Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983, страница 3

Но любая дальнейшая попытка понять «каку» была бы тщетной. Случайность нельзя свести ни н чему, кроме' случай. ности. Однако то, что нам известно о молекулярной тонкой структуре даже простейших существующих ныне клеток, никак не свидетельствует в пользу такого объяснения. Закономерности строения этой очень сложной структуры не оставляют сомнения в том, что первая живая клетка скорее всего сама была продуктом длительного процесса эволюции, который' должен был состоять из многих отдельных — но не обязательно экстраординарных — этапов.

В частно- сти, генетический код можно представить как результат такого многошагового процесса эволюции [2], который, по-видимому, начался с однозначного кодирования лишь немногих из наиболее распространенных в первичных условиях аминокислот [3]. Хотя в коде не удается усмотреть совершенной логической структуры в отношении всех окончательных соответствий, он далек от случайного, и невольно приходит в голову мысль, что здесь «сработал» какой-то оптимизационный принцип. Его можно назвать принципом наименьшего изменения, потому что структура кода такова, что на уровне аминокислот последствия точечных мутаций сводятся к минимальным изменениям.

Избыточные кодоны, т, е, триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, расположены в соседних положениях таблицы кода, а кодоны для аминокислот, сходных по своим физико-химическим свойствам, обычно различаются только по одному из трех положений, как правило, первому или третьему. Чтобы такая оптимизация могла произойти в процессе эволюции, требуется испытание многих возможностей путем проб и ошибок, в том числе целого ряда вырожденных вариантов кодирования, Итак, доклеточная эволюция характеризовалась, вероятно, такой же степенью ветвления, какую мы находим на уровне видов, если только она управлялась тем же дарвиновским механизмом естественного отбора.

Однако нам не известны никакие варианты генетического кода, даже если рассматривать его тонкую структуру. С одной стороны, было бы совершенно неудовлетворительным допущение, что оптимальные кодовые соответствия возникли по простой случайности, которая произошла всего однажды и как раз в нужный момент времени, не допуская никаких альтернатив, которые несомненно привели бы к ветвлению кода на варианты с различной тонкой структурой. С другой стороны, столь же невероятным было бы допущение, что исторический путь доклеточной эволюции был однозначно задан детерминированцыми физическими событиями, 18 1и Что такое гинзрцинлр ь н~~ Часть А.

Возникновение ги~ерцинла Результаты наших исследований заставляют полагать, что дарвиновской эволюции видов предшествовал аналогичный многоэтапный процесс молекулярной эволюции, который привел к созданиюуникального аппарата клетки, использующей универсальный код. Этот код окончательно установился не потому, что он был единственно возможным, а потому, что здесь работал своеобразный механизм отбора «раз и навсегда», причем этот процесс мог начаться с любых кодовых соответствий. Отбор «раз и навсегда» является следствием гиперциклической организации [4]. Тщательный анализ механизмов воспроизведения макромолекул позволяет думать, что наличие каталитических гиперциклов — это минимальное требование для возникновения макромолекулярной организации, способной накапливать, сохранять и обрабатывать генетическую информацию.

1!. Что такое гиперцикл? Рассмотрим последовательность реакций, в которой на каждом этапе продукты — с участием дополнительных реагентов или без них — подвергаются дальнейшим превращениям. Если в такой последовательности какой-либо из продуктов идентичен исходному реагенту какой-либо предшествующей стадии, то такая система подобна реакционному циклу, а цикл в целом — катализатору. В простейшем случае катализатор — это отдельная молекула, например фермент, превращающий субстрат в продукт; Е 3 — Р. Механизм; который стоит за этой формальной схемой, требует по меньшей мере трехчленного цикла (рнс. 1). Более сложные реакционные циклы, выполняющие фундаментальные каталитические функции, показаны на рис.

2 и 3. Цикл Бете — Вайцзекера [5] (рис. 2) вносит существенный вклад в поддержание высокой скорости высвобождения энергии в 'массивных звездах. Он, если можно так сказать, заствв- ляет Солнце светить и, следовательно, является одной из наиболее важных внешних предпосылок существования жизни на Земле. Не меньшее значение, по-видимому, имеет цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты [6], изобрахсрнный на рис. 3, хотя он касается внутреннего механизма живого. Этот цикл реакций опосредует и регулирует метаболизм углеводов и жирных кислот в живой клетке и выполняет также важные функции в анаболических (биосинте- Рпс.

!. Общий мехзппзм фермептзтпвпого катализа по Мнхвзлису — Мептея. В этом процессе участвуют по меньшей мере трк ввтермедпзтз: свободный фермент (Е), комплекс фермевт— субстрат (ЕБ) в комплекс фермент — продукт (ЕР). Схема поквзывзет, что кзтзлнткческое действие фермента эквнвэлептво циклическому васпрокзведевню вптермедвзтов прк преврэщевкп субстрата (8) в продукт (Р). Впрочем, окз дает. лишь формзльвое предстзвлевпе истинного пронесся, который может включать в себя мвогоступеячэтую активацию субстрата н ппдуцнровввпые копформэцкопвые изменения фермента. Рнс. 2. Углеродный цккл, предложенный Бете и фоп Взйцзекером, ответствен — по крайней мере частично — ээ высвобождепке энергии в мзссвввых звездвх.

