Физико-Химические Факторы Биологической Эволюции (1979)

_{Эйген следующим образом подводит итоги всему сказанному: «Эволюция представляется неизбежным событием, если задано присутствие определенного вещества с определенными авто- каталитическими свойствами и если поддерживается такая величина потока (свободной) энергии, которая необходима для компенсирования стационарного производства энтропии» [350, с. 185]. «Тот факт, что «отбор» и «эволюция»—по аналогии с «равновесием» в термодинамике — можно охарактеризовать экстремальными принципами, позволяет физически обосновать и количественно сформулировать дарвиновскую теорию. В такой форме теория Дарвина уже не просто описывает некий истори­ческий путь, но представляет собой выводимый из физики закон, управляющий общими процессами самоорганизации материи» [350, с. 197]. «Процессы автокаталитического отбора отфильтровывают и усиливают мутантов, обладающих высокой селективной ценностью, снижая тем самым недетерминирован­ность, однако недетерминированность все-таки сохраняется в от­ношении выбора индивидуальных копий и затем отображается на макроскопическом уровне. Вследствие этого невозможно с достаточной точностью ни проследить прошлую, ни предсказать будущую эволюцию за пределами известных временных гра­ниц...» [350, с. 199].}

_{При сопоставлении наших взглядов для дальнейшего изложе­ния, вероятно, наиболее существенно сравнение понятий селек­тивного преимущества и кинетического (биологического) совер­шенства. Смысл этих понятий очень близок. И и /; служат критериями в процессах естественного отбора. Величина Wm, введенная Эйгеном, аналогична понятию эволюционный потен­циал данного направления эволюции, введенному выше.}

_{Есть, однако, и существенное различие. Величина кинетиче}­_{ского совершенства U характеризует (при прочих равных усло­виях) скорость возрастания массы веществ данного видя, a W{— приращение численности (особей, молекул) данного вида. Это различие становится важным при сопоставлении биологиче­ского совершенства дальних родственников, например, мелкихс крупными. Wi является непосредственным критерием отбора, U — как непосредственным критерием отбора, так и абсолютной характеристикой биологического совершенства данного вида.}

_{Эйген ограничивает свою задачу физико-химическим анали­зом лишь первых шагов биологической эволюции. Основной проводимой здесь мною мыслью является применимость одного и того же критерия естественного отбора — кинетического (био­логического) совершенства на всем пути биологической эволю­ции от «самого начала» до человека.}

_{Мне не кажется правильным писать в настоящее время урав­нения динамики эволюционного процесса для поздних его эта­пов. В сущности вся сложность динамики этого процесса скры­вается в параметре К. в уравнении типа:}

_{ihi = Kimi.}

_{Однако К зависит от многих переменных — совершенства матричного конвариантного воспроизведения, совершенства катализаторов, совершенства процессов использования энергии, совершенства аппаратов перемещения в пространстве и т. д. Все эти переменные и являются факторами биологической эволюции‘. По существу их можно охарактеризовать в физико-химических терминах. Поэтому в книге и рассматриваются физико-химиче­ские факторы биологической эволюции. Все эти факторы под­даются количественной оценке.}

_{В самом деле, т,- в конце концов определяется скоростью синтеза полимерных молекул, скоростью притока и оттока метаболитов, эффективностью использования энергии, длитель­ностью нативного существования матричных молекул и других компонентов организмов.}

_{Прослеживание детальных путей возрастания т( в зависи­мости от того или иного физико-химического фактора нереально. Зато вполне реальна оценка предельного по данному фактору значения т(. Полагая время, отводимое на эволюционное совер­шенствование в данном направлении достаточно большим, можно оценить предельно возможную, ограничиваемую лишь физиче­скими законами, скорость синтеза полимерных молекул, пре­дельно возможную эффективность преобразования энергии, предельно возможную скорость притока и оттока метаболитов, предельно возможную скорость перемещения организмов в про­странстве и т. д. Такой «принцип предельного совершенства»,}

_{как метод дед^кхивного анализа траекторий и динамики эволю­ционного проц'есса> оказывается, по-видимому, единственно воз­можным применительно к столь сложному предмету, каким является биолс)ГИЧеСкий эволюционный процесс.}

_{Используя этот метод для прослеживания процесса эволюции «с самого начала», можно убедиться в том, что физико-химиче­ские факторы биологической эволюции выступают на эволюцион­ную арену последовательно. Сначала возрастание величины тп{ определяется, например, скоростью синтеза полимерных цепей из предсуществующих, возникших «абиотически», мономеров. Потом оказывается, что рост определяется уже ростом концен­трации этих мономеров, зависящим от скорости их биосинтеза. Потом оказывг^тся, что при некоторых величинах скорости син­теза полимеров и скорости (био) синтеза мономеров дальнейшее увеличение определяет «транспорт»—скорость притока}

_{«пищи» и оттока «катаболитов». Так, одно узкое место, ограни­чивающее рост rhi, сменяет другое, один физико-химический фактор биологической эволюции перестает быть критерием естественного отбора и сменяется в этом качестве другим, очередным фактором. В силу этого процесс эволюции идет ступенчато: периоды быстрого увеличения при движении к физическому пределу по данному фактору эволюции сменя­ются периодами поиска новых принципов увеличения ть по новому критерию естественного отбора, соответственно очеред­ному фактору эволюции.}

_{Дальнейшая задача этой книги и состоит в выявлении и характеристике роли различных факторов эволюции на разных этапах биологического эволюционного процесса.}

_{Глава 3}

_{ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР МАТРИЧНЫХ МАКРОМОЛЕКУЛ, СПОСОБНЫХ К КОНВАРИАНТНОМУ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЮ}

_{Спонтанное возникновение в планетных условиях полипептидов и полинуклеотидов, вовлекаемых в естественный отбор.}

_{Необходимость однозначного соответствия полипептидных и полинуклеотидных полимерных цепей. Проблемы генетического кеда, прямого структурного соответствия полинуклеотидов и полипептидов}

_{( «узнавание»).}

_{Белки и нуклеиновые кислоты в дальнейшей эволюции. Разделение функций.}

_{Фенотип и генотип.}

_{Из многих в принципе возможных систем матричного конвари- антного воспроизведения, обладающих сходными физико-хими­ческими свойствами, рано или поздно остается («побеждает») лишь одна с наибольшим эволюционным потенциалом. Таким образом, существенным этапом эволюции оказывается отбор эво­люционирующей системы. Рассмотрим критерии выбора такой системы.}

_{Эволюционный потенциал, естественно, сильно зависит от фи­зико-химической природы матричных молекул.}

_{Из простых соображений ясно, что /,• будет тем больше, чем больше удельная поверхность матричного вещества. Предельно большой поверхностью обладает одномерный кристалл — нить. Эволюционный потенциал зависит от разнообразия элементов матричной нити. Необходим набор элементов, обеспечивающий все возможные каталитические и матричные свойства.}

_{Таким образом, максимально возможным эволюционным по­тенциалом будет обладать одномерная последовательность раз­личных элементов кристаллической решетки — «букв, образу­ющих строки». Следуя принятому нами при описании эволюци­онного процесса принципу предельного совершенства, мы можем отнести все сказанное о естественном отборе в полиморфной кри­сталлической системе к одномерному апериодическому кристал­лу [344], т. е. к гетерополимерной макромолекулярной нити, со­стоящей из набора разных мономеров, порядок чередования ко­торых в полимерной цепи может быть разным.}

_{Необходимо лишь, чтобы такая нить обладала матричными свойствами, чтобы любое чередование мономеров в цепи было в принципе термодинамически равновероятным, но отличалось другот друга по кинетическим свойствам *. Этим общим условиям соответствуют нуклеиновые кислоты.}

_{Однако прежде чем перейти к анализу возможных этапов эво­люции в конкретных биохимических системах, рассмотрим усло­вия, необходимые для начала биологической эволюции.}

_{Условия неизбежности начала биологической эволюции. Эво­люция становится неизбежной при выполнении основных усло­вий: существования механизмов матричного, конвариантного воспроизведения и различия в скоростях воспроизведения раз}­_{ных форм полиморфных матриц.}

_{Таким условиям удовлетворяет одномерная полимерная нить, для которой скорость матричного размножения, скорость синтеза матричных копий зависит от природы и последователь­ности мономеров.}

_{При выполнении этих двух условий в ограниченном простран­стве—ареале (третье условие)—при неравновесности самой системы или при наличии внешнего источника свободной энер­гии в среде, содержащей все необходимые компоненты для спон­танного возникновения линейных гетерополимеров (четвертая группа условий) начнется эволюционный процесс, и будет осу­ществляться естественный отбор по критерию наибольшей ско­рости образования полимера данного вида. Слово «вид» употреблено здесь вполне сознательно, хотя это еще совсем не такой же вид, как «ящерица прыткая» или «овес посевной» (см. гл. 2, стр. 36).}

_{Однако реализация эволюционного потенциала системы, удовлетворяющей только этим условиям, может оказаться очень затрудненной. Ареал может быть заполнен формой, полимеризу- ющейся не с наибольшей скоростью. Затравка этой формы воз­никает случайно, в результате тепловых флуктуаций, и вероят­ность того, что случайно возникшая затравка соответствует наи­более кинетически совершенной форме очень мала. Вместе с тем заполнившая ареал полимерная форма будет препятствовать об­разованию более совершенных форм — материала для их постро­ения не останется, а тот, который уже использован для построе­ния заполнивших ареал матриц, защищен кинетическими потен­циальными барьерами от посягательств пусть и способных к бо­лее быстрому воспроизведению зародышей, но возникающих позже затравок новых матриц. Речь идет, следовательно, о том, что одна даже самая удачная мутантная форма способная обес­печить наибольшую скорость матричного воспроизведения «ни­чего не сможет сделать» с уже заполнившей ареал менее совер­шенной массой полимерных молекул.}

_{Нужно «открыть путь» для реализации полезных мутаций, реализации эволюционного потенциала. Этого можно достичь}

;I _{Для этого энергии связей между мономерами в полимерной цепи должны быть одинаковыми в разных последовательных сочетаниях мономеров.}

_{лишь одним способом: время жизни каждой матричной полимер­ной молекулы должно быть ограниченным, необходима зако­номерно наступающая смерть, т. е. распад матричных молекул по истечении некоторого времени жизни. Иными словами, условием длительного осуществления эволюции оказывается смена про­цессов синтеза процессами распада.}

_{Каков в общем виде способ реализации вновь возникших му­таций в условиях заполненности ареала ранее образовавшимися видами?}

