Общий стереохимический генетический код - путь к биотехнологии и универсальной медицине XXI века уже сегодня
Л. Б. Меклер, Р. Г. Идлис
Раздел 5
ОБЩИЙ СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
И мимо всех
условий света
Стремится, набирая
сил,*
Как беззаконная комета
В кругу
расчисленном светил.
По А. С. Пушкину:
"Портрет"
Работая таким образом, мы показали, что фундаментом всей биологии, ее законом, детерминирующим самоорганизацию, функционирование и эволюцию любых биополимеров, является общий стереохимический генетический код (см. рис. 2).
Считаем необходимым еще раз подчеркнуть, что общий стереохимический генетический код не придуман ad hoc, не сформулирован "по аналогии", а выведен логически, в результате экстраполяции вниз - до самого низшего уровня организации биологических систем - закономерностей взаимного узнавания и связывания друг с другом элементарных структур иерархии биологических организмов и систем последующих уровней их организации: органов, тканей, клеток, субклеточных структур, биополимеров и, наконец, мономеров, из которых эти биополимеры построены.
Общий стереохимический генетический код (ОСГК) состоит из шести частных кодов.
I частный код ОСГК - Н-Н-код (не что иное, как хорошо известные правила Чаргаффа-Уотсона-Крика) определяет построение трехмерных молекул любых РНК и ДНК по их нуклеотидным последовательностям, в том числе знаменитой двойной спирали ДНК.
II частный код ОСГК - Т-код (не что иное, как генетический код трансляции) детерминирует переписывание генетической информации, записанной в РНК, в аминокислотные последовательности полипептидов.
III частный код ОСГК - А-А-код - детерминирует построение (самоорганизацию) трехмерных молекул полипептидов и белков и по ходу их синтеза рибосомами, и при их ренатурации в водно-солевых растворах типа цитозоля. Напомним, что согласно А-А-коду узнают друг друга и связываются друг с другом аминокислотные остатки этих биополимеров, один из которых кодируется кодоном, а другой - соответствующим антикодоном.
Граф А-А-кода наглядно демонстрирует, какие именно аминокислотные остатки (вершины графа) стереокомплементарны друг другу. Такие аминокислотные остатки соединены отрезками-стрелками (ребрами графа), направленными от полярного аминокислотного остатка к его партнеру.
Почему стрелками, а не просто черточками? Потому, что таким образом мы обращаем внимание читателей на химическую природу А-А-связи. В 20 случаях из 26 стрелка направлена от полярного аминокислотного остатка к неполярному, в оставшихся 6 - от полярного к полярному. Направление стрелки символизирует направление водородной связи: от полярной группы боковой цепи одного аминокислотного остатка - донора водорода - к СО-группе остова полипептидной цепи - компоненту аминокислотного остатка-партнера - акцептору этого водорода.
Следует подчеркнуть, что образующиеся таким образом водородные связи - это не те водородные связи, которые, согласно Полингу и Кори, детерминируют образование a-спиралей и b-структур белков (водородные связи, образующиеся между -CO...HN-группами остова полипептидной цепи)27. Напротив, обязательный компонент любой А-А-связи - водородная связь, образующаяся между полярной группой боковой цепи одного аминокислотного остатка и карбонилом остова полипептидной цепи компонентом аминокислотного остатка-партнера28. В результате образования такой водородной связи снимается препятствие образованию гидрофобных контактов между остальными атомами боковых цепей этих аминокислотных остатков, и "код гидропатичной антикомплементарности", постулированный Дж. Е. Блелоком и Е. М. Смитом29,превращается в код гидрофильно-гидрофобной стереокомплементарности - А-А-код ОСГК! Более того, именно совокупность этих гидрофобных взаимодействий приводит к образованию индивидуальных гидрофобных рубашек каждой из этих водородных связей, защищающих их от атаки молекулами растворителя, в первую очередь воды. Таким способом Природа обеспечивает образование особых, ранее неизвестных, специфических связей между аминокислотными остатками - А-А-связей.
