GUU Валин GCU Аланин GAU Аспарагиновая GGU Глицин

GUC - «- GCC - «- GAC кислота GGC - « -

GUA - «- GCA - «- GAA Глутаминовая GGA - « -

GUG - «- GCG - «- GAG кислота GGG - « -

Предварительно рассмотрим появление диалектов в существующей версии ГК. Диалект – нарушение стандартного соответствия «кодон – АК», т.е. появление «сбоев» в системе кодирования – появление двусмысленности. Наиболее вероятно это у пар АК, имеющих одинаковые две первые буквы. Вероятность сбоя повысится, если третьи буквы в паре АК будут соответствовать некомплементарным основаниям: A, G или, возможно, U, C. В стандартной таблице соответствия встречается только три пары с третьими буквами A и G, именно Ile(AUA) – Met(AUG), Trp(UGG) – stop(UGA) и stop(UAA) – stop(UAG). Выделены красным цветом. Последняя пара вырожденная. Можно выделить еще одну пару – Leu – Ser, в которой из-за высокой вырожденности возможны варианты, которые пока не установлены.

Таким образом налицо 4 диалекта (один вырожденный) с заменами: Ile – Met, Trp – stop, stop - stop и Leu – Ser, что и наблюдается в действительности по данным работы (1) у митохондрий и некоторых бактерий.

Однако, по другим данным (8) диалектов больше. В таблице 1 показаны еще 2 для кодонов AGA и AGG, соответствующих Аргинину в стандартной версии универсального кода. Кроме того кодон CUA у дрожжей кодирует Треонин. Таким образом в случае учета митохондриальных диалектов общее количество диалектов, по крайней мере, 6.

Объясняется это следующим образом: В стандартной версии ГК максимальное значение вырожденности 6, минимальное – 0.5, последнее потому что Met имеет общий кодон с сигналом “start”. Среднее значение вырожденности (0.5 + 1 + 2 + 3 + 4 + 6)/6 = 2.75. В действительности вырожденность может быть только целым числом. Принимая за среднюю вырожденность ближайшее целое, т.е. 3, выделим последовательно все тройки кодонов в таблице соответствия «кодон – АК». Границ между тройками кодонов, отвечающих условию «две одинаковые первые буквы и третьи A и G» - шесть, что совпадает с данными из таблицы 1. При неоднородной вырожденности положение границ может быть иным.

Таблица 1.(8)

Кодон	Универсальный код	Митохондриальные коды
Позвоночные	Беспозвоночные	Дрожжи	Растения
UGA	STOP	Trp	Trp	Trp	STOP
AUA	Ile	Met	Met	Met	Ile
CUA	Leu	Leu	Leu	Thr	Leu
AGA	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg
AGG	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg

Ситуация с несколькими диалектами наводит на мысль о возможности выбора оптимального варианта ГК с минимальным количеством диалектов.

ГИПОТЕЗА.

Не является-ли чрезмерная вырожденность - 6 - неким неоправданным излишеством – своего рода искажением более совершенного варианта ГК? Чем объяснить «захват» еще двух кодонов из других квадруплетов Лейцином, Серином и Аргинином?

Предположим, что при формировании соответствий «кодон – АК» вырожденность, что вполне естественно, определялась двумя одинаковыми первыми буквами (нуклеотидами) и, следовательно, не