_{Наверное, таких способов, по крайней мере, два. Вновь воз­никшие виды должны быть в состоянии «поедать» виды, образо­вавшиеся ранее, и использовать их материал для построения сво­их матричных молекул, или ранее появившиеся виды должны са}­_{ми распадаться по истечении некоторого времени жизни. Первый способ (столь популярный на поздних стадиях эволюции), по- видимому, нереален на ранних интересующих нас сейчас стади­ях. Представим себе даже, что вновь возникшие затравки — ма­трицы — обладают каталитическими свойствами, позволяющими им ускорить распад образовавшихся ранее. И что же? Эти ката­литические свойства приведут к разрушению как ранее возник­ших, так и вновь возникающих. Невероятно спонтанное в резуль­тате однократной мутации появление в полимерной цепи такой последовательности мономеров, которая катализировала бы рас­пад всех остальных последовательностей, а свою бы не разру­шала. Для избирательного поедания представителей лишь чужого вида необходим длительный процесс эволюционного совершен­ствования, выработки механизмов различения «свое — чужое».}

_{Для обеспечения распада матричных молекул нет необходи­мости придумывать сложные регуляторные механизмы — типа бомбы замедленного действия, взрывающей матричную полимер­ную молекулу после некоторого времени ее существования, ее жизни. Эволюция осуществляется в открытой системе, пронизы­ваемой потоками энергии разного типа, которые обеспечивают эволюцию энергетически и служат причиной мутаций. Таким об­разом, в результате мутаций возникают не только затравки но­вых видов. Тепловые флуктуации, ультрафиолетовое и более жесткое излучения повреждают уже заполимеризованные ма}­_{тричные молекулы. Накопление возникших повреждений и при­водит через некоторое время (время жизни) к разрушению по­лимерных молекул.}

_{Однако на самих примитивных стадиях эволюционного со­вершенствования может преобладать весьма простой механизм, ограничивающий время жизни уже образовавшихся матричных форм.}

_{В нашей абстрактной модели с полиморфной кристаллизаци­ей время жизни данной г'-й формы тем меньше, чем быстрее она образуется. Действительно, одинаковая термодинамическая ста­бильность всех форм означает равенство всех констант равно­весия Кг для всех i реакций кристаллизации (полимеризации) из мономеров в полимер i-го вида. Так как:}

_Kt=ki'/ki",

_{где k{ и к/' — константы скорости соответственно процессов об­разования и растворения (плавления) кристаллов, отношения всех к/ и к" равны для всех i: чем быстрее образуется кристалл {чем больше k/), тем быстрее он растворяется (тем больше к/').}

_{В этой системе сначала все пространство заполняется преи­мущественно видом кристаллов, образующимся быстрее всего, а затем появляются и медленно растущие кристаллы. Через не­ограниченно большое время весь объем заполнится всеми воз­можными формами в соответствующих долях.}

_{Все приведенное выше рассуждение относилось к закрытой системе. При условии притока энергии картина может оказаться совершенно иной; возможны кинетические «приспособления» — «барьеры», замедляющие распад даже .быстрее всего возника­ющей формы.}

_{В этом случае жизнь полимерных матричных молекул сла­гается из двух качественно различных стадий, или периодов, или фаз: периода роста — относительно быстрой (и, быть может, ускоряющейся) полимеризации по возникшей затравке, т. е. пе­риода матричного размножения, и периода относительно мед­ленного умирания, т. е. накопления разрушений и, по-видимому, быстрого распада.}

_{Эволюция нуклеиновых кислот — первый этап биологической эволюции. Главный кризис — необходимость возникновения полипептидных катализаторов-ферментов. Возможно, что пере­численным выше необходимым условиям начала биологической эволюции отвечает большое число различных по химической при­роде веществ — гетерополимеров. Реальное осуществление эво­люционного процесса, выбор той или иной системы матричного воспроизведения зависит прежде всего от возможности спонтан­ного, доэволюционного образования соответствующих этим усло­виям веществ. Иными словами, общее направление эволюционно­го процесса с самого начала полностью детерминировано хими­ческими и физическими свойствами среды.}

_{Как следует из множества данных последних лет, в планет­ных условиях, т. е. при температурах и давлениях, соответству­ющих существованию полимерных химических веществ, с наи­большей вероятностью под влиянием ультрафиолетового и дру­гого излучения из воды, углекислоты, аммиака, цианидов обра­зуются аминокислоты, нуклеиновые основания, а также углево­ды. Кроме того, спонтанно образуются нуклеотиды, полинуклео­тиды и полипептиды (см. [1, 16, 23, 24, 53, 126, 127, 128, 132, 207, 228, 240, 243, 250, 261, 303, 306, 309а, 385, 389, 390, 408., 447, 448]).}

_{Итак, аминокислоты, нуклеотиды и их полимеры — весьма вероятный исходный материал для естественного отбора. Намследует попытаться решить, какие же системы — полипептиды или полинуклеотиды — больше соответствуют указанным выше условиям, с неизбежностью приводящим к эволюционному со­вершенствованию. Необходимо, чтобы полимер синтезировался матричным образом с конвариантным сохранением вариантов- мутаций, чтобы скорости этого синтеза были различными для разных последовательностей мономеров в полимерной цепи и чтобы время жизни уже синтезированных матричных копий было не очень большим.}

_{Для выбора возможного исходного объекта эволюции необхо­димо тщательное сопоставление реальных свойств полинуклеоти­дов и полипептидов.}

_{«Матричность» полинуклеотидов бесспорна. Вопрос «матрич- ности» полипептидов должен еще стать предметом непредвзя­того исследования (см. [421]). Можно предполагать, что скорости спонтанного синтеза и матричной полимеризации для разных последовательностей мономеров неодинаковы и для полипепти­дов, и для полинуклеотидов. Однако и этот вопрос требует тща­тельного исследования (литературного, теоретического и экспе­риментального) .}

