XIII.3. Стабильность комплементарных структур

Более ценные указания, связанные с проблемой первых кодонов, могут быть получены из данных о стабильности пар оснований. Результаты исследования стабильности и скорости спаривания оснований с использованием различных комбинаций нуклеотидов подробно обсуждались в обзорах [4, 44]. Они обосновывают количественно то общепринятое мнение, что GC-пары значительно сильнее стабилизируют кооперативную стопку оснований, чем -пары.

Константа стабильности непрерывной и однородной олигомерной последовательности из

нуклеотидных пар дается следующей формулой:

которая относится к линейной модели Изинга. это фактор кооперативности, который как для так и для по порядку величины равен константа стабильности отдельной пары в кооперативной стопке. Для гомополимера этот параметр примерно на порядок меньше, чем для гомополимера или при грубой количественной оценке:

Для случая, когда одна из комплементарных цепей может принимать ту конкретную конфигурацию стопки, которая реализуется в антикодоновой петле тРНК, получены большие значения абсолютной стабильности, чем рассчитанные по формуле (91). Вероятно, фактор кооперативности (3 в этом случае иной. Однако Уленбек, Бэттер и Доти [65, 66] установили, что три- и тетрануклеотиды, комплементарные антикодоновой области тРНК и различающиеся одной парой различаются по своим константам стабильности на один порядок — в полном согласии с приведенной выше оценкой. С этим также согласуется то, что найденные максимальные абсолютные значения констант стабильности относятся к взаимодействию двух тРНК, имеющих комплементарные антикодоны [67].

Данные, полученные для определенных коротких последовательностей, могут быть использованы по крайней мере для сравнения различных моделей репликации и трансляции и для суждения об их относительной значимости. Очевидно, что изолированные -пары нестабильны при любых реальных концентрациях. Для начала репликации необходим некий вспомогательный этап — образование затравки, и именно этот этап в первую очередь требует

участия ферментов. Современные фаговые РНК-репликазы также специфически адаптированы к паттерну последовательности нуклеотидов фагового генома. Элонгация цепи происходит путем кооперативного связывания очередного нуклеотида на вершине стопки пар оснований растущей цепи. Имеющиеся данные указывают, что GC-napa примерно в десять раз более стабильна, чем это приводит к относительно большей точности копирования чем Если скорость репликации лимитируется образованием ковалентной связи в полинуклеотидном остове (а не спариванием оснований), то точность может зависеть от концентраций мономеров и от констант стабильности пар Тогда точность воспроизведения для любого данного нуклеотида может быть получена из среднего геометрического точностей для обоих комплементарных процессов

где и суммирование идет по всем Для или для эти значения равны, потому что ошибка может произойти как в плюс-, так и в минус-цепи. Если концентрации мономеров одинаковы, то константы стабильности определяют достижимую точность. Из этого следует, что воспроизводятся значительно более точно, чем Однако отношение темпов ошибок при воспроизведении GC и в смешанных системах не совсем совпадает с (обратным) отношением соответствующих констант стабильности, главным образом из-за наличия «качающихся» взаимодействий между которые являются основным источником ошибок воспроизведения — даже при репликации современных РНК-содержащих фагов [34].

Мы оценили значение на основании различных данных по взаимодействиям между нуклеотидами в отсутствие ферментов. Эти оценки представлены в

табл. 15. Первые три строки в этой таблице относятся к случаю равных концентраций мономеров Это допущение может быть весьма далеким от реальности, и поэтому трех следующих примерах использования данных по стабильности, которые были получены из опытов с олигонуклеотидами.

Таблица 15 (см. скан) Оценки точностей и вероятностей ошибок для воспроизведения по сравнению с оно снято. Можно поставить под сомнение правомочность Однако включение одного нуклеотида в процессе репликации сопровождается кооперативными взаимодействиями между парами оснований, и, следовательно,

относительные порядки величин, полученные для олигонуклеотидов, могут быть верны и для этого случая. Для вычисления требуются лишь относительные, а не абсолютные значения стабильности.

Из различных оценок, представленных в табл. 15, следует такой вывод: воспроизводятся со значительно большей точностью, чем В зависимости от превосходства отобранных последовательностей см. уравнение (28), часть воспроизводимое информационное содержание GC-богатых последовательностей в ранних репликативных процессах ограничивается примерно 20—100 нуклеотидами, т. е. тРНК-подобными молекулами, тогда как для -богатых последовательностей оно вряд ли может превосходить 10—20 нуклеотидных остатков на репликативную единицу. Здесь следует подчеркнуть, что, вообще говоря, могли существовать более длинные последовательности любого состава. Однако они не были воспроизводимыми и поэтому не могли эволюционировать в соответствии с каким-либо функциональным требованием.

Из анализа экспериментальных данных о репликации фага в части А мы заключили, что даже хорошо адаптированные РНК-репликазы не позволяют построить воспроизводимую цепь длиной более 1000—10 000 нуклеотидов. Эта оценка соответствует действительному числу генов у РНК-содержащих фагов.

Мы можем теперь сделать окончательные выводы относительно первичных механизмов репликации: при условии воспроизводимости такой размер, как вся тРНК, могли иметь только GC-богатые полинуклео-тиды. Таким образом, GC-богатые последовательности могли выступать в роли первичных тРНК (адаптеров) и воспроизводимых информационных РНК - по крайней мере до тех пор, пока репликация не стала катализироваться умеренно адаптированными ферментами.

Такое же заключение можно сделать относительно начала трансляции. Как подчеркивали Крик и др. [3], стабильность комплекса пептидил-тРНК-мРНК очень важна для любой модели примитивной

трансляции. Исходя из приведенных выше данных константа стабильности комплекса, состоящего из пяти равна

в то время как для пяти она на пять порядков меньше:

Эти значения опять необходимо рассматривать как относительные: в действительности они могут быть несколько выше, если допустить наличие стэкинга или предположить, что мы имеем дело с тРНК современного типа; это, однако, не делает неверными рассуждения, основанные на относительных величинах.

Оценки можно сделать также, используя данные по временам жизни. Найдено, что измеренные константы скорости рекомбинации комплементарных олигонуклеотидов всегда имеют порядок величины

Если воспользоваться приведенными выше константами стабильности, времена жизни соответствующих комплексов будут равны

Эти оценки снова могут стать несколько большими по величине, если стабильности окажутся выше и если две соседние тРНК, связанные с информационной РНК, стабилизируют друг друга. Тогда времена жизни оказываются как раз достаточными для того, чтобы GC-богатые последовательности могли породить примитивную трансляцию. Эти времена жизни определенно слишком малы, если преобладают -пары. Теперь мы видим, что некоторые недостатки, свойственные коду RNY по сравнению с кодом RRY, обусловленные соотношением стабильностей, могут быть скомпенсированы использованием преимущественно по крайней мере в части положений Четырехчленная GC-структура конечно более

бильна, чем любая пятичленная структура, включающая более чем две пары

Вывод следующий:

Возникновению трансляции сильно благоприятствуют GC-богатые структуры — как в случае предшественников тРНК, так и для информационных РНК.