Фолсом - Происхождение жизни - 1982 (947300), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Многие эксперименты, в которых проводили полимеризацию аминокислот и нуклеиновых кислот в первичных условиях, подтверждают это общее положение. Если первичные полимеры были такими небольшими, то как они функционировали3 Каталитический активный центр фермента почти всегда имеет небольшое число аминокислотных остатков. Остальная часть крупной биомолекулы нужна длл контроля, стабилизации, достижения специ- гкнетическив АппАРАт пготоклктки 423 фических ввутриклеточвых центров, т.
е. оыа служит носителем свойств, важыа1х для целостного коытроля, но не для катализа отдельной реакции. В соответствии с этим мы можем несколько снизить масштабность проблемы ы ограничиться рассмотрением синтеза небольших специфических пептидов и олигонуклеотидов. Нам ые потребуются также ни высокоразвитые ферменты, ыи особые поверхности глин. Для объяснения возникновения генетической и белоксиытезирующей систем на самом простейшем уровне ыам понадобится только рассмотреть взаимодействия коротких полиыуклеотидов двух типов, необходимых для изготовления короткого пептида. Для ыачала допустим наличие ыеболыыой генераторной РНК, которая выполняет как генетическую, так и матричную роль, а также небольшого семейства прото-тРНК.
Как могла бы работать такал система? Рассмотрим отдельно генетический и белоксинтезнрующпй аспекты этой первичной системы. Представьте себе протоклетку, содержащую группу полиыуклеотидов длиыой около 12 мовомеров (додекамер). В некоторых случаях это могли быть линейные молекулы, но, поскольку предшествеыники полинуклеотндов находились в большом разведении и попадались нечасто, вероятнее всего, додекамер замыкался по типу голова-кхвосту с образованием маленькой кольцевой молекулы (это можно показать в лаборатории).
Кольцевые формы полинуклеотидов химически более устойчивы, чем линейные, поскольку в них нет ни свободных гидроксильных групп, ыи свободыых фосфатных групп, доступных для случайного разрушения. Основания кольцевой молекулы свободны в могут спарываться со свободными ыуклеотндами согласью правилам спаривания оснований. Медленно и с ошибками ыа этой кольцевой генераторной молекуле все же возможно образование копий комплементарного полимера без участия фермента. Однако таь же, как это происходит в некоторых современных бактериальных системах, синтез комплемептарной копии может продолжаться и за точкой инициации, и тогда образуется молекула более длинная, чем исходная. Не исключено также, что репликация может случайным образом начинаться в любой точке кольца.
Поэтому $24 ГЛАВА !0 последовательности комплементарных копий являются результатом ггиклических перестановок генераторной последовательности. лрмеямяюдаяся ряпяикация со смРмвмсз яюмяи имскяации Ргпяекацаь пю мсмо „камяиммкя лмьци" с йясс яьн сдйим европам м Мюяинньм муяьмцюсри йИекамгрц Заме!каны ловца Рис. 10Л. Возможные продукты реплвкадии примитивного додеизиювлеотида.
Таким путем могут синтезироваться комплемептарные копии небольших кольцевых генераторов, а также большие и малые линейные молекулы. Схема этапов первичной репликацип представлена на рис. 10.1. Поскольку копирование могло начинаться в любой точке маленького двепадцатичлепного генератора, линейные молекулы представляют собой результат случайных циклических перестановок !!автори!еще!!си генераторпой последовательности. гвнитичискив АппАРАт пготоклитки 125 Допустим, что цшглические комплечеытарыые копии выполняли функции мРПК, а циклический генератор— генетическую функцию.
Небольшие (а затем ы более крупные) олигоыуклеотыдыые фрагменты, получепные в реаультате перестановок, служили тем набором, из которого могли отбираться первичные тРПК. На этой стадии возникает основная трудность. У ныне существующих тРНК подбор правильной аминокислоты, согласно ее антпкодону, осуществляется крупными высокооргаыизоваыыымы белками. Каким образом в первичной системе достигался правильный подбор без этих ферментов? Ниже мы обсудим ряд предположений, которые по своему характеру противоречат нашему принципу не обсуждать вероятность исторических случайыостей. Прежде чем преодолеть згу трудность, остановимся на некоторых исходных положениях.
В настоящее время в сиытезе белков используются двадцать с лишним аминокислот, которые подразделяются на четыре группы: основные, содержащие больше аминогрупп, чем карбоксильных групп, например лизин; кислые, содержащие больше .карбоксильыых групп, чем амиыогрупп, ыапример аспарагиыовая кислота; иеполярные, содержащие углеродный скелет с единственной амино- и карбоксильной группой, например лейцип; и полярные, имеющие дополнительные гидроксильыые группы, например серии. Небольшие первичные пептиды, имевшие слабую каталитическую активность, могли без особой потери функции взаимодействовать с любой из аминокислот, принадлежащих к одной и той иге группе. Итак, ыаша задача суживается; теперь мы должны определить способ подбора отдельными первичными тРНК не каждой из двадцати аминокислот, а каждой из четырех групп.
Один иэ способов состоит в следующем: короткий отрезок последовательности оснований у акцепторного конца первичных тРНК действовал как дискримиыатор (рис. 10.2). Дискриминатор с определенной последовательностью оснований мог выбирать с помощью заряда, водородных связей или других слабых взаимодействий, приводящих к притяжению или отталкиванию, аминокислоты одпой группы чаще, чем другой. При этом семейства первичных тРНК, имеющие различные последовательности дискриминаторов, связывалысь со специфвческими функциональными группами аминокис- 120 ГЛАВА 10 лот.