_{Старение — ограниченность времени сохранения нативности— свойственна и белкам, и нуклеиновым кислотам. Длительность сохранения нативности зависит от реальных условий.}

_{Мы еще вернемся к этим вопросам, в частности к возможной «матричности» полипептидов. Пока же поступим следующим образом. Примем сначала, что матрицами являются только по­линуклеотиды, что только они соответствуют условиям неизбеж­ного начала эволюционного процесса и посмотрим, как при та­ком допущении должен идти эволюционный процесс. Затем при­мем другую версию — предположим, что матрицами являются и полипептиды и попытаемся понять как в таком случае должен осуществляться эволюционный процесс. А потом сопоставим по­лученное с современными биохимическими данными.}

_{Представим себе первичную полинуклеотидную эволюцион­ную систему. В среде спонтанно, в результате флуктуаций, воз­никают разные последовательности нуклеотидов в небольших по­лимерных цепях — образуются низкомолекулярные нуклеиновые кислоты со случайной последовательностью мономеров. По этим возникающим в результате флуктуаций затравкам идет кристал­лизация (матричное воспроизведение, размножение), на что рас­ходуются мономеры из среды. В конкуренции за «пищу» —моно­мерный материал для полимеризации — происходит естествен­ный отбор определенных последовательностей нуклеотидов по признаку наибольшей скорости матричного синтеза.}

_{Полимерные молекулы стареют и разрушаются. С некоторого момента темп эволюции, темп естественного отбора будет опре­деляться именно скоростью разрушения возникших ранее по­лимерных молекул. Этот момент наступит тогда, когда скорость.}

_{интенсивность, матричных синтезов сравняется и превзойдет ин­тенсивность спонтанного образования в среде новых мономерных молекул нуклеотидов.}

_{Так мы подошли к рассмотрению первого кризиса в биологи­ческой эволюции — дальнейшее совершенствование, т. е. даль­нейшее ускорение матричного воспроизведения посредством уже существующих механизмов оказывается невозможным. Здесь эволюционирующая система может задержаться неопределенно долго до тех пор, пока не возникнет принципиально новый меха­низм ускорения кинетического совершенствования объектов эво­люции. Есть два неисключающих друг друга пути выхода из это­го самого острого в биологической эволюции кризиса: первый — выработка механизмов ускорения синтезов мономеров и вто­рой — выработка механизмов ускорения разрушения «старых» полинуклеотидов. Избирательное ускорение определенных хими­ческих реакций есть катализ. Следовательно, основное содержа­ние второго этапа биологической эволюции — возникновение в ходе естественного отбора предельно совершенных катализато­ров-ферментов. Самое естественное начальное предположение состоит в допущении каталитических свойств у самих матричных полимерных молекул. В одном отношении такое допущение три­виально — матрицы избирательно катализируют синтез своих копий ‘.}

_{Однако рассматриваемый нами кризис обусловлен не недо­статочной скоростью синтеза на матрице полимеров из мономе­ров, а недостаточно высокой концентрацией именно мономеров. Было бы невероятно счастливым совпадением наличие нужных нам каталитических функций у самих матричных молекул, их спо­собность ускорять процессы синтеза мономеров или разрушения старых полимерных молекул.}

_{Более того, молекулы, способные к конвариантиому матрич­ному воспроизведению, должны обладать (для обеспечения со­вершенства в этой функции) возможно меньшей химической ак­тивностью, возможно меньше «ввязываться» в разные химиче­ские процессы; их назначение—сохранение уникальных возник}­_{ших в результате естественного отбора последовательностей мо­номеров в полимерной цепи. Иными словами, они обеспечивают наследственность и являются основой изменчивости. Каталити­ческие функции должны быть отделены от них.}

_{Тем не менее возникновение таких катализаторов-ферментов в ходе естественного отбора возможно лишь при условии зависи­мости синтеза этих катализаторов от последовательности моно­меров в полимерной полинуклеотидной цепи. Иными словами, данная последовательность нуклеотидов должна определять свойства катализатора, возникающего на полинуклеотидной ма­трице.}

_{В силу основного механизма эволюционного совершенствова­ния катализаторы-ферменты по своему происхождению должны представлять собой одномерные нитчатые полимеры. Иначе не­возможен постепенный процесс совершенствования катализато­ров в результате отбора полезных мутаций, сопряженный с со­вершенствованием полинуклеотидных матриц.}

_{Химические реакции, избирательный катализ которых необ­ходим для обеспечения должной скорости синтеза матричных ко­пий данного вида, сложны и разнообразны. Соответственно слож­ными и разнообразными должны быть функциональные свойст­ва ферментов. Требованиям относительно большой реакционной способности, возможности существования в виде полимерных нитчатых молекул отвечают аминокислоты и их полимеры — белки. К тому же, как мы видели, аминокислоты и полипептиды легко возникают спонтанно в планетных условиях. Удовлетво­римся земным опытом и будем считать разнообразие из 20 амино­кислот достаточным для обеспечения всех свойств ферментов. Главным для нас в данном контексте является вопрос о способе сопряжения синтезов двух полимерных систем — полинуклеотид­ной и полиаминокислотной (полипептидной). Необходимо, чтобы последовательность аминокислот в полипептидной цепи опреде­лялась последовательностью нуклеотидов в полинуклеотидной це­пи. Если наличие образующего в результате такого соответствия фермента способствует большей скорости матричного воспроиз­ведения нуклеотидной последовательности данного вида, то и количество этого фермента тоже увеличивается быстрее.}

_{Следовательно, на начальных стадиях эволюции, когда еще не возникли сложные механизмы обеспечения опосредованного со­ответствия полинуклеотидного и полипептидных синтезов, долж­на существовать прямая связь между последовательностью ну­клеотидов и синтезом полипептидных цепей. Отсюда следует, что полинуклеотидная цепь должна непосредственно влиять на последовательность аминокислот и скорость синтеза полипептид­ной цепи *.}

_{Итак, исходя из общих эволюционных соображений, следует,, что такая связь — непосредственный, избирательный катализ об­разования полипептидной цепи на полинуклеотидной цепи — должна была иметь место. Иначе не может начаться эволюцион­ное совершенствование белков, не способных к самостоятельному матричному воспроизведению и, значит, к самостоятельному уча­стию в процессе эволюции.}

_{Получается, следовательно, такая картина. Нуклеотидная цепь ускоряет синтез полипептидных цепей. Образуются полипеп­тиды, в которых последовательность аминокислот соответствует последовательности нуклеотидов. Некоторые последовательности аминокислот в полипептидной цепи оказываются способными ускорять синтез мононуклеотидов или ускорять распад уже су­ществующих полинуклеотидов, ускоряя тем самым эволюцион­ный процесс. Острейший кризис начального этапа биологической эволюции преодолевается — возобновляется естественный отбор полинуклеотидных матриц, причем теперь уже по признаку их способности обеспечить синтез все более каталитически совершен}­_{ных полипептидных цепей.}

_{Как ясно из сказанного, условием преодоления этого кри­зиса, условием продолжения биологической эволюции должно быть прямое, контактное соответствие нуклеотидных матриц по- липептидным отпечаткам. Посмотрим, в какой мере последнее- требование реализуется в действительности.}

_{При первоначальном знакомстве с современной биохимией кажется, что такого соответствия нет. Последовательность ами­нокислот в полипептидных цепях определяется не непосредствен}­_{ным контактом аминокислот и нуклеотидов матричной цепи ну­клеиновых кислот, а посредством адаптора — тРНК}[4]_{. Необходи}­_{мость адаптора в свое время предсказал Крик на основании гео­метрических соображений. Каждая аминокислота кодируется- тремя нуклеотидами. Нуклеотидный триплет много больше ами­нокислотного радикала и строгое геометрическое соответствие- триплета аминокислоте невозможно. Все верно. Однако извест­ны весьма важные биохимические процессы, в которых осущест­вляется непосредственное, строго специфическое взаимодейст­вие аминокислот и нуклеотидов. Так, сам процесс соединения аминокислотного ацильного остатка с гРНК основан на таком непосредственном взаимодействии, обеспечиваемом строгим спе­цифическим соответствием аминокислотной последовательности в полипептидной цепи и нуклеотидной последовательности в по­линуклеотидной цепи. Речь идет о процессе узнавания специфи}­_{ческой для данной аминокислоты тРНК специфической же моле­кулой фермента—аминоацил-тРНК-синтетазой. Напомним' здесь высказывания В. А. Энгельгардта: «Зашифровку амино­}

_{кислот, осуществляемую действием фермента аминоацил-тРНК- синтетазы, можно считать узловым пунктом всего механизма биосинтеза белков. Здесь впервые скрещиваются и неразрывно переплетается биохимические функции обеих главенствующих групп биологических полимеров — белков и нуклеиновых кислот» [133, 353]. Итак, это «узнавание» происходит при строго специ­фическом непосредственном взаимодействии аминокислотных и нуклеотидных радикалов — белка-фермента и нуклеиновой кис­лоты. Можно было бы привести и другие примеры специфическо­го взаимодействия аминокислотных и нуклеотидных последова­тельностей.}

_{Механизм узнавания интенсивно изучается последние годы (см. [453]).}

_{Представляют интерес взгляды на этот вопрос В. И. Брускова, изложен­ные им на нашем семинаре еще осенью 1966 г. Брусков полагал, что строгое однозначное соответствие нуклеотидных триплетов одной из 20 аминокислот может быть достигнуто при наличии соответствующего комплементарного сло­варя из трипептидных слов, т. е. при однозначном соответствии трех амино­кислот трем нуклеотидам. Брусков шел в своей гипотезе дальше: он предполо­жил, что четырехбуквенному нуклеотидному словарю мог бы соответствовать четырехбуквенный аминокислотный словарь и что этими аминокислотами как раз и являются три ароматических аминокислоты и одна неароматическа-л, я именно, триптофан, тирозин, фенилаланин и производное имидазола гистидин,}

_{В основе этой гипотезы лежало старое предположение о возможной спе­цифичности заряд-флуктуациониых взаимодействий в биологических системах. Хотя исследования последних лет, действительно показали, что наиболее силь­ные взаимодействия в водных растворах наблюдаются между ароматическими аминокислотами и нуклеотидами, заметной специфичности при этом выявить не удалось (см., например, [32]). Поэтому в настоящее время специфичность узнавания на такой основе представляется весьма сомнительной.}

_{В недавней работе Брусков [39] существенно изменил и развил представ­ления о возможных механизмах специфического нуклеотид-аминокислотного узнавания. Анализ проблемы в предположении о существовании аминокислот-, но-нуклеотидного кода показал, что наиболее вероятными кандидатами на роль аминокислот, участвующих в узнавании нуклеотидов, являются амино­кислотные радикалы, способные к одновременному образованию двух (или большего числа) водородных связей. С помощью молекулярных моделей Брус­ков исследовал и показал стереохимическую возможность существования комплементарных к азотистым основаниям аминокислот, ди- и трипептидон. При этом в коде узнавания однонитчатых нуклеиновых кислот достаточно участия не более семи аминокислот (аргинина, аспарагина, аспарагиновой кис« лоты, глутамина, глутаминовой кислоты, серина и треонина), соответствующих четырем типам различных химических групп, образующих водородные связи, а именно, гуанидиновой, амидной, карбоксильной и гидроксильной группам. Легко видеть, что минимальное необходимое число химических групп, участву­ющих в узнавании четырех нуклеотидов, равно двум. Из опытов с моделями ^сделан также вывод о вырожденности и конформационном характере кодаузнавания однонитчатых полинуклеотидов. Именно для специфичности оказы- ;ается необходимой строго определенная стабилизация в пространстве боко- ых радикалов аминокислот и пептидных групп, что, возможно, осуществляет- я в белках за счет стерических ограничений или дополнительных связей.}

_{В работе [38] рассмотрены возможные физико-химические механизмы, при омощи которых матричные ферменты — полимеразы могут влиять на степепь эчности матричных синтезов и, следовательно, регулировать ее. В частности, редполагается, что ферменты синтеза и репарации нуклеиновых кислот содер! •;ат «узнающий участок», определяющий правильность комплементного спаря- ания (в результате образования дополнительных водородных связей) по ин­вариантным для комплементарных пар атомам N = 3 пуринов и 0 = 2 пирими- динов. Такой узнающий участок (центр) фермента играет роль дополнитель­ной белково-нуклеиновой матрицы, способной «усиливать» отбор правильных и выбраковывать неправильные пары.}

_{Вернемся, однако, к начальным стадиям эволюции [388]. На начальных этапах эволюции вовсе не требуется строгого одно­значного соответствия нуклеотидов и аминокислот. Конфигура­ции белковых макромолекул грубо определяются не строго од­нозначной аминокислотной последовательностью, а лишь поряд­ком чередования в полипептидной цепи полярных и неполярных аминокислотных радикалов. Исходя из этого, все аминокислоты можно разделить на два класса — полярные и неполярные. Мо­жет быть, полярные аминокислоты следует в свою очередь раз­делить на отрицательно и положительно заряженные в водных растворах — тогда будет три класса. Таким образом, в начале эволюции было бы достаточно, чтобы одни нуклеотидные ради­калы в полинуклеотидной цепи непосредственно кодировали связывание полярных аминокислот, а другие — неполярных. Здесь следует отметить работу М. В. Волькенштейна [55], обна­ружившего корреляцию между нуклеотидным составом кодиру­ющих триплетов (кодонов) и полярностью кодируемых ими ами­нокислот. Волькенштейн обратил внимание на то, что во всех слу­чаях, когда второй нуклеотид в кодоне — аденин, кодируемый .аминокислотный остаток полярен, во всех случаях, когда второй нуклеотид — уридин, аминокислотный остаток неполярен. Я ду­маю, что мы имеем здесь дело с корреляцией, обусловленной фи­зико-химическими особенностями непосредственного взаимодей­ствия аминокислот и нуклеотидов, действовавшей в древнейшие времена, когда современный перевод нуклеотидного языка в ами­нокислотный еще не сформировался. Сам Волькенштейн рас­сматривает эту корреляцию как приспособление, повышающее «помехоустойчивость» кода: если в результате мутации изменит­ся кодон, то велика вероятность того, что вместо одной, напри­мер, неполярной аминокислоты в кодируемом белке появится другая, но также неполярная. Конфигурация макромолекулы от этого изменится не очень сильно, и мутант не погибнет. Мне же кажется, что в ходе эволюции такая корреляция могла возник-}

_{нуть лишь в том случае, если по своим физическим свойствам аденин лучше «приспособлен» к взаимодействию с полярными аминокислотами, а уридин —• с неполярными.}

_{Следует сказать, что и Волькенштейн допускает мысль о не}­_{посредственном взаимодействии аминокислот с полинуклеотид­ной цепью на ранних стадиях эволюции. «Возможно, матричный синтез белка на заре жизни осуществлялся иначе, скажем, без участия тРНК, а посредством прямой сборки белковой цепи на полинуклеотиде. Вероятность такой сборки, однако, невелика.. Скорее следует думать, что современный код является результа}­_{том селективного давления естественного отбора, минимизиру}­_{ющего эффект мутаций» [55].}

_{Анализируя проблему возникновения жизни, Д. С. и Н. М. Чер- навские [322] выдвинули гипотезу о возможном механизме уста­новления соответствия между последовательностями нуклеоти­дов и аминокислот. Они предположили, что двойная полину- клеотидная спираль служит гетерогенным катализатором, ускоря­ющим синтез пептидных связей между аминокислотами, адсор­бированными на полинуклеотиде. Так образуется белковый че}­_{хол, предохраняющий полинуклеотидную двойную спираль от разрушений, который сам может обладать каталитическими свойствами, способствующими тем или иным путем образованию' полинуклеотидных цепей. Для того, чтобы такой механизм играл биологическую, т. е. эволюционную, роль, последовательность, аминокислот, образующих белковый чехол, должна зависеть от последовательности нуклеотидов. Гипотеза ценна тем, что ее можно проверить экспериментально (см. также [371]).}

_{Наличие даже слабой корреляции между последовательно­стями нуклеотидов и аминокислот в синтезируемой на полину­клеотидной матрице полипептидной цепи позволяет продолжить­ся естественному отбору. В конкуренции за «пищу и простран­ство» будут побеждать такие полинуклеотидные последователь­ности, на которых синтезируются полипептиды, способствующие более быстрому размножению матриц своего вида. Критерием отбора на этом этапе служит каталитическое совершенство обра­зующихся белков-ферментов, которое в свою очередь зависит от степени совершенства перевода последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Таким образом, необходимость совершенствования каталитических свойств белков-ферментов, вызванная давлением естественного отбора, обусловливает направление эволюции в сторону совер­шенствования механизма перевода нуклеотидного языка на ами­нокислотный. Предел совершенства этого механизма — полная детерминированность последовательности всех аминокислот, не­обходимых для полноценного функционирования белков, после­довательностью нуклеотидов в матрице — нуклеиновой кислоте. Мы приходим, следовательно, к необходимости кодирования при­мерно 20 аминокислот четырьмя нуклеотидами, т. е. к механизму,.}

_{в котором каждая аминокислота должна соответствовать опре­деленному сочетанию по крайней мере трех нуклеотидов (кодо­ну). Недостаточность простого соответствия аминокислота — ну­клеотид, необходимость трех нуклеотидов для кодирования каж­дой аминокислоты обусловливают обязательное существование адаптора при синтезе белка на нуклеиновой матрице. Однако преодоление этого очередного кризиса представляется мне более легким, чем предыдущего — хоть какие-то уже ферменты есть. Ключевым пунктом при этом оказывается аминоацил-тРНК-син- тетаза (ее древние предшественники), т. е. фермент, катализиру­ющий соединение аминокислоты с адаптером — полинуклеоти­дом, содержащим антикодон, комплементарный специфическому для данной аминокислоты кодону. Аминокислоты, «подвешенные» посредством эфирной связи к кислороду гидроксильной группы рибозного кольца молекулы адаптора, в должной последователь­ности соединяются в полипептидную цепь. Прямо же код, осно­ванный на непосредственном физико-химическом соответствии аминокислот и нуклеотидов (см. выше), продолжает использо­ваться в механизме узнавания при функционировании аминоцил- тРНК-синтетазы, а также в процессах регулирования считывания генетической информации.}

_{Мне хочется еще раз подчеркнуть «автоматический», «цикли­ческий», характер эволюционного совершенствования после прео­доления первого кризиса: ферменты, образующиеся в соответ­ствии с нуклеотидным текстом, возникающим в результате от­бора мутаций, будут тем совершеннее, чем «совершеннее сам текст». В понятие совершенства текста входит качество инструк­ций о механизме его перевода на аминокислотный язык, и, сле­довательно, о свойствах синтезируемых ферментов. Получается эффективная система (цикл) положительных обратных связей, приводящая ко все более эффективной, все более быстрой эво­люции в направлении все большего кинетического совершенства конвариантно размножающихся матричных полимерных систем *.}

_{В мою задачу не входит детальное описание биохимических механизмов синтеза белка в ныне живущих организмах. Это прекрасно сделано в ряде оригинальных книг. Мне важно под­черкнуть физико-химическую детерминированность эволюцион­ного возникновения связи, корреляции синтезов полинуклеоти­дов и полипептидов, а также основных механизмов этих синте­зов. Естественный отбор в планетных условиях рано или поздно с неизбежностью должен привести к формированию предельно совершенного механизма синтеза белка и нуклеиновых кислот, аналогичного механизму, работающему в системе рибосома — ферменты.}

_{Возможность начала эволюции с полипептидов. Теперь по­смотрим, каким должен быть процесс эволюции, начинающийся}

1 _{М. Эйген называет эту систему «гиперциклом» [350]; см. гл. 2, с. 40.}

_{с отбора все более кинетически совершенных полипептидов. Условия неизбежного начала эволюции остаются те же — ма}­_{тричное конвариантное воспроизведение, различия в скоростях воспроизведения (синтезов) разных форм матриц, конечное вре­мя жизни каждой (и, разумеется, ограниченность ареала). Наи­более важен здесь ответ на первый вопрос — способны ли поли}­_{пептиды к матричному конвариантному воспроизведению?}

_{Тут уместно отметить, что для полинуклеотидов мы полагали положительный ответ очевидным. Однако, как это ни парадо­ксально, взаимно комплементарные матричные свойства нуклеи­новых оснований в водных растворах не проявляются. Их уда­ется выявить лишь в «вакууме»: вода, конкурируя за водородные связи, препятствует спариванию комплементарных нуклеиновых оснований. Подобные «вакуумные условия» возникают в поли- нуклеотпдной цепи при ее спирализации: внутрь спирали вода не проникает, и поэтому ничто не мешает комплементарному спа­риванию. Таким образом, эволюционный процесс мог бы начать­ся лишь после спонтанного возникновения биспиральных поли- нуклеотидных молекул со случайной последовательностью нукле­отидов (при условии разных кинетических свойств различных по- линуклеотидных вариантов). Как мы видели, однажды начавший­ся процесс естественного отбора «чистых» полинуклеотидных ма­триц очень быстро (т. е. через небольшое число актов эволюци­онного совершенствования) прекращается — эволюционный по­тенциал исчерпывается. Для выхода из этого кризиса необходимо осуществление сопряженного синтеза катализаторов с достаточ­но разнообразными кинетическими свойствами, т. е. белков.}

_{Тем более важно выяснить, не могут ли полипептиды всту­пать на путь естественного отбора независимо от нуклеиновых кислот.}

_{Да, могут, если они способны к конвариантному матричному воспроизведению. Н. К- Кольцов предполагал, что полипептид- ные цепи обладают этой способностью и, быть может, такая его позиция кажущаяся неверной с точки зрения современной нам биохимии, не вовсе ошибочна.}

_{Способность белков, полипептидных цепей к точнейшему, строго специфичному различению молекул (что служит необхо­димым условием матричной полимеризации), общеизвестна. Про­славленная специфичность ферментов — один из примеров этой способности.}

_{Известно много разных ферментов, строго специфичных к той или иной аминокислоте. Можно назвать все те же амино- ацил-тРНК-синтетазы, каждая из которых специфична для од­ной данной аминокислоты, протеолитические ферменты, разры­вающие быстрее всего пептидную связь около определенной, специфичной для данного фермента аминокислоты (ее радика­ла) и т. д. Однако кажется вероятным, что во всех перечисленных выше случаях специфичность по отношению к данной аминокис­лоте обусловлена специфической укладкой полипептидной цепи фермента, в результате чего в активном центре (точнее, в центре связывания аминокислоты на ферменте) достигается необходи­мое пространственное взаиморасположение нескЬ^ьких (двух, трех) аминокислотных радикалов. Впрочем, точно это еще неиз­вестно. Быть может, сама специфичность связывания ферментом данной аминокислоты обусловлена наличием лишь одного тако­го же или комплементарного ему аминокислотного радикала по­липептидной цепи фермента. Остальные аминокислотные радика­лы в центре связывания выполняют другие функции — собствен­но каталитические, а именно обеспечивают поляризацию связан­ной молекулы, ее деформацию и т. п.}

_{Может показаться, что я ломлюсь в открытую дверь — спо­собность аминокислот к кристаллизации — чего еще желать для иллюстрации матричных свойств аминокислот? Однако возмож­ность кристаллизации аминокислот в значительной мере опреде­ляется геометрией их заряженных групп (отрицательного карбо­ксила и положительно заряженной аминогруппы). Геометрия этих ионизированных групп у всех аминокислот практически оди­накова. Поэтому вряд ли можно ожидать избирательной кри­сталлизации аминокислот из их смеси. Впрочем, возможна ли такая избирательная кристаллизация, я не знаю (но очень хотел ■был бы узнать). Вместе с тем общеизвестна способность белков, полипептидов образовывать кристаллы. К сожалению, это их свойство не очень проясняет картину. Во-первых, не известно, возможна ли избирательная кристаллизация белков, во-вторых, она определяется не столько детальным соответствием полипеп­тидных цепей друг другу, сколько сходством геометрии целых белковых глобул. Кроме того, нас интересует способность поли­пептидных цепей служить матрицами при синтезе новых поли­пептидных цепей из аминокислот. Это значит, что нас интересу­ет специфическое связывание аминокислот на полипептидной цепи.}

_{Насколько мне известно, возможность такого специфического связывания не исследована. Много лет назад я занимался изу­чением связывания меченных (метками служили радиоактивные изотопы углерода или серы) аминокислот белками [334]. Белки действительно связывают аминокислоты, причем для разных аминокислот это происходит неодинаковым образом. Однако специфичность такого связывания, его обусловленность амино­кислотным составом белка должным образом не изучены. Всего- то речь идет об опыте, в котором... нужно измерить количество разных аминокислот, неотмываемых от полипептидов разного ■состава.}

_{Особый интерес в связи с обсуждаемыми вопросами представ­ляют взгляды Н. Г. Есиповой, изложенные ею по моей просьбе ниже. «Еще раз напомним, что Крик выдвинул адаптерную ги}­_{потезу, в которой соответствие между аминокислотой и трину-клеотидом устанавливается специальной молекулой-адаптером (транспортной РНК), только потому, что он не усмотрел кон- формационного соответствия между тринуклеотидом в раз}­_{вернутой конформации и аминокислотой. Важная черта адаптер- ной гипотезы состоит также в том, что длина кодона становится унифицированной, не зависящей от размера аминокислоты. Адап­тер является по существу элементом логической машины и с его помощью могут исправляться ошибки, которые были бы фаталь­ны при прямом конформационном соответствии аминокислот и нуклеотидов. Весьма привлекательна, однако, мысль, что на ран­них этапах эволюции между полинуклеотидами и аминокислота­ми существовало такое непосредственное соответствие. Подобный механизм обладает очевидным преимуществом и очень прост, кроме того он обеспечивает обратное влияние аминокислотной последовательности на полинуклеотидную, а подобного рода об­ратная связь, быть может, и создает то недостающее ускорение эволюции, которое позволило начальным ее этапам уложиться в известные нам сроки.}

_{Вначале рассмотрим возможное непосредственное соответст­вие аминокислоты и кодирующего ее триплета. Анализ стереохи­мии аминокислот и триплетов, входящих в состав ДНК, прове­денный в двух лабораториях почти аналогичными методами по­казывает, что всегда можно заметить специфическое соответст­вие боковых радикалов аминокислоты и триплета из нуклеоти}­_{дов, если аминокислота расположена в малой бороздке двойной спирали ДНК. Структурное подобие описанного типа наглядно определяет степень вырожденности кода — короткие аминокис­лоты (гли, ала, сер) кодируются фактически одним нуклеотидом, средние — двумя и, наконец, наиболее длинные — арг, лиз, три— тремя нуклеотидами. Наличие такого соответствия можно счи­тать одним из факторов эволюции сопряженного синтеза нуклеи}­_{новых кислот и белков.}

Предыдущая глава

4

Следующая глава