|
|
 |
|
 |
|
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ К ОБОСНОВАНИЮ 21-й и 22-й ГЕНЕТИЧЕСКИ КОДИРУЕМЫХ АМИНОКИСЛОТ
Категория: АРЗНИ - 03.07.2005 |
Новость от: Admin |
22-11-2005
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ К ОБОСНОВАНИЮ 21-й и 22-й ГЕНЕТИЧЕСКИ КОДИРУЕМЫХ АМИНОКИСЛОТ.
Г. А. Геворкян
Институт биохимии им Г. Х. Буниатяна НАН РА
В публикациях последних лет обсуждается проблема существования 21-й и 22-й генетически кодируемых аминокислот, коими представляются селеноцистеин и
L-пирролизин [9, 13, 14]. Авторы утверждают, что стоп кодон UGA кодирует 21-ую аминокислоту (селеноцистеин), а стоп кодон UAG – 22-ю аминокислоту (L-пирролизин). Якобы эти два стоп кодона (из трех) выполняют двоякую функцию.
Независимо даже от предварительных данных, у них нет другого выбора, так как все 61 “смысловые” адреса “вырожденного” кода уже заняты известными 20-ю аминокислотами. Но это всего лишь тривиальный, функциональный аспект генетического кодирования, несостоятельность сегодняшнего понимания принципов которого мы показали в наших исследованиях [1-6 ].
Трудно переоценить значение периодической системы биологических молекул, как для собственных исследований, так и для настоящей оценки любых других подходов и результатов, дополняющих и уточняющих корреляцию между генотипом и фенотипом по поводу 21-й и 22-й генетически кодируемых аминокислот [1-6, 10-12 ].
Первоначальной базой выявленной периодической системы генетически кодируемых аминокислот послужила периодическая таблица химических элементов, в качестве основы единого элементарного строения материи (вещества) – будь это Макрокосм или Микрокосм.
Исходя именно из этого миропонимания, в роли универсально систематизирующего параметра мы выбрали СЭЧ-биомолекул (суммарное электронное число), как количественная основа для качественной характеристики функциональных единиц живых систем, т. е. биологических молекул, носящих химико-биологическую информацию.
В начале поставленной проблемы: “К выявлению принципа построения первичной структуры белка” [1-3], еще не было сомнений в точности и универсальности генетического кода (УГК). Достаточно было выявить центральный принцип генетического кодирования и далее составить комплиментарно завершенные четыре молекулярные композиции белковых аминокислот, как стало ясно, что генетически кодируемых аминокислот не двадцать, а двадцать две (!).
Так возникло новое воззрение на устранение ограничений из области биохимии, молекулярной биологии и генетики.
Ведь генетически кодируемые 21-я и 22-я аминокислоты предсказаны и целостно охарактеризованы нами в результате уточнения таблицы УГК в области “смысловых” адресов, а не за счет дополнительных функциональных свойств стоп кодонов UGA и UAG – предмет дальнейшего плана обсуждения, но исходя уже из выявленных фундаментальных закономерностей периодической организации биологических молекул и систем.
Авторы вышеуказанных исследований исходят из того факта, что “стоп кодон UGA находится в некоторых участках перекодирования, где происходит сдвиг рамки считывания, который служит регулирующим механизмом при экспрессии генов некоторых (удлиненных) белков” [ 9, 13 ], и что “в генах кодируемых метаногенные метиленамин метилтрансферазы присутствует amber кодон UAG, который прочитан через трансляцию” [14 ].
Подобные рассуждения необходимы, но не достаточны для утверждения факта детерминированного кодирования каких-либо аминокислот, тем более селеноцистеин и L-пирролизин являются всего лишь модификациями генетически детерминированных аминокислот цистеина и лизина. По крайней мере, подобные утверждения могут быть достоверными лишь для случаев трансляции генетической информации от коротких линейных участков ДНК. Но для более общего случая пространственной сборки мРНК, при наличии стольких псевдогенов и интронов в “разорванном гене” [7 ] , нереально проводить логику линейной связи между ДНК и рибосомальным аппаратом синтеза белка, по поводу “непонятно низкой продуктивности которого (относительно первоначально транслируемой информации) выразил удивление Вашингтонский файл (“Геном человека”)” [8].
Напомним, что еще в 50-х годах автор идеи триплетного кода Г. Гамов во избежании проблемы синхронизации или потери смысла универсальности генетического кода, предложил полностью дешифрируемый перекрывающийся триплетный код. По той же причине, наоборот, Ф. Крик предложил неперекрывающийся триплетный код или “код без запятой”, который не является ни до конца вырожденным, ни полностью дешифрируемым, но не допускает утрату смысла генетического сообщения для контролируемого синтеза белка. Из-за “выраженности” генетического кода для кодон-антикодонного узнавания, он выдвигал также гипотезу “качания третьего основания”, потому что экспериментально было установлено, что многие тРНК (из 32-х) обладают способностью взаимодействовать с двумя или тремя кодонами [7]. Существуют новые утверждения, что последовательность хромосомной ДНК митохондрий содержит только 22 гена разных тРНК, которое означает, что “кодон-антикодоновое узнавание в митохондриях включает либо большее число “качающихся ” пар, либо некоторые триплеты взаимодействуют только двумя основаниями, а не тремя ”.
Несмотря на то, что коллинеарность гена установлена косвенными и прямыми экспериментами, новейшие исследования все больше и больше ставят под сомнение универсальность генетического кода и однозначную достоверность триплетного его “чтения” для синтеза белка.
Смысл центрального постулата молекулярной генетики – коллинеарности состоит в том, что нуклеотидная последовательность той или иной мРНК, которая считывается от 5' – к 3'- концу, соответствует аминокислотной последовательности белка, если ее читать от N – к С - концу.
Как открытие периодической таблицы химических элементов устранила неопределенность в химической науке, так и периодическая система биологических молекул ныне устраняет накопленные неопределенности в области биохимии, молекулярной биологии и генетики, что весьма актуально в связи с составлением генетических карт “Генома человека”, с экспериментами по клонированию и с перспективами генной медицины.
Можно предварительно сообщить, что по параметру СЭЧ-биомолекул составляются диаграммы первичных структур природных пептидов, гормонов, биологически активных многих веществ. Характер распределения указанного параметра по первичной структуре белка выявляет три важнейших участка, а именно – биологически активный участок с NH3- конца, антигенный участок с COOH-конца и эволюционно-вариабельный участок между ними. Тем самым предлагается программа компьютерного анализа накопленных пептидных банков, с выделением соответствующих участков как для ген-аппаратного синтеза антител и биологически активных веществ, так и природных аналогов многих искусственно синтезируемых лекарственных препаратов с нежелательными побочными эффектами.
Особый интерес в этих диаграммах представляют позиции серина, аргинина и лейцина, которым приписываются по 6 адресов “вырожденного” УГК, которые подлежат серьезному пересмотру по характеру кодон-зависимости белковых аминокислот.
Рис.1 Комплементарно завершенные четыре молекулярные композиции 22-х генетически кодируемых аминокислот [6]. Объяснения в тексте.
На рис.1 представлены комплементарно завершенные четыре молекулярные композиции 22-х генетически кодируемых аминокислот, молекулярная логика которых выявляет всю емкость генетического кода потенциально возможного кодирования белковых аминокислот.
Среди них 21-ой является Arc (с кодонами AGU и AGC) в IV композиции, а 22-ой – Ara (с кодонами AGA и AGG) в III композиции, где находится и стоп кодон UGA. Стоп кодоны UAG и UAA представлены вокруг одного и того же кружка (Term) I-ой композиции. Направления чтения кода, указанны разнонаправленными стрелками. В верхней части рисунка указаны p (полярный) и np (неполярный), которые одинаково чередуются во всех композициях по принципу кодон-антикодон комплементарной антипараллельности.
Совместное представление аминокислот и их адресов по принципу двухнитевой антипараллельной структуры ДНК раскрывает принцип формирования молекулярной матрицы синтеза белка в рибосомах, молекулярного механизма биологического узнавания и взаимодействия аминокислотных радикалов в фермент-субстратных комплексах общего метаболизма и взаимодействия вируса с клеткой.
Представленные четыре полноценно-молекулярные композиции 22-х генетически кодированных аминокислот впервые выявили связь между кодон-зависимостью на уровне генотипа и функциональным аспектом белковых аминокислот на уровне фенотипа.
По молекулярной характеристике кодон-зависимости аминокислот оказалось, что ни одна аминокислота не может иметь шесть кодонов в “вырожденном” коде. Максимум четыре кодона имеют только лейцин-2 (в I-ой композиции), валин (во II-ой композиции), серин и пролин (в III-ей композиции), аланин и треанин (в IV-ой композиции), то есть только шесть аминокислот из 22-х. Индексы аминокислот показывают, что по признаку кодон-зависимости одна и та же аминокислота может находиться в разных композициях, как например, глицин1 и аргинин1 (в III-ей композиции) и глицин2 и аргинин2 (в IV-ой композиции), а лейцин1 и лейцин2 находятся в первой композиции, что является предметом дальнейшего исследования.
Каждая композиция комплементарно завершается 16-ю адресами, но первые три композиции кодируют семь позиций, а четвертая – только шесть позиций, что также является предметом дальнейшего изучения. В итоге – “вырожденный” универсальный генетический код в состоянии кодировать 27 аминокислот (!), включая и позиции стоп-кодонов, по утверждению других исследователей. Из литературы известно, что сторонники “замороженной” версии генетического кода в идеале допускают генерацию 27, а то и 28 аминокислот, если бы не наступило обледенение нашей планеты [6,8]. По логике комплиментарно завершенных 4-х молекулярных композиций генетически кодируемых аминокислот, 28-й (скрытой) позицией является стоп-кодон UAA.
Поскольку по два кодирующие адреса 21-й (Аrc) и 22-й (Ara) генетически кодируемых аминокислот были правомерно изъяты из шести кодонов серина и шести кодонов аргинина из-за принципиального уточнения таблицы УГК, составленная для предшествующих 20-и аминокислот, то речь идет не только о добавлении двух аминокислот, но о пересмотре актуальных проблем и принципов генетического кодирования в целом и заново. Иначе, клонирование может стать преступлением перед человечеством. Тем более, выявлено, что каждое кодирующее основание (из четырех) в УГК имеет 37 собственных адресов и 27 несобственных адресов, исследование соотношений которых раскроет четырехосевую симметрию и периодическую организацию регулярной ДНК, ответственной за генетическое кодирование наследственных систем.
Целенаправленные исследования с организацией целенаправленных экспериментов вместо стихийных, нуждаются в понимании и объединении усилий всех заинтересованных организаций и научных центров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Геворкян Г. А. “Биол. журн. НАН РА” г. Ереван, 1985, т. 38, №3, с. 216-222.
2. Геворкян Г. А. “Биол. журн. НАН РА” г. Ереван, 1987, т. 40, №11, с. 958-962.
3. Геворкян Г. А. “Биол. журн. НАН РА” г. Ереван, 1988, т. 41, №7, с. 613-619.
4. Геворкян Г. А. “Биол. журн. НАН РА” г. Ереван, 1989, т.42, №6, с. 525-533.
5. Геворкян Г. А. “Биол. журн. НАН РА” г. Ереван, 1993, т. 46, №2, с. 9-16.
6. Геворкян Г. А. “Биол. журн. НАН РА” г. Ереван, 1995, т. 48, № 3-4, с. 22-29.
7. Бохински Р. Современные воззрения в биохимии. М., “Мир”1987.
8. Интернет “Геном человека” (Вашингтонский файл, декабрь,1999).
9. Тейт У.П., Мэнселл Дж.Б., Меннеринг С.А. и др.“Биохимия” 1999, 64,12,1593-1606.
10.Gevorgyan G. H. International Symposium “Molecular Organization of Biological
Structures”. Abstract book I, 156(D-47), June 19-24, Moscow, 1989.
11.Gevorgyan G. H. Proceedings Electron Microscopy Society of Armenia. Forth Annual
Meeting, 26, September 26-29, Sevan-Yerevan, 1995.
12.Gevorgyan G. H. International Small Conference “Brain and Immune System”.
Abstracts, 17, September 10-15, Yerevan-Dilidjan, 1997.
13. August Böck, Karl Forchhammer, Johann Heider and Christian Baron. Reviews,
TIBS 16-December, 1991, p. 463-467.
14. Bing Hao, Weimin Gong, Tsuneo K. Ferguson,“Et al. Science”, 2002, vol 296,
p. 1462-1466.
|
|
 |
|
 |
|
|
