Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул - Эйген М.
Скачать (прямая ссылка):
§ 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 поли-
1 г
Рис. 9. «Некомплементарные» комбинации оснований.
меризующего фермента. С другой стороны, существует возможность того, что эволюция началась с двухбуквенного 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 Н20 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
СС14 У А Ц Г
с6не\
У \45 550 < 50 <103
15ЧЧч
А 150 \ 22 <50 <103
Ц <28 <28 "V 50 > 10*
28
Г < 1,2 • Ю3 <1,2- 103 3 • Ю4 \>~103
1,2
tfass [М-1] 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.
