Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул - Эйген М.
Скачать (прямая ссылка):
В генетике популяций, особенно в фундаментальных трудах великих школ Р. Фишера [28], Дж. Холдейна [29] и С. Райта [30], дарвиновский принцип получил математическую формулировку. Концепция «ценности», которая стоит за этим принципом, с трудом поддается объективной физической интерпретации, что вызвало необходимость в новой интерпретации, которая будет рассмотрена более подробно в конце книги (гл. VIII, § 5). Если мы хотим уничтожить разрыв между физикой и биологией, то необходимо разобраться в том, что такое «отбор» на языке точных молекулярных понятий, которые в конечном счете могут описываться квантовомеханической теорией. Мы должны вывести дарвиновский принцип из тех свойств материи, которые нам известны.
Чтобы приблизить понятие отбора к молекулярным свойствам и пояснить его смысл, рассмотрим несколько игр с белками и нуклеиновыми кислотами.
Для введения случайности воспользуемся игральными костями: икосаэдрической—для белков и тетраэдрической— для нуклеиновых кислот. Каждая грань кости будет соответствовать одной из двадцати природных аминокислот или одному из четырех нуклеотидов. Цель игры состоит в том, чтобы, бросая кость, получить заданную последовательность из v (например, 100) единиц: для нахождения каждого члена последовательности бросают кость и выпавшую цифру ставят на соответствующее место; если получившаяся последовательность не совпадает с нужной, весь процесс повторяют с самого начала.
Без какого-либо дополнительного правила отбора эта игра покажется довольно однообразной. Кроме тех случаев, когда v относительно мало, она тянулась бы
почти бесконечно. Мы уже видели, что для молекул белка, состоящих из 100 аминокислотных остатков, имеется примерно 10130 различных аминокислотных последовательностей, и нам пришлось* бы бросать кость соответствующее число раз, чтобы получить заданную последовательность. Это просто еще один пример, иллюстрирующий вывод Вигнера о том, что ни одна белковая молекула с заданной структурой (и функцией) не могла бы возникнуть в результате случайной сборки.
Очень простая модификация правил позволит нам кончить игру за относительно короткое время. Введем отбор, придавая каждому правильно заполненному месту некое «селективное преимущество». В предельном случае это означало бы, что правильно заполненные места дальше в игре не участвуют. Поскольку в любой случайной полипептидной последовательности (в среднем) Л^/20 положений заняты правильными буквами, мы видим, что теперь для получения нужной последовательности будет достаточно в среднем 20 (N — Л^/20) = 19jV бросаний (т. е. 1900 при N = 100). Флуктуации достаточно велики, чтобы у каждого игрока были равные шансы на выигрыш. Игра все еще остается довольно скучной — единственным источником азарта мог бы быть выигрыш, — но мы ясно видим действие жесткого отбора на процесс проб и ошибок. Для получения правильной последовательности требуется примерно в 20 раз большее число проб, нежели в случае полностью инструктированной сборки.
Конечно, природа играет в гораздо более изощренные игры. «Селективное преимущество» обычно не является свойством отдельного аминокислотного или нуклеотидного остатка, кроме того, оно не является независимым от состояния других положений в цепи. Эти взаимосвязи делают игру более интересной, но они требуют большего числа «ходов» и определенных стратегий. Все еще довольно простой пример такой «стратегической» игры, на этот раз с нуклеиновыми кислотами, представлен в табл. 4. Этот пример показывает, почему при сборке тРНК природа предпочла в качестве вторичной структуры, конфигурацию «клеверного листа-»
(рис. 2). В случае нуклеиновых кислот «преимущество» обычно каким-то образом связано с наличием или отсутствием комплементарных пар оснований. В метаболизме нуклеиновых кислот комплементарность сильно
^он
ц
Ц
А
ФГ — Ц Г — Ц Г — У Ц — Г
г — ц
У У
г— ц
У А ГГЦ Ц у У
Н-у ГД У Гц ГЦГ I I I I I Г
гц ММ УЦЦГГТ1}/Ц
Г г у д Г Ц Г Ц
Нг wr_r/)r
У — л
а —г и— г и— г У Ф
У и-сн,
И г и
Рис. 2. «Клеверный лист» — модель тРНК-
Дана последовательность нуклеотидов аланнноспецифичной тРНК из дрожжей (см. [5]). Необычные основания: ф —псевдоуридин, И —инозин. Н2 —У —ди-гидроуриднн, T —риботимидин, СНа—Г—1-метилгуанозии, (CHS)2 — Г — днметил-гуанознн, СН,—И-1-метилинозин. Антикодон: 5' ИГЦ 3' (тРНК). Кодон (ГЦЦ) читается как V ЦЦГ Ь' (мРНК).
влияет как на скорость синтеза, так и на скорость распада (см. гл. IV). В случае белков каталитические и регуляторные функции, зависящие от пространственной, т. е. третичной или четвертичной структуры, гораздо труднее связать с первичной структурой (последовательностью аминокислот). Все сведения, которыми мы располагаем относительно связи между структурой и функцией белков, получены в экспериментах лишь с очень немногими ферментами, детально изученными к настоящему времени (ср. [31]).
