Эквиспиральность вторичной структуры биологических

188
Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2004. №4(34).
УДК 576.1
ЭКВИСПИРАЛЬНОСТЬ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ
БИОЛОГИЧЕСКИХ МАКРОМОЛЕКУЛ1
c 2004
Ю.П. Фролов2
В работе рассмотрен феномен эквиспиральности вторичных структур белков и нуклеиновых кислот. Предложена гипотеза, объясняющая эволюционную обусловленность появления эквиспиральности.
Введение
У современных эукариотических организмов функции хранения, тиражирования, реализации генетической информации, а также ее репарации
разграничены во времени и пространстве, а для выполнения их клетка использует специализированные, сложно устроенные макромолекулярные и
надмолекулярные структуры. Эволюция не сохранила в явном виде промежуточные варианты таких структур даже у наиболее примитивных одноклеточных организмов, что является свидетельством очень раннего формирования этих структур и механизмов. Поэтому при мыслительной реконструкции их эволюции исследователю не на что опереться, кроме молекулярных реликтов и логических умозаключений, основанных на свойствах макромолекул, принимающих участие в информационных процессах
современных клеток. К числу таких процессов относится трансляция — перевод информации, задаваемой последовательностью нуклеотидов матричной РНК (мРНК), в последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи. Система синтеза полипептидной цепи чрезвычайно сложна и
включает в себя около 200 типов макромолекул. Синтез цепи осуществляется в четыре последовательные стадии: активирование аминокислот, инициацию синтеза полипептидной цепи, элонгацию и терминацию. Конечно,
этот механизм с его многочисленными участниками формировался в течение очень длительного времени, но на начальном этапе был относительно
прост. Сложность современного аппарата трансляции своими многочисленными деталями, делающими его работу более совершенной, затрудняет поиск возможного процесса, с которого и началась эволюция трансляции.
1
Представлена доктором биологических наук профессором В.Г. Подковкиным.
Фролов Юрий Павлович, кафедра биохимии Самарского государственного университета, 443011, Россия, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.
2
Эквиспиральность вторичной структуры биологических макромолекул
189
По-видимому, и в этом случае Природа пошла по проверенному пути
последовательного видоизменения уже испытанных механизмов решения новых задач. В это время уже существовал первоначальный вариант репликации полинуклеотидов, основанный на принципе комплементарности — взаимного соответствия химического строения двух макромолекул.
1. Феномен эквиспиральности
В 1968 г. Уоэз [1] выдвинул гипотизу, согласно которой эволюция клетки
началась с двух широко распространенных видов полимеров — полинуклеотидов, богатых пуринами, и полиаминокислот, которые состояли главным
образом (если не исключительно) из основных аминокислот. Один из этих
видов полимеров рассматривался в качестве катализатора, действующего
особым образом при синтезе другого, и наоборот. В соответствии с этой
гипотезой, трансляция начиналась в виде ”прямого копирования”, которое
первоначально было обратимым процессом, а не однонаправленным, как в
настоящее время. Существенным доводом в пользу гипотезы Уоэза явились
эксперименты Бьернсона и других ученых [2] по троекратному увеличению
скорости конденсации лизина в присутствии полиадениловой кислоты.
С предположением о ”прямом копировании” генетической информации
в период становления процесса трансляции согласуется обнаруженный автором статьи феномен эквиспиральности вторичной структуры полипептидов и нуклеиновых кислот [3, 4]. Сущность его состоит в следующем. Один
виток α-спирали, которая является широко распространенной структурой
белковой молекулы, образован 3,6 аминокислотными остатками, которым
на ДНК соответствуют 3, 6 · 3 = 10, 8 оснований. Известно, что на один виток вторичной структуры ДНК (хеликса) в В-форме приходится 10 пар
нуклеотидов, а в А-форме, которую, как считают, ДНК принимает при
транскрипции (в ”рабочем” состоянии), — 11 пар нуклеотидов. Таким образом, число витков α-спирали полипептида практически совпадает с числом
витков спирали ДНК, на которой закодирована аминокислотная последовательность этой α-спирали. Обе спирали правые.
У некоторых вирусов генетический материал представлен двуцепочечной РНК. Обнаружены двуцепочечные РНК и у эукариот. Частичное двуцепочечное состояние является характерным для всех рибонуклеиновых кислот при нормальных физиологических состояниях. Двуцепочечные структуры РНК имеют форму двойной спирали. По Спирину, в образовании двуспиральных участков мРНК принимают участие от 40 до 70% всех нуклеотидов молекулы. Двуспиральная РНК существует только в правой А-форме, в основных чертах сходной с А-формой ДНК. Подобно последней, на
один виток спирали у нее приходится 11 пар нуклеотидов. В одноцепочечных участках РНК наблюдаются сильные стэкинг-взаимодействия оснований, вследствие чего они стремятся принять конформацию одноцепочечной
190
Ю.П. Фролов
спирали [5]. Таким образом, феномен эквиспиральности распространяется
и на молекулы РНК.
2. Появление эквиспиральности в эволюции
Все сказанное выше относительно эквиспиральности макромолекул дает
основание сделать некоторые предположения о начальных этапах ее появления.
Преобладающее распространение среди ученых по ряду веских причин
получило представление о первичности возникновения в эволюции молекул
РНК по отношению к молекулам ДНК. Первоначальные формы жизни содержали в качестве генетического материала РНК. ДНК появилась позже,
после чего произошло разделение функций между ДНК и РНК в том виде,
в котором они существуют в настоящее время.
Эквиспиральность ДНК и РНК вполне объяснима необходимостью стерического соответствия этих молекул, так как последняя в процессе транскрипции синтезируется по матричному механизму непосредственно с молекулы ДНК, а при обратной транскрипции по этому же механизму осуществляется синтез молекулы ДНК путем непосредственного контакта с
молекулой РНК.
Естественно возникает предположение о существовании в далеком прошлом тесного контакта между полинуклеотидными и полиаминокислотными цепями, которым и обусловлена сохранившаяся до настоящего времени
их эквиспиральность. Вероятнее всего этот контакт был связан с процессом
синтеза полипептидов на полинуклеотидных цепях путем ”прямого копирования” информации непосредственно с ее первичного носителя — молекулы
РНК, и наоборот.
Полагают, что первичный генетический код был двоичным, о чем свидетельствует решающее значение двух первых оснований современного трехчленного генетического кода. Число аминокислот, из которых вначале формировались полипептидные цепи, не превышало 10, поэтому двоичный код
был вполне достаточным и даже несколько избыточным (вырожденным).
Позднее число аминокислот увеличилось до 20, что повлекло за собой переход с двухчленного кода на современный трехчленный [6].
Эквиспиральность — явление не случайное, представляющее результат
длительной коадаптации аминокислот и мононуклеотидов при формировании механизмов трансляции. Рассмотрим один из предположительных вариантов такой коадаптации. Будем считать, что в примитивной предбиологической системе (ППС), например коацервате, сформировался процесс
синтеза рибонуклеиновых кислот с участием органического катализатора
рибонуклеиновой природы (так как синтез полипептидов еще не существовал). Источником энергии для эндергонических реакций служат нуклеозидтрифосфаты, которые могут проникать вместе с аминокислотами внутрь
Эквиспиральность вторичной структуры биологических макромолекул
191
ППС через ее поверхность. Необходимым условием ”прямого копирования”
является специфическое сродство аминокислот к определенным кодонам
(тринуклеотидам), в первую очередь к первым двум нуклеотидам, которые главным образом определяют принадлежность (и сродство) тринуклеотида к конкретной аминокислоте. В ППС имеется малоспецифичный
катализатор, который, подобно аминоацил-тРНК-синтетазе (АРСазе), способен осуществлять активирование α-аминокислот путем образования, например, аминоациладенилата. В связи с малой специфичностью катализатора СООН-группа любой аминокислоты присоединяется ангидридной связью к 5-́фосфатной группе АМФ с выделением пирофосфата. Аминоациладенилат при этом получает от АТФ энергию, необходимую для образования пептидной связи. В объеме ППС имеются растущие или прекратившие рост цепи РНК, активированные и неактивированные аминокислоты.
К начальному триплету РНК присоединяется родственная ему активированная аминокислота в комплексе с аналогом АРСазы (”аминоациладенилатферментный комплекс”). Следующая активированная аминокислота может присоединяться только ко второму триплету (за это отвечает катализатор — аналог АРСазы) и при условии ее сродства к этому триплету,
после чего между двумя присоединившимися к молекуле РНК аминокислотами образуется пептидная связь. Затем от первой (израсходовавшей свою
макроэргическую связь на образование пептидной связи) аминокислоты отделяется ”фермент” (катализатор) и АМФ, а сама она утрачивает связь со
своим триплетом и пространственно отделяется от него. Далее ко второму
комплексу активированной аминокислоты присоединяется активированный
комплекс третьей аминокислоты, и процесс образования трипептида пойдет по описанной выше схеме. После завершения ”прямого копирования”
образуется свободный полипептид, коллинеарный (однозначно соответствующий) последовательности триплетов (кодонов) РНК.
Не исключено, что внутри ППС могло происходить обратное копирование, при котором с участием соответствующего катализатора осуществлялось последовательное построение из рибонуклеозидтрифосфатов на полипептидной цепи родственных каждому аминокислотному остатку триплетов, связывание их между собой с образованием в конечном счете молекулы
РНК.
Так происходило перекрестное неизбирательное (или малоизбирательное — за счет особенностей аминокислотного и нуклеотидного состава среды) тиражирование полипептидов и полинуклеотидов. Если среди них оказывались молекулы, способствующие более быстрому росту коацерватов, то
соответственно чаще происходило их деление. Распределение молекул полипептидов и РНК между разделившимися коацерватами носило случайный
характер, поэтому преимущество в борьбе за существование получали те
из них, в которых оказывалось больше молекул, обладающих полезными
свойствами. При последующих делениях коацерватов в силу неравномерности распределения молекул происходило еще большее расхождение потом-
192
Ю.П. Фролов
ков исходного коацервата на более и менее приспособленные. К тому же и
ускорение размножения и повышенная способность противостоять вредным
условиям среды более приспособленных коацерватов способствовали вытеснению из популяции коацерватов менее приспособленных, то есть естественному отбору.
Позднее произошло разделение функций, связанных с синтезом полинуклеотидов и полипептидов, между новыми структурами. Благодаря обратной транскрипции появился основной носитель генетической информации — молекулы ДНК, а молекулы РНК стали синтезироваться матричным путем с ДНК. ”Прямое копирование” было заменено трансляцией с участием рибосом. Процесс реализации генетической информации
стал преимущественно однонаправленным (”клеточная вертикаль власти”:
ДНК → мРНК → белок). Тем не менее, относительно простые способы
”прямого копирования”, как показывает рассмотренный выше предположительный механизм их реализации, на этапе предбиологической эволюции
обеспечивали совершенствование коацерватов, способствовали превращению
их в первичную клетку (протоклетку).
Таким образом, необходимость стерического соответствия полипептидов
и нуклеиновых кислот (РНК, ДНК) при ”прямом копировании” в ранний
период эволюции обусловила эквиспиральность этих молекул. Она сформировалась путем естественного отбора соответствующих форм стереоизомеров (D-форма рибозы и дезоксирибозы, L-форма аминокислот), которые
дают правые спирали, а также конкретных представителей оснований нуклеиновых кислот, обеспечивающих, прежде всего, за счет стэкинг-взаимодействий соответствие шага спиралей ДНК и РНК шагу α-спирали белков. Последнюю, по-видимому, можно считать наиболее древней вторичной
структурой белков. Позднее, когда их биосинтез начал осуществляться на
рибосомах, стало возможным появление и других видов вторичных структур, в частности, складчатых, а также бесструктурных участков.
Левая и правая спирали, вероятно, практически равноценны, хотя полагают, что правая α-спираль белков энергетически несколько выгоднее левой [7]. По-видимому, в предбиологический период в химических реакциях
участвовали как D-, так и L-формы аминокислот и углеводов. Однако в какой-то период получили существенное преимущество в соревновании ППС с
правоспиральными формами полиаминокислот и полинуклеотидов, способными к ”прямому копированию” и быстрому воспроизведению друг друга.
Это обстоятельство и привело к практически полному вытеснению в дальнейшем из живых систем левосторонних форм спиралей, поскольку соответствующие формы мономеров для правосторонних спиральных структур
стали синтезироваться биогенным путем ”по образу и подобию” существующих в этих биосистемах (L-формы аминокислот, D-формы углеводов).
Эквиспиральность вторичной структуры биологических макромолекул
193
Литература
[1] Woese C.R. // Proс. Nat. Acad. Sci. V. 50. 1968. P. 110 (цит. по [2]).
[2] Бьернсон Л., Леммон Р., Кальвин И. Реакции конденсации лизина в
присутствии полиадениловой кислоты // Происхождение жизни и эволюционная биохимия. М.: Наука, 1975. T. 22–26.
[3] Фролов Ю.П., Серых М.М. Управление биологическими системами:
Клеточный уровень. Самара: Изд-во ”Самарский университет”, 2000.
116 с.
[4] Фролов Ю.П., Серых М.М., Макурина О.Н. и др. Биохимия и молекулярная биология. Самара: Изд-во ”Самарский университет”, 2004.
501 с.
[5] Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот /
Под ред. А.С. Спирина. М.: Высшая школа, 1990. 352 с.
[6] Жданов В.М. Эволюция вирусов. М.: Медицина, 1990. 376 с.
[7] Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков.
М.: Высшая школа, 1996. 335 с.
Поступила в редакцию 26/V/2004;
в окончательном варианте — 26/V/2004.
ON THE SECONDARY STRUCTURE EQUIHELICITY OF
MAIN BIOLOGICAL MACROMOLECULES3
c 2004
Y.P. Frolov4
The equihelicity phenomenon for proteins and nucleic acids of secondary structure is discussed. A hypothesis that makes clear the evolution of equihelicity is proposed.
Paper received 26/V/2004.
Paper accepted 26/V/2004.
3
Communicated by Dr. Sci. (Biology) Prof. V.G. Podkovkin.
Frolov Yuriy Pavlovich, Dept. of Biochemistry, Samara State University, Samara,
443011, Russia.
4