Возникновение биологической организации - Кастлер Г.
Скачать (прямая ссылка):
Сказанное выше совпадает с одним из слабых результатов основной теоремы теории информации. В ней содержатся и более сильные утверждения, согласно которым двусмысленность фактически становится равной нулю (а не приближается к нему), но они требуют трудоемких операций и доказательств, что выходит за рамки интересующих нас здесь проблем [29].
СИГНАТУРА ФЕРМЕНТОВ
Требования, определяемые функцией. В действии любого фермента следует различать образование комплекса с субстратом (одним или несколькими) и собственно катализ реакции. Распознавание субстрата и химиче-
ское действие могут определяться различными «активными центрами», занимающими соответствующее положение в пространстве. Если данный фермент связывает два субстрата, то распознавание последних может обеспечиваться двумя такими центрами, причем катализируемая ферментом реакция начинает идти, как только субстраты окажутся в надлежащем положении по отношению друг к другу. Число подлежащих распознаванию субстратов в какой-либо данной клетке варьирует от нескольких сотен до, вероятно, нескольких тысяч; число различных каталитических механизмов лишь немногим превышает один десяток. Такие условия могли бы в принципе удовлетворяться одной-тремя аминокислотами (в случае одной аминокислоты допускается выбор одного из 20, в случае двух — выбор одного примерно из 400, в случае трех — выбор одного примерно из 8000).
Однако ферменты построены из строительных блоков, размеры которых велики по сравнению с размерами активного центра, а число стабильных геометрических конфигураций смежных блоков весьма ограниченно. Это определяет своего рода «шум квантования», что требует увеличения числа аминокислот в расчете на один активный центр. Если считать, что диаметр активного центра не превышает 15А, то получим, что на нем может поместиться не больше трех или в крайнем случае четырех аминокислот. Однако добавочные аминокислоты могут влиять на распределение зарядов, на конфигурации и на легкость, с которой конфигурации могут изменяться. Вообще говоря, эти добавочные аминокислоты не играют столь специфической роли, как аминокислоты, образующие активный центр; например, в качестве добавочных аминокислот глутаминовую и аспарагиновую кислоты можно считать взаимозаменяемыми. Аминокислоты, ответственные за данную функцию, составляют сигнатуру соответствующего фермента. Они могут группироваться друг подле друга, образуя первичную последовательность, но могут также быть рассеяны по всей молекуле и локализоваться в участках, сближенных в силу наличия третичной структуры. Положения на первичной цепочке, занятые соответствующими аминокислотами, образуют упорядоченную совокупность, или набор.
Сигнатуры фермента как п-наборы. Для определенности рассмотрим набор аминокислот, ответственный за активность химотрипсина. Последний содержит в качестве наиболее существенных компонентов остаток сери-на и остаток гистидина, которые находятся в разных цепочках, т. е. на сравнительно большом расстоянии друг от друга в первичной последовательности. По-видимому, остатки метионина и глутаминовой кислоты, расположенные близ серина, играют следующую по важности роль — окисление сульфгидрильной группы метионина приводит к уменьшению активности и заряд глутаминовой кислоты также определенным образом влияет на активность. Отсюда можно заключить, что эти два члена аминокислотного набора заданы не так строго; вероятно, остаток глутаминовой кислоты можно заменить остатком аспарагина или, быть может, какой-то нейтральной аминокислотой. Должно выполняться также условие обеспечения требуемой третичной структуры (одним или несколькими дисульфидными мостиками близ активных центров), условие, исключающее возможность стерических препятствий или возникновение сильных неподходящих зарядов близ активных центров, и т. д.
По самой предварительной оценке специфичность химотрипсина определяется набором из 20 аминокислот; возможно, однако, что на самом деле в этот набор входит 242 аминокислоты. Различие это не так велико, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что только несколько членов м-набора (независимо от того, равно ли п 20 или 242) должно быть задано однозначно; роль некоторых его членов могут играть с равным успехом две аминокислоты, роль других — десять, а третьих — даже пятнадцать. Следовательно, может существовать много наборов, обладающих активностью химотрипсина. Общую специфичность такого набора, обусловленную неравными вкладами отдельных его членов, легко рассчитать методами теории информации.
Пусть R — общее число различных аминокислот, входящих в состав данного фермента (например, 20); допустим в первом приближении, что для каждой аминокислоты априорная вероятность ее нахождения в любом положении на первичной цепочке одинакова. Пусть, кроме
того, щ — число положений в наборе, которые должны быть заданы единственным способом (однозначно), п%— число положений, в которых с одинаковым успехом может находиться любая из двух определенных аминокислот, и т. д. Тогда количество информации, содержащееся в данном наборе из 20 аминокислот и, следовательно,
