Общий стереохимический генетический код - путь к биотехнологии и универсальной медицине XXI века уже сегодня
Л. Б. Меклер, Р. Г. Идлис
Раздел 2
РЕШЕНИЕ - ТРИВИАЛЬНО
Бог не играет в
кости.
А. Эйнштейн
И миновали пять лет. И что же? Прогноз этот, к сожалению, оказался верным. Действительно, в концептуальной статье "The Protein Folding Problem", посвященной той же проблеме, написанной Ф. Ричардсом, пионером и по сей день одним из лидеров многотысячной армии западных исследователей, с всевозрастающей энергией атакующих эту вершину, читаем: "Теоретически все, что необходимо знать, чтобы сформировать трехмерную молекулу белка таким образом, чтобы она обладала свойственной ей биологической активностью, это последовательность аминокислотных остатков ее полипептидной цепи. Почему же никто не в состоянии ввести эту теорию в практику?"14
Ответ прост. Из блестящего эксперимента, поставленного Анфинсеном с сотрудниками, однозначно следует только тот факт, что такая теория должна существовать, но не сама эта теория. Ибо теория, согласно Ф. Бэкону, это лаконичное изложение совокупности знаний, обладающей предсказательной способностью. А именно этой цели западные исследователи и не могут достигнуть, несмотря на использование всей техники современных самых тонких и полифакторных экспериментов физико-химического анализа биополимеров.
Так в чем же дело? Чего не хватает: "удачи" или "ясности мышления"? Это тем более удивительно, что сегодня ответ на вопрос, что такое "вторая половина генетического кода", так же лежит на поверхности, как четверть века тому назад "первая половина генетического кода".
Действительно, обращаясь к дискуссии на эту тему, столь блистательно изложенной Дж. Колатой, видим, что термин "генетический код" в целом, т. е. "первая его половина" (расшифрованный код трансляции информационных РНК в полипептидные цепи) и "вторая его половина" (нерасшифрованные пока правила, детерминирующие построение трехмерных молекул белков по их линейным аминокислотным последовательностям) лидерами изучения этой проблемы на Западе трактуется как код, определяющий путь от гена к трехмерной работающей молекуле белка. Принципиально, однако, важно, что и участники этой дискуссии, и, судя по результатам, другие исследователи не видят никакой взаимосвязи между первой и второй "половинами" генетического кода, и в этом суть дела.
А между тем уже сам этот термин, "вторая половина генетического кода", явно не случайно получивший широкое распространение15, напрямую указывает на существование прямой взаимосвязи между первой и второй "половинами" генетического кода, ибо между двумя половинами единого целого всегда существует такая, хотя зачастую и скрытая взаимосвязь. И задача состоит в том, чтобы эту скрытую взаимосвязь превратить в явную, что мы ниже и постараемся сделать. Более того, этот термин подсказывает и ответ на вопрос, что собой представляет "вторая половина генетического кода", и ответ на вопрос, в каких символах она записана, и ответ на вопрос, каким образом Природа, читая эту символику, строит трехмерные молекулы работающих биологических микромашин.
Действительно, рассмотрим данную проблему с точки зрения все обобщающей математики, а именно, той ее области, предмет, которой - множества, отношения между элементами множеств и отображения множеств друг в друга, сохраняющие отношения между элементами множеств, так называемые гомоморфизмы, и выразим ее в этих понятиях. Для этого необходимо ответить на следующие три вопроса.
Первый вопрос: что такое, с точки зрения математики, "первая половина генетического кода"? Ответ: это отображение множества тринуклеотидов-кодонов биологических полинуклеотидов в множество аминокислотных остатков кодируемых биологическими полинуклеотидами биологических полипептидов.
Второй вопрос: имеется ли какое-либо отношение между элементами множества тринуклеотидов-кодонов, и если да, то в чем оно выражается? Или, говоря на языке химии; каким образом тринуклеотиды-кодоны узнают друг друга и связываются друг с другом? На этот вопрос положительно и однозначно отвечает правило стереокомплементарности нуклеотидов, открытое Э. Чаргаффом, Дж. Уотсоном и Ф. Криком: кодоны узнают друг друга потому, что нуклеотиды, из которых они построены, стереокомплементарны друг другу (аденин - тимину, или урацилу, агуанин - цитозину)16. Именно это отношение между элементами множества нуклеотидов представляет собой фундамент и молекулярной биологии, и всей биологии в целом, ибо геном любого живого организма, от бактерии до человека, - двойная спираль ДНК, построенная из взаимно стереокомплементарных по этому правилу линейных молекул ДНК. И хорошо известно, что не только геном, но и трехмерные молекулы любых биологических полинуклеотидов: транспортные РНК, рибосомальные РНК, информационные РНК, - формируются из их линейных цепей именно согласно этому правилу, которое мы назвали нуклеотид-антинуклеотид-кодом, или Н-Н-кодом.
Третий вопрос: имеется ли какое-нибудь отношение между элементами множества аминокислотных остатков, и если да, то в чем оно выражается? Принципиальный положительный ответ на первую половину этого вопроса дал Анфинсен, ибо ничто другое, кроме стереохимической комплементарности аминокислотных остатков - элементов данного множества - или каких-либо их сочетаний, не может быть той причиной спонтанного превращения линейных полипептидных цепей в трехмерные молекулы белков, которые наблюдаются в этих экспериментах. Однако считается, что на вторую половину этого вопроса ответа нет.
Итак, необходимо найти такое отношение между аминокислотными остатками, такой стереохимический код, согласно которому строятся трехмерные молекулы белков.
Сопоставляя эту цель с ответом на второй вопрос, видим, что искомое отношение между аминокислотными остатками играет в построении Природой трехмерных молекул полипептидов ту же роль, что и упомянутое в ответе на второй вопрос отношение между нуклеотидами - в построении Природой трехмерных молекул полинуклеотидов. Итак, видим, что эти два отношения подобны по своей роли: оба являются стереохимическими кодами и задают строение трехмерных молекул соответствующих биополимеров, и, следовательно, естественно ожидать, что они подобны и по своему выражению в соответствующих множествах. А это, в свою очередь, означает, что должен существовать соответствующий гомоморфизм, сохраняющий данное отношение между элементами этих множеств, т. е. "транслирующий" взаимно стереокомплементарные кодоны в некие взаимно стереокомплементарные объекты(аминокислотные остатки или какие-либо их сочетания?) множества аминокислотныхостатков. Что же это за гомоморфизм?
Имея в виду универсальность генетического кода трансляции, его фундаментальную роль в мире живой природы, и вспоминая также, что "вторая половина генетического кода" - это "правила, детерминирующие построение трехмерных молекул белков по их линейным аминокислотным последовательностям", остается лишь сделать следующий вывод: именно сам генетический код трансляции (см. ответ на первый вопрос) и есть этот искомый гомоморфизм, отображающий множество тринуклеотидов-кодонов во множество аминокислотных остатков, сохраняя отношение стереохимической комплементарности между элементами этих множеств!
В результате получаем формулу, выражающую искомое отношение: взаимно стереокомплементарные тринуклеотиды (кодоны) транслируются согласно генетическому коду в аминокислотные остатки, которые тоже, в свою очередь, стереокомплементарны друг другу. Мы назвали это отношение между аминокислотными остатками аминокислотный остаток - антиаминокислотный остаток - кодом, или А-А-кодом (см. рис. 1).
Итак, у генетического кода действительно есть "вторая половина", ибо генетический код - это не только правило трансляции множества тринуклеотидов в множество аминокислотных остатков ("первая половина"), но и гомоморфизм, сохраняющий отношение стереохимической комплементарности, отображающий Н-Н-код в А-А-код ("вторая половина").
Что же касается исходного смысла понятия "вторая половина генетического кода" (т. е. "правил, детерминирующих построение трехмерных молекул белков по их аминокислотным последовательностям"), то эти правила должны быть, по существу, аналогичны правилам построения трехмерных молекул ДНК и РНК, т. е. алгоритмом формирования трехмерных молекул белков, согласно стереохимической комплементарности аминокислотных остатков их линейных полипептидных цепей. И это - следующая стадия решения Protein Folding Problem.
Следует, однако, подчеркнуть, что разработку алгоритма формирования трехмерных молекул РНК по линейной последовательности нуклеотидов западные авторы, как это ни удивительно, и по сей день считают преждевременной задачей, ограничиваясь лишь решением задачи отыскания их возможных вторичных структур - совокупности "двойных спиралей", ссылаясь на тот факт, что пока опубликованы результаты РСА лишь самых малых РНК - транспортных, а значит, отсутствуют эталоны проверки степени достоверности такого алгоритма17.
Примечательно, что А-А-код, как показал Г. М. Идлис, можно вывести и пользуясь логикой современной теоретической физики, т. е. исходя и из общих принципов симметрии физического мира18. Но этот путь решения данной проблемы - от математики к физике, к химии, к биологии был реализован после того, как этот код уже был открыт (открыт еще до полной расшифровки генетического кода) - в результате анализа данной проблемы в диаметрально противоположном направлении - от биологии к химии и физике живого мира19.
14 Richards F. M. // Scientific American, 1991. N 1. Р. 34-41.
15 См., например: PROTEIN FOLDING. Decifhering the Second Half of the Genetic Code / Ed. by L. M. Gierasch and J. King // American Association for the Advancement of Science, 1990.
16 Нобелевская премия Ф. Крику, Дж. Уотсону и М. Уилкинсу "за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи" (1962 г.).
17 Zuker М. // Science. 1989. V. 244. Р. 48-52.
18 Идлис Г. М. Единство естествознания по Бору и единообразные взаимосвязанные периодические системы физики, химии, биологии и психологии. Ч. 1. // Исследования по истории физики и механики. М., 1990. С. 37-78; Идлис Г. М. Генетический код как необходимое следствие стереохимической комплементарности // История и методология естественных наук. Вып. 27. Физика. М.: Изд-во МГУ, 1982. С. 17-46.
19 Mekler L. В. // Nature. 1965. V. 206. Р. 343-346; Mekler L. В. // Nature. 1967. V. 215. Р. 481-484; Meклер Л. Б. // Биофизика. 1969. Т. 14. № 1. С. 202- 207; Mekler L. В., Shiyankevich М. L., Shevlyagin V. I. // Archiv fur die gesamte Virusforschung.1970. V. 30. P. 309-315; Меклер Л. Б. // Биофизика.1969. Т. 14. № 4. С. 581-584; Meклер Л. Б. Материалы к изучению вирусов. Структуры поверхности вирусов и клеток. Некоторые вопросы теории и методы экспериментального изучения проблемы. Докт. дисс.Ч. I. Ч. II. Пущино, 1969; Mekler L. В. // Oncology (Switzerland). 1973. V. 27. Р. 286-288.
Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер
