал-Ь-Орн-Ь-Лей

(Орн — орнитил), которая остается прикрепленной к ферменту, пока два законченных пентапептида не соединятся с образова­нием циклической молекулы грамицидина S. Однако для само­воспроизведения белка требуется ряд других белков-ферментов. Например, если фермент узнает последовательность из 5 амино­кислот, то для синтеза цепи с 80 пептидными связями требуется не менее 5 ферментов

5 —> 10 —■» 20 40 —> 80 .

Чем больше ферментов в такой цепи, тем больше вероятность образования замкнутого автокаталитического цикла. Независи­мые циклы ведут себя как самоинструктируемые или компле­ментарные коллективы. Они могут быть взаимозависимы вслед­ствие полифункциональности ферментов — в этом случае ото­бранный вид с максимальной Wm несет за собой все связанные с ним ветви и циклы. Разветвление циклов означает бесполез­ный для саморепродукции балласт, пони - г жающий Wi. Наиболее существенное пре - — , пятствие саморепродукции ферментных циклов состоит в том, что способность уз - Т \ навания является свойством не любых, a / т^ \Е, лишь уникальных цепей, и обусловлена ред - j 3 j ким совпадением специальных функцио - \ч —'' / нальных свойств различных белков. Поэто - му белки, катализирующие свою репродук - ' цию в специфических циклах, неспособны Рис-9-2- Репродукция репродуцировать мутантные цепи, даже ТиГ^ско^ГиклГ" дающие преимущества. На рис. 9.2 изобра­жен цикл, оставшийся в результате отбора. Пусть Е[ — му­тант. Для эволюции недостаточно того, что — лучший ката­лизатор, чем Е\, так как он по-прежнему будет репродуциро­вать £2, . ..,£■„ и приведет снова к Еь а не к Е[. Для повыше­ния селективной ценности цикл должен испытать ряд специфи­ческих мутаций Е^-*Е[, Е2-+Е'2> ..., Еп->Е'п, т. е. образовать новый цикл. Вероятность такого события ничтожно мала. Си­стема не может использовать селективные преимущества, бу­дучи нагружена слишком большим количеством информации, имеющей малую селективную ценность.

Из приведенных рассуждений следует, что ни нуклеиновые кислоты, ни белки сами по себе не могут обеспечить самоорга­низацию. Эйген считает необходимым для этого комбинацию свойства инструктируемой комплементарной репродукции ну­клеиновых кислот с большой информационной емкостью белков, т. е. гиперцикл, содержащий оба типа информационных макро­молекул.

Рассмотрим самоинструктируемый каталитический гиперцикл (рис. 9.3) и перечислим его свойства:

Каждый гиперцикл способен к автокаталитическому росту.

Независимые циклы конкурируют и подвергаются от­бору.

Вследствие нелинейности отбор очень жесткий.

Система способна использовать малые селективные пре­имущества и быстро эволюционировать.

Реплицируемая длина отдельной кодирующей единицы должна быть достаточно мала, чтобы обеспечить воспроизводи­мость.

Генотипические мутации, т. е. изменения в /г, могут не­медленно использоваться ферментом £г_ь

При конкуренции нуклеиново-белковых гиперциклов не дол­жна возникать деградация, описанная на стр. 494. В гиперцикле

Используется ценность информа­ции цепи РНК или ее участка, так как она определяется спо­собностью программировать син­тез белковой цепи Ei.

Модельные количественные расчеты проведенные с помощью ЭВМ (см. [44]), подтверждают эти положения.

Очевидно, что гиперцикл воз­можен лишь при наличии нуклео- тидно-аминокислотного кода. Во­прос о том, как этот код возник, требует специального рассмотре­ния. Современный код обладает высокой помехоустойчивостью по отношению к мутациям, сильно искажающим биологически функ­циональную пространственную структуру (см. [7], § 9.7). Код универсален. Маловероятно, что он развился из предшествую­щего синглетного или дублет­ного кода. Изменение величины кодона повлекло бы за собой полную потерю ранее накоплен­ной информации [49]. Наиболее существен центральный нуклео - тид кодона. Восемь кодонов, содержащих А и У, отвечают го­раздо большему разнообразию аминокислот, чем восемь кодо­нов, содержащих Г и Ц.

Смысл узнавания аминокислоты тРНК, несущей антикодон, до сих пор не ясен. Несомненно, что в этом узнавании суще­ственную роль играет фермент аминоацил — тРНК-синтетаза. Эйген ставит законный вопрос: «если специфические взаимодей­ствия отсутствуют, то не могло ли однозначное кодовое соот­ветствие появиться из случайных комбинаций аминокислот с ан - тикодонами?» [44].

Допустим, что имеется % единиц аминокислоты а, Ь, с

Рис. 9.3. Самоинструктируемый каталитический гиперцикл.

/у — носители информации, т. е. ±/-цик­лы РНК; Ej — ферменты, кодируемые/у и катализирующие образование носи­теля /у|; Еj, Ej и т. д.—-ферменты, катализирующие паразитные процессы.

Которым соответствуют кодоны А, В, С. . ., соединяющиеся с а, Ь,с... при посредстве комплементарных адаптеров

А\ В', С'... Имеется X2 таких соответствий, например, при Х=2 аА, аВ, ЬА, ЬВ (если все соответствия равновероятны). Рассмо­трим элемент объема, в котором имеется X таких соответствий. Вероятность найти данный набор соответствий обратно пропор­циональна числу всех возможных наборов, равному числу всех сочетаний с повторениями из X2 элементов по X

/ X2 + X - 1 \

Я. У

Среди всех соответствий имеется АЛ уникальных, т. е. таких, в которых данная аминокислота соответствует только одному кодону и наоборот. Вероятность р существования элемента объема, в котором имеется какое-либо уникальное соответствие, равна

ЯІ _ (Я1)2(Я2-1)1 А (Я2 + Я- 1)! •

В таком элементе объема может начаться трансляция нуклео- тидных последовательностей в аминокислотные. Чтобы этот про­цесс стабилизовался, среди нуклеотидных последовательностей должны иметься такие, которые усиливают использование того же кода после трансляции. Должен возникнуть самоусиливаю­щийся гиперцикл. При близости концентраций случайных нук­леотидных последовательностей и концентраций случайных по­липептидов вероятность р' нахождения определенного набора нуклеотидов также обратно пропорциональна со. Совместная ве­роятность равна приближенно

(ЯІ)3 [(Я2 — 1)1]2 . р ~ [(Я2 + Я — 1)1]2 •

При X — 4 имеем р'= 1,6- Ю-6, при X = 8 получим р'= 4- Ю-16. Конечно, эта формула дает лишь грубую оценку.

Как показывают опыты Фокса [38, 39], данная функция белка может реализоваться большим числом разных полипептидных последовательностей. Вероятность совпадения функций, а не последовательностей, оказывается более высокой.

Система восьмибуквенного кода, построенного из А и У, обеспечивает отбор восьми аминокислот, что достаточно для широкой функциональности белков. Возможно, что современный код начался со случайной флуктуации — код является след­ствием нелинейной конкуренции, обеспечивающей его универ­сальность.

Эйген сравнил свою теорию с результатами опытов Шпигель- мана по эволюции в пробирке [50—52]. Qp-фаг использует для своего размножения специфический фермент Qp-репликазу, уз­нающий только РНК этого фага. Qp-репликаза и активированные мономеры, нуклеозидтрифосфаты помещались в пробирку, в которую в качестве затравки, матрицы, вводилось малое ко-^ личество Qp-PHK. Происходил матричный репликационный син­тез РНК. Малая доля синтезированной РНК переносилась в ка« честве матрицы в следующую пробирку, содержащую репликазу и мономеры, и т. д. При этом постепенно уменьшалось время ин­кубации реакционной смеси. Тем самым отбирались лишь те цепи РНК, которые быстрее всего реплицируются. Утрата спо­собности воспроизводить Qp-фаг, т. е. утрата инфекционности, происходила уже после четвертого переноса.. Матричный синтез РНК, однако, продолжался, и после 80 переносов получались молекулы РНК, утратившие до 85% своих исходных звеньев, но по-прежнему взаимодействующие с репликазой. Ферментатив­ный матричный синтез РНК использует ценность информации, содержащейся не менее чем в 15% исходной цепи. Теория Эй- гена дает прекрасное количественное описание этих эволюцион­ных опытов [43, 44].

Какова дальнейшая судьба случайно возникших и далее под­вергающихся естественному отбору нуклеиново-полипептидных гиперциклов? В такой системе отбор происходит против пара­зитных цепей, если селективные ценности последних меньше, чем у членов цикла. Паразитные цепи с высокими селективными ценностями не дадут возможности циклу пройти стадию нуклеа - ции, если они имеются с самого начала. Напротив, если эти ветви возникли после нуклеации, то они не имеют шансов расти вследствие нелинейности селекционного поведения. С гиперцик­лом могут сосуществовать лишь ветви, селективные ценности которых такие же, как для гиперцикла. Точное совпадение воз­можно лишь, если ветвь и кодирующий участок U внутри цикла используют один и тот же промотор, локализованный в £г_і. Отсюда следует генная и регуляторная структура кодовой си­стемы.

После нуклеации гиперцикл должен пространственно обосо­биться от среды. Компартментализация необходима для исполь­зования функциональных ветвей, возникших вследствие мута­ций. Компартментализованная система может «индивидуализи­роваться» путем соединения своих кодирующих единиц в единую цепь и воспроизводить всю эту цепь. В такой цепи, ко­торая при участии лигаз будет циклической, гены, происхо­дящие от данной единицы /г-, локализуются в соседних поло­жениях.

Эти свойства гиперциклов означают, в сущности, переход к клетке — к следующей стадии эволюции (см. далее).

Ряд поучительных модельных расчетов, основанных на тео­рии Эйгена, проведен Эбелингом [89] (см. также [170]).