Те из активированных в виде фосфорных эфиров аминокислот, которые приближались к дискриминатору (или не отталкивались от него), могли связаться с концевой группой тРНК, в результате чего образовывалась активированная форма первичной тРНК. Связывание аминокислоты с тРНК, возможно, обеспечивалось энергией пирофосфатной связи. В этой схеме есть одна существенная трудность: на первый взгляд не ясно, каким образом может существовать какое-либо соответствие между антикодоном и дискриминатором первичной тРНК.
Но на самом деле определенное соответствие существует, и его можно показать, Представьте себе циклическую последовательность небольшого додекануклеотидно- (!) А (3) / С С /рперапюп (3 (4) / А А ~)-С-С Вп~откие кеиплеленеарные лепин — линейнью пе/лапиппйки, ниеиюиюивиав е/юеник пачек инициации (') (т) (3) (4) Рис. 10.2. последовательности оснований, синтезированные начиная с различных точек генератора, представляют собой короткие молекулы первичных тРНК. Они являются молекулами, синтезированными в результате циклических линейных перестановок, в которых дискриминаторы определенным обравом связаны с антикодоном.
генвтический АппАРАт пготоклктки гй7 го генератора. Проанализируем линейные копии этой последовательности, начинающиеся с любого нуклеотида. Все копии должны быть короткими и одинаковой длины. Назовем один конец линейной копии дискриминатором, а другой участок, находящийся на определенном постоянном расстоянии от него, будет представлять собой антикодон. Поскольку все линейные копии являются результатом циклических перестановок генерагорной последовательности, мы придем к неизменному результату: в любом транскрипте, полученном в результате ииклилической перестановки, каждому дискриминатору соответствует единственный антикодон. Несколько примеров случайно выбранных копий генераторных последовательностей приведено на рис.
10.2. Проанализируйте какие-нибудь другие и убедитесь, что их антикодоны будут для них единственными. Описанное выше образование короткой первичной тРНК иллюстрирует принцип перестановок линейной последовательности: не исключено, что именно так синтезировались первые тРНК, При копировании генераторной молекулы любой длины, длинной или короткой, в полученных путем линейных перестановок молекулах всегда будет наблюдаться соответствие между дискриминатором и антикодоном. Более крупные молекулы тРНК представляют собой продукт дальнейшей эволюции, но правило перестановок применимо и к ним. Соответствие между дискриминатором и антикодоном существует только благодаря перестановкам. Эйген изобрел очень простую и наглядную игру: последовательно 80 раз бросают четырехгранные кости, каждая грань которых помечена А, 6, С и 13, и записывают случайную выпадающую при этом последовательность оснований, которая представляет собой полинуклеотид со случайной последовательностью оснований.
Цель игры: используя агу последовательность и правила спаривания оснований, найти такой способ складывания молекулы полинуклеотяда, который обеспечил бы максимально возможное число комплементарно спаренных участков. Почти всегда получается структура типа клеверного листа, напоминающая тРНК. Это, по-видимому, свидетельствует о том, что при формировании более ус- 123 глАВА (О ((си ((Ас1т» ссс1с ссс ((АС1ту' (:сс1су' (~СА БАА еое ((СА еае ССС а(АС еоп ССС Тар С А с ((СС1 сссРь С((А1 ((ССЗЬ'е 1 ссср СА(ь1н ссе1 ССС САС! ССС С А С ССС~ ССС С ССА~Е~е С((С АСС АА$31А АСС)~ ! АСА " ААА1 АСА1 АСС ААС) У' АСС!А'х С А С АИ31 АСС ~П« А((А А С(' М« с ССС~ СА((1А, ССС 'САС» Р ССС ССС САС» " ССС С А С СЮА Уа) С(ЗС С(»С Рис.
(0,3. Генетический код. Каждому триплету — кодону мРНК— ееетеетстеует емипеквслота. Кадое, пемечепный «поп», не определяет пв одну пз амипоквслот; ен спгпалазирует об окончании процесса свете»а. тойчивых форм линейные молекулы 1»НК со случайной последовательностью оснований часто образуют структуры, подобные тРН1й Однако соответствие между дискриминатором и аптикодоком присуще только последовательностям, полученным в результате перестановок одного генератора, тогда как во всем семействе случайно синтезироваппых последовательностей (так»(х, как последовательности Эйгева) его пег, поскольку опи не происходят от общего геиератора.
Существуют ли данные, подтверждающие, что последовательиость оснований дискриминатора способна специфически взаимодействовать с а»шкокислотаыи различпых групп? Саксииджер и Попнамперума четко показали, что специфические взаимодействия между аминокислотой и олигонуклеотидом действительпо существуют. Это поло>кение подтверждается также и тем, что современные ферменты (полимеры аминокислот) с большой точностью распознают специфические короткие последовательности пуклеотидов. гвнитичкскни Аппьэьт пэотокпктки 129 Нри любом объяснении происхоя<депия первичных тРПК возникает еще одно аатруднение.
Казалось бы, нет никаких необходимых причин существоваппя именно такого генетического кода, а ве какого-нибудь другого. Современный генетический код представлен на рис. 10.3. 20 аминокислот кодируются 64 (4Х4Х4) триплетами оснований, т. е. код вырожден, так как одной амипокислоте сооответствует более чем одпп кодон. Почему февилаланин у всех оргапизмов кодируется триплетами ПОП и ППС2 Хотелось бы призвать ка помощь историческую случайность и естественный отбор и представить себе возмоя<ное многообразие одинаково вероятных кодов. Но ато был бы не научный подход. Рассмотрим другие варианты ответа па этот вопрос.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