Его компоненты — 'зС, 'зИ, |гС, мм, ~зо и 1ь)Ч вЂ” постояяяо воспроизводятся в ходе резкцпоквого цикле. Цнклвческзя схема в целом представляет собой квтзлпзвтор, который превращает четыре атома 'Н в один атом 'Не с высвобожденпем энергии в виде у-кввятов, позитронов (е+) и нейтрино (т). Часть Л. Возникновение гилеряикла П. Что такое гилгряиклр ~Мам»,Е т в Рнс. 3. Цикл трнкарбоновых кислот, нлп цнкл лимонной кисло. ты,— это общий каталитический аппарат биологического окнслення «топлнвных» молекул.

Полная схема цикла была предложена Кребсом, важный вклад в ее построение был внесен также Сент-Дьердя, Марцнусом н Кнопом. Основные компоненты цнкла: цптрат (С), цис-акопптат (А), нзоцнтрат (!), а-кетоглутарат (К), сукцнннл-СоА (5'), сукцннат (3), фумарат (Р), 1-малат (М) н оксалоацетат (О). Ацетат вступает в цикл в актнвнрованной форме в виде ацетнл-СоА (этап 1) н реагирует с окса.

лоацетатом и НзО с образованем цнтрата (С) н СоА (+Н+). Во всех превращениях участвуют ферменты н такие кофакторы, как СоА (этапы 1, 5, 6), Рез+ (этапы 2, 3), НАР+ (этапы 4, 5,9), ТПФ, лнпоевая кйслота (этап 5) н РАР (этап 7). На схеме не показаны дополннтельные реагенты: Н«О (этапы 1, 3, 8), Р, н ОРР (этап 6) н продукты реакций — Н«О (этап 2), Н+ (этапы 1, 9) н ОТР (этап 6).

В результате всех реакцнй цикла про. всходят полное окисление двух ацетнльных углеродов до СО« (н Н,О). За одни оборот цикла генернруется 12 макроэргнческнх фосфатных связей, причем одна нз ннх образуется в самом цикле (ЙТР, этап 6), а 1! — в результате окисления МАРН н РАРН« [трп пары электронов переносятся к НАР«(этапы4,5,9) н одна пара — к РАР (этап 7)). УВ: Хотя цикл в целом функцноннрует как каталнзатор благодаря воспроизведению ннтермеднатов, он ве похож на каталитический цикл, изображенный на рнс. 4.

Несмотря на то что каждый этап цикла каталнзнруется ферментом, нн один нз этнх ферментов не образуется в самом цикле, СоА — кофермент А, НАР— ннкотннамндаденнндннуклеотнд, ОТР— гуанозннтрнфосфат, РАР— флавннаденпндннуклеотнд, ТПФ вЂ” тнампнпнрофосфат. ОРР— гуанозннднфосфат, Р, — фосфат пеорганпческнй. тических) процессах. В обеих схемах высокоэнергетическое вещество превращается в продукты, бедные энергией, при сохранении, т. е. циклическом воспроизведении существенных промежуточных продуктов. Оба цикла были предложены примерно в одно и то же время (1937 — 1938 гг.), хотя между ними нет никакой причинной связи. Однонаправленность циклического воспроизведения интермедиатов, конечно, предполагает, что система находится в состоянии, далеком от равновесия, и всегда связана с расходованием энепгии, часть которой диссипирует в окружающую среду.

С другой стороны, установление равновесия в замкнутой системе приведет к тому, что все стадии будут находиться в состоянии детального равновесия. Каталитическое действие в такой замкнутой системе будет микроскопически обратимо, т. е. оно будет происходить с равной эффективностью в обоих направлениях. Теперь, пользуясь простой итерацией, построим иерархии реакционных циклов и зададим их частные свойства. Это означает, что на следующем этапе мы рассматриваем реакционный цикл, в котором по меньшей мере один, но, возможно, и все интермедиаты сами являются катализаторами.

Отметим, чтоэти интермедиаты, будучи катализаторами, теперь остаются неизменными во время реакции. Каждый из них образуется из потока высокоэнергетического строительного материала с использованием каталитической поддержки от предшествующего интермедиата (рнс. 4). При большом числе интермедиатов такая система становится очень сложной по составу и поэтому вряд ли может встретиться в природе. Самым известным примером является четырехчлениый цикл, связанный с матричной репликацией молекулы РНК (рис.

5). Такого рода механизм исследовался!и уйго: использовали реакционную среду, содержащую нуклеозидтрифосфаты четырех типов в качестве высокоэнергетических строительных материалов, а также фаговую репликазу, которая играла роль постоянного фактора среды (7, 8] (более детальное описание дано Кюпперсом [9]). Каждая из двух цепей действует как матрица, инструктирующая синтез своей комплементарной копии,— как при фотографической реп одукции. ростейшим представителем этой категории реакционных систем является отдельный автокатализатор П.