Феликс Филатов - Клеймо создателя

В новой таблице хорошо разделяются кодоны октетов 1 и 2; последние образуют светлую фигуру «креста», в которой, в свою очередь, хорошо заметно симметричное – относительно центра фигуры – расположение нечетных групп вырожденности и триплетов, дополняющих в октете 2 кодирование аминокислот S, Lи R, имеющих свои кодоны в октете 1.

Упорядочивание кодируемых аминокислот по массе неожиданно выявляет еще одну группу симметрий, которые связаны с классом аминоацил-тРНК-синтетаз (АРСаз), присоединяющих аминокислоту к тРНК. АРСазы делятся на два класса на основе структурного сходства и способу аминоацилирования тРНК. АРСазы 1-го класса (АРСазы-1) в большинстве случаев мономеры. 76-й аденозин тРНК они аминоацилируют по 2» -ОН группе. АРСазы-2 – это, как правило, димеры. За исключением фенилаланил-тРНК-синтетазы все они аминоацилируют 76-й аденозин тРНК по 3» -ОН группе. Оба класса АРСаз содержат равное число ферментов – по десять в каждом. Кроме того, АРСазы-1 узнают «свою» тРНК со стороны так называемого «малого желобка» акцепторной миниспирали, а АРСазы-2 – со стороны «большого».

Разделим по аналогии с АРСазами-1 и -2 – соответствующие им аминокислоты также на два класса арс-1 и арс-2. При этом возникает внятная билатеральная симметрия двадцатки аминокислот: ровно половина из них (мы здесь не вдаемся в детали), синтезируется с помощью аминоацил-тРНК-синтетаз (АРСаз) I класса:

Другая половина синтезируется с помощью АРСаз II класса (нижние строки – порядковые номера аминокислот при раздельной – по классам [1—10 и 1—10] и при сплошной [1—20] их нумерации):

В обоих представленных рядах аминокислоты упорядочены по нарастанию молекулярной массы. Любопытно, что в каждый арс-класс попадает по три неполярные алифатические аминокислоты (V LIи GAP), по три полярные незаряженные ( CQMи STN), по одной негативно и позитивно заряженных ( E-R+и D-K+) и по две ароматические ( YWи HF) аминокислоты. В каждой из строк первых букв кодирующих эти аминокислоты триплетов легко различаются две четверки GTCA и GATC , разделенные в одном случае пиримидинами С* и Т* , в другом – пуринами G* и А* . Поэтому арс-1 мы условно называем пиримидиновыми аминокислотами арс- Y , а арс-2 – пуриновыми , арс- R . Как это может соотноситься с молекулярной биологией процессов, связанных с трансляцией, мы увидим далее.

Описанные симметрии рядов арс- Y и арс- R сохраняются и в двумерном (2D) представлении. Это представление, образно (то есть, не математически) названное Автором базовой матрицей генетического кода, формируется абсциссой, вдоль которой размещаются аминокислоты, упорядоченные по нарастанию молекулярных масс, и ординатой, вдоль которой размещаются первые кодирующие основания, соответствующие этим аминокислотам.

Базовая (без нижней дополнительной строки) матрица является прямоугольником 4х5, содержащим двадцатку канонических аминокислот. В отличие от каллигаммы, матрица не требует специального допущения для кодирования цистеина и, таким образом, полностью соответствует универсальному генетическому коду. Центральные колонки матрицы отчетливо структурированы по гидрофильности аминокислот (в таблице ниже – светлые ячейки заняты гидрофобными аминокислотами, темные – гидрофильными):

Матрица структурирована также по позициям обозначенных выше четверок аминокислот обоих арс-классов, демонстрируя их строгую сдвиговую симметрию:

Отчетливо заметна и симметрия продуктов, маркирующих деление арс-классов аминокислот на «пуриновые» и «пиримидиновые», – относительно центральной колонки матрицы:

Поскольку в каждой строке матрицы не более двух или трех аминокислот одного класса с хорошо различимой массой, то при способности АРСаз узнавать хотя бы первое основание кодона (третье – антикодона) и отличать его от фиксированного по массе реперного соседа, безошибочное узнавание АРСазой «своей» тРНК чрезвычайно упрощается. Таким образом, матрица хорошо иллюстрирует решение парадокса множественного узнавания небольшой молекулы с почти монотонной структурой.

Заканчивая главу, упомянем еще об одной нашей находке, имеющей отношение к кодовым симметриям. Оказывается, продукты кодирования зеркально-симметричными дублетами (типа ABN и BAN ) следуют трем простым правилам:

при нарастании массы оснований в дублете кодируемый продукт имеет б о льшую молекулярную массу, при снижении – меньшую;

молекулярная масса продукта, кодируемого гомотриплетом (то есть, ССС , ТТТ , ААА , GGG ), больше, если триплет составлен из пиримидинов;

молекулярная масса пары аминокислот, кодируемых гомодублетом (то есть, СС -, ТТ -, АА -, GG -), больше, если он состоит из пиримидинов.

Возникает вопрос, какой смысл – и есть ли он – в кодовых симметриях и соотношениях, описанных в этой главе? Если хиральность биологических молекул и клеточная организация имеют очевидные достоинства и являются необходимыми для возникновения жизни и последующей эволюции, то симметрия (в первую очередь, билатеральная) генетического кодирования, по меньшей мере, озадачивает. Является ли она следствием каких-то не открытых еще физических или информационных законов (например, исходных альтернатив, выбор которых имел селективные преимущества, похоронившие первые версии кода, значительно более разнообразные и не столь регулярные)? Имеет ли она отношение к надмолекулярным симметриям биологических форм? Нужна ли подобная симметрия кода для его невероятной стабильности или для максимальной простоты и надежности его функционирования в биологических системах? Положительные ответы на все эти вопросы весьма соблазнительны, но без весьма основательной проработки – остаются лишь гипотезами, доказательства которых сегодня даже не просматриваются. Альтернативная точка зрения (Френсис Крик) заключается в том, что все эти симметрии совершенно случайны, и генетический код мог быть каким угодно: химического соответствия между аминокислотами и антикодонами нет. И если сегодня – в большинстве случаев – нельзя рассчитывать на то, что после замены антикодона на другой в синтезируемый полипептид войдет аминокислота, соответствующая новому антикодону, то это потому только, что длительная эволюция – опять-таки во многих случаях – оптимизировала соответствие АРСаз и тРНК за счет участков, выходящих за пределы антикодона.