Трехмерные молекулы полипептидов и белков строятся согласно А-А-коду непосредственно по ходу их синтеза рибосомами в результате последовательного образования - шаг за шагом - соответствующей совокупности А-А-связей формально так же, как строятся трехмерные молекулы полинуклеотидов в результате образования между их нуклеотидами соответствующей совокупности Н-Н-связей. Формально потому, что подобие имеет место только в отношении стабилизации трехмерных молекул этих биополимеров в результате образования водородных связей между их мономерами, но не в отношении порядка образования соответствующих водородных связей вдоль цепи этих биополимеров,
Трехмерные молекулы полипептидов и белков, образующиеся в результате образования между их аминокислотными остатками А-А-связей, - это совсем не те трехмерные молекулы, строение которых выявляют в результате РСА их кристаллов или ЯМР-анализа их концентрированных растворов. Это так называемые "промежуточные", "жидкие" молекулы, согласно широко распространенной терминологии, "расплавленные глобулы", существование которых мы обнаружили, начав строить трехмерные молекулы этих биополимеров согласно А-А-коду и данной теории еще в 1981 г. Справедливость этого предсказания была впоследствии подтверждена результатами опубликованных в литературе соответствующих экспериментов. Однако реальность существования этих промежуточных трехмерных молекул и данная терминология стали общепризнанными только к концу 80-х годов30.
Анализ соответствующей мировой научной литературы, посвященной определению вторичной структуры пептидов, полипептидов и белков по спектрам кругового дихроизма их разбавленных и концентрированных водно-солевых растворов, приводит к заключению: результаты этого спектрального анализа однозначно свидетельствуют, что в разбавленных растворах этих биополимеров конформация их трехмерных молекул длиною до 100 А задается именно А-А-связями, т. е. что в соответствующим образом разбавленных их растворах эти биополимеры "жидкие", а не "твердые", в концентрированных, в результате образования ими олигомеров, - превращаются в твердые.
Согласно данной теории, при соответствующем изменении условий среды трехмерные молекулы таких пептидов, полипептидов и белков претерпевают конформационный переход, подобный фазовому переходу первого рода "вода « лед", превращаясь из "жидких", по аномальности их физико-химических свойств (теплоемкости и объему) подобных воде, в "нативные", "твердые" трехмерные молекулы - компоненты их кристаллов или олигомеров, по аномальности тех же их физико-химических свойств подобные льду.
IV частный код ОСГК - П-К-код. Строение "твердых" молекул пептидов, полипептидов и белков задает уже не А-А-код, а еще более вырожденный частный код ОСГК, который мы назвали П-К-кодом в честь Л. Полинга и Р. Кори, - ученых, предсказавших наличие в "твердых" молекулах белков, - компонентах их кристаллов, - a-спиралей и b-структур, названных затем их вторичными структурами. Справедливость этого предсказания вскоре была полностью подтверждена результатами РСА гемоглобина, миоглобина, лизоцима и многих, многих иных белков.
Согласно П-К-коду, узнают друг друга и связываются друг с другом, образуя в результате между собой П-К-связь, два аминокислотных остатка одной и той же компоненты связности графа А-А-кода. Совокупность П-К-связей каждой a-спирали, b-структуры или b-изгиба образует коллективную защитную рубашку всех водородных связей остова данной вторичной структуры потому, что защищает все водородные связи -NH...OC- каждой из этих вторичных структур от атаки молекулами растворителя, в первую очередь, воды, - коллективно (в отличие от индивидуальной защиты соответствующей гидрофобной рубашкой водородной связи каждой А-А-связи) (см. рис. 3, 4 и табл. 1 - однозначное доказательство справедливости этих кодов, полученное методами математической статистики, вовсе не прибегая к построению моделей этих биополимеров ни согласно А-А-коду, ни согласно П-К-коду).
В состав ряда А-А-связей, согласно данной теории, должны входить ионы калия и(или) кальция, а в состав ряда П-К-связей - ионы натрия и(или) магния, соответственно. Ионы натрия и(или) магния, согласно данной теории, должны связываться также с находящимися в В-форме молекулами ДНК (и с соответствующими двуспиральными РНК), а ионы калия и(или) кальция - с теми же молекулами ДНК (и с соответствующими двуспиральными РНК), но находящимися в крестообразной конформации. Именно поэтому, согласно данной теории, соответствующим изменением катионного состава раствора или их микроокружения в клетке можно индуцировать А-А- « П-К-конформационный переход пептидов, полипептидов и белков и соответствующие конформационные переходы типа "жидкий биополимер" « "твердый биополимер" ДНК, РНК и любых биологических нуклеопротеидов, что и лежит в основе хорошо известного соответствующего антагонистического влияния пар именно этих катионов (калий/кальций - натрий/магний) на физиологические свойства одноклеточных и многоклеточных организмов, что уже получает подтверждение в результатах соответствующих прямых экспериментов31.
V частный код ОСГК - А-Н-код определяет специфическое взаимное узнавание и связывание друг с другом полипептидов и полинуклеотидов. Согласно А-Н-коду аминокислотные остатки узнают антикодоны кодирующих эти аминокислотные остатки кодонов.
Согласно этому частному коду, например, аминоацил-тРНК-синтетазы узнают соответствующие тРНК32 (см. рис. 5), а молекула-димер репрессора cro бактериофага l узнает оператор кодирующего ее гена, реализуя принцип перекрестной стереокомплементарности полипептидов полинуклеотидам33, позднее переоткрытый Р. Голдбергером и названный им принципом ауторегуляции транскрипции34.
VI частный код ОСГК - А-Н и П-К-код. Согласно А-Н-коду, аминокислотные остатки полипептидов или белков, находящихся в А-А-конформации, узнают антикодоны полинуклеотидов и связываются с ними, образуя нуклеопротеиды. При этом молекула белка или ее соответствующий домен переходит в П-К-конформацию, и вместо ее А-Н-связей реализуются ее соответствующие связи, образующиеся согласно более вырожденному - шестому - частному коду ОСГК, А-Н и П-К-коду. Согласно этому частному коду, аминокислотный остаток узнает все антикодоны аминокислотных остатков той же компоненты связности.
Результаты анализа соответствующей литературы приводят к выводу, что другие биополимеры - полисахариды и гликопротеиды - узнают друг друга и полипептиды и связываются друг с другом согласно соответствующим частным стереохимическим кодам: моносахарид - моносахарид и моносахарид - аминокислотный остаток соответственно, определяющим узнавание и связывание друг с другом мономеров, из которых эти биополимеры построены. Расшифровка этих частных кодов еще не закончена.
* В оригинале: "до утраты сил".
27 Нобелевская премия Л. Полингу "за исследование природы химической связи и ее применение для определения структуры соединений" (1954 г.); Pauling L., Соreу R. В., Branson H. R. // Proc. Nath.Acad. Sci. U.S.A. 1951. V. 37. Р. 205-208; Pauling L., Corey R. В. // Ibid. P. 251-256.
28 См., например: Bashford D., Chotia C.Lesk A. М. J. Mol. Biol. 1987. V. 196. P. 199-216: "Serine and threonine can be either hydrophobic orhydrophilic because their hydroxyl groups often cancel their polarity in buried sites by hydrogen-bonding to the main-chain carbonyl" (p. 203).
30 Kim P. S., Baldwin R. L. // Ann. Rev. Biochem.,1982. V. 51. Р. 459-489; Kuwajima К. // PROTEINS: Structure, Function, and Genetics. 1989. V. 6. P. 87; Baldwin R. L. chemtracts-biochemistry andmolecular biology, 1991. V. 2. P. 379-380.
31 Hardin С. С., Watson Т., Corregan М.,Bailey С. // Biochemistry. 1992. V. 31. Р. 833-841: "This system provides insights into some of the detaile dstructural characteristics of a ["G4-DNA". ion] complex and an experimental model for the recently proposed "sodium-potassium conformational switch"; Sen D., GiIbert W. // Nature. 1988. V. 334. P. 364-366; Sen D., Gilbert W. // Nature. 1990. V. 344. P. 410-414: "...potassium cations excessively stabilizing fold-back intermediate structures" (разрядка наша. - Л. Б. М. и Р. Г. И.).
32 De Duve С. // Nature. 1988. V. 333. Р. 117; Hou Y.-M., Schimmel P. // Ibid. P. 140-145; McClain W. Н., Foss К. // Science. 1988. V. 240.793-796.
33 Mekler L. В., Shiyankevich М. L, Shevlyagin V. I. // Archiv fur die gesamte Virusforschung.1970. V. 30. P. 309-315; Meклер Л. Б. // Вестник АН СССР. 1978. № 9. С. 97-111.
34 Goldberger R. // Science. 1974. V. 183. P. 810.
Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер
