Меклер Л.Б., Идлис Р.Г.
Москва 1981
Свойства кода
Итак, мы видим, что рис. 5 и рис. 6 представляют собой обобщение системы биологического кодирования и функциональной взаимосвязи, существующей между основными компонентами биологических систем, детерминируемых данным кодом. Эти схемы демонстрируют, что в основе биологического узнавания лежит:
1) линейная комплементарноеть друг другу соответствующих нуклеотидов – код Н – Н (А–Т, Г–Ц, А–У);
2) линейная комплементарностъ аминокислотных остатков их антикодонам – код А – Н;
3) линейная комплементарность таких пар аминокислотных остатков, для которых хотя бы один из кодонов, кодирующих первый аминокислотный остаток, является антикодоном для второго – код А – А.
Что же представляет собой генетический код, определяющий трансляцию, с позиций концепций, показанной на рис. 5 и рис.6?
Схема рис. 5 демонстрирует, что данный код представляет собой не что иное, как проявление физико-химического и топологического соответствия между тринуклеотидами, из которых построены биологические РНК, и аминокислотными остатками биологических полипептидов (частный случай принципа физико-химического и топологического соответствия [37, 38]), следствием чего и является возможность трансляция комплементарных друг другу по Н – Н коду тринуклеотидов в комплементарные друг другу по А – А коду аминокислотные остатки.
В другой формулировке, соответствующей схеме, показанной на рис. 6, генетический код представляет собой гомоморфное отображение множества тринуклеотидов, из которых построены биологические РНК, во множество аминокислотных остатков биологических полипептидов, при котором комплементарные по Н – Н коду тринуклеотиды отображаются (транслируются) в комплементарные по А – А коду аминокислотные остатки.
Вторым проявлением данного соответствия (следствием гомоморфизма), определяющим саму возможность существования живых систем, является соответствие трехмерной структуры полипептида трехмерной структуре кодирующего его полинуклеотида. Это означает, что если первичная структура данного полинуклеотида такова, что в нем имеются состоящие из тринуклеотидов палиндромы, т.е. нуклеотидные последовательности, которые могут быть преобразованы в состоящие из тринуклеотидов двуспиральные шпильки с одноцепочечными шляпками – трехмерные грибообразные структуры, – то в трехмерной молекуле кодируемого этим полинуклеотидом полипептида обязательно будут содержаться соответствующие грибообразные структуры. Примером справедливости сказанного служит рис. 7 (б и в), а также строение регуляторной области лактозного оперона E. coli и трехмерной молекулы полипептида, который может быть синтезирован при трансляции соответствующей нуклеотидной последовательности (рис. 8а и 8б) [104, 105]. Однако, поскольку генетический код вырожден, т.е. представляет собой гомоморфное, а не изоморфное отображение, возможны случаи, при которых не образующий грибообразной структуры полинуклеотид кодирует полипептид, трехмерная молекула которого будет грибообразной (рис. 7а и 7в).
Ясно, что в первом случае полинуклеотид и кодируемый комплементарным полинуклеотидом полипептид смогут узнавать друг друга и образовывать соответствующий комплекс – биологический нуклеопротеид, – а во втором – нет. Образно говоря, книга жизни написана по принципу узелковой письменности, в качестве примера которой можно привести принцип письменности индейцев майя. В этой системе нити, на которых записаны тексты, это двуспиральные молекулы ДНК, узелки на нитях, взаимное расположение которых определяет содержание слов и фраз, – одноцепочечные кольцевые ее участки, образующиеся из соответствующих последовательностей палиндромов, а пальцы, читающие эти тексты, – кольцевые одноцепочечные структуры полипептидов (белков) – их антигенные детерминанты и иные им подобные структуры. Сказанное соответствует идее, сформулированной впервые А.Гирером [106], а затем развитой Ф.Криком [69], согласно которой узнаваемые последовательности регуляторных элементов ДНК хромосом локализуются в областях их одноцепочечных полинуклеотидных петель.
Необходимо подчеркнуть, что вследствие вырожденности кода возможны ситуации, при которых в трехмерной молекуле полинуклеотида будут возникать грибообразные структуры, не все нуклеотидные остатки которых, образующие ножку гриба, будут связаны друг с другом водородными связями, тогда как соответствующая ножка гриба полипептида, тем не менее, будет стабилизирована полностью (рис. 7а и 7в). Ясно, что полное соответствие между трехмерной структурой полипептида и кодирующего его полинуклеотида, при котором имеет место равная степень стабильности структур, ответственных за их взаимное узнавание, возможна лишь в том случае, когда для кодирования аминокислотных остатков, образующих ножку гриба, и, следовательно, комплементарных друг другу по А – А коду, используются кодоны, комплементарные другу по Н – Н коду. Можно полагать, что именно это обстоятельство ответственно за неоднократно отмечавшуюся в литературе [70–72] неравную частоту использования альтернативных кодонов для кодирования тех или иных аминокислотных остатков в различных ситуациях.
Резюмируя сказанное выше по данному вопросу, мы можем заключить, что в основе принципа перекрестной стереокомплементарности, по-видимому, действительно лежит линейное узнавание, реализующееся на уровне аминокислотные остатки – антикодоны, и что этот принцип должен проявляться лишь постольку, поскольку в трехмерных молекулах полинуклеотидов и полипептидов имеются узнающие друг друга грибоподобные структуры. Таким образом, мы видим, что три принципа, лежащие в основе вывода данного кода, не являются независимыми друг от друга постулатами, а представляют собой различные проявления физико-химического и топологического соответствия, существующего между биологически значимыми аминокислотами и нуклеотидами.
Сказанное демонстрирует, что альтернатива между возникновением живых систем вследствие реализации физико-химических закономерностей, приводящих к появлению взаимно комплементарных олигонуклеотидов и олигопептидов [37], с одной стороны, и концепцией замороженного случая [108, 109], с другой, по-видимому, решается в пользу первой, т.е. в пользу детерминизма, а не случайности. Логическим аргументом в пользу справедливости сказанного является то обстоятельство, что, согласно данной концепции в основе построения и функционирования живых организмов лежит целостная симметричная система, определяющая узнавание друг другом ее компонентов (рис. 5 и рис. 6, а также рис. 4, демонстрирующий, что внутренняя симметрия присуща также самому коду А – А). О том, что данная логика не является просто математической абстракцией, а действительно представляет собой логику построения живых систем, свидетельствует тот факт, что на ее основе удается строить модели трехмерных комплексов биологических полипептидов и кодирующих их генов, согласующиеся с известными свойствами реальных комплексов.
Ответ на вопрос о том, за счет каких сочетаний элементарных единиц этих блоков возникает данная симметрия и какие физико-химические свойства этих единиц – аминокислотных остатков – ответственны за роль, играемую каждой из них в этих сочетаниях, дает описание А – А кода на языке теории графов (рис. 4). Детально этот вопрос изложен в статье [36]. Здесь необходимо отметить лишь следующее.
Во всех случаях (рис. 4) один из узнающих друг друга и связывающихся по А – А коду аминокислотных остатков обязательно является остатком полярной аминокислоты. Этот примечательный факт позволяет понять химическую природу кода. Он наводит на мысль, что в основе кода лежат два вида взаимодействий: взаимодействие, приводящее к образованию связей между гидрофобными группами боковых цепей аминокислотных остатков, и взаимодействие, приводящее к образованию связей между полярной группой одного аминокислотного остатка и пептидной группой остова, вклад в образование которой вносит аминокислотный остаток, полярной группы не имеющий. Это означает, что кодовые взаимодействия проявляются не между свободными аминокислотами, а лишь между аминокислотными остатками полипептидных (олигопептидных) цепей.
Можно полагать, что аналогичные два вида взаимодействий должны иметь место и при узнавании аминокислотными остатками нуклеотидов (триплетов) однониточных кольцевых структур полинуклеотидов, т.е. при реализации взаимодействий, определяемых принципом перекрестной стереокомплементарности.
Большое значение для образования параллельно идущих цепей остова взаимодействующих друг с другом полипептидов (условия, необходимого для образования связей по коду А – А), имеет гибкость боковых остатков аминокислот, что позволяет нивелировать различия в длине различных пар аминокислотных остатков, образующихся согласно коду, за счет большей или меньшей кривизны арок, образующихся между соединениями цепями остова полипептидных цепей. Однако детальное построение моделей кодовых взаимодействий – содержание другой статьи.
Граф наглядно демонстрирует смысл понятия стереоэквивалентности – понятия, позволяющего понять механику работы трехмерных молекул биологических полипептидов, и ряд закономерностей биологической эволюции. Согласно этому понятию, две аминокислоты называются полностью эквивалентными, если все аминокислоты, которым они стереокомплементарны, одни и те же. Полностью стереоэквивалентны, например, лизин и глутаминовая кислота, а также аргинин и глицин. Две аминокислоты, по крайней мере, частично стереоэквивалентны, если имеется лот я бы одна аминокислота, которой и первая, и вторая стереокомплементарны. Например, частично стереоэквивалентны метионин и валин. Из кода А–А следует, что замена данного аминокислотного остатка полипептида, связанного кодовой связью со стереокомплементарным ему аминокислотным остатком данного или другого полипептида, функционально сопряженного с данным, на стереоэквивалентный, не должна приводить ни к изменению структуры этого полипептида и его функции, ни к степени сопряженности его с другим функционально с ним связанным полипептидом. Напротив, замена данного аминокислотного остатка на аминокислотный остаток, ему не эквивалентный, должна приводить к утрате молекулой полипептида структурной целостности, а скорее всего, и функциональной активности. Замена на частично стереоэквивалентный аминокислотный остаток может привести к первому, либо ко второму результату, в зависимости от того, с каким из аминокислотных остатков должен образовать кодовую связь вновь появившуюся в составе полипептида аминокислотный остаток. Ясно, что эти взаимодействия между аминокислотными остатками белков налагают ряд ограничений на условия, определяющие полезность для организма тех или иных мутаций.
Ниже будет показано, что понимание этих свойств кода необходимо для построения трехмерных молекул полипептидов и нуклеопротеидов и контролирования правильности выбираемой трассы свертывания рождающегося полипептида.
Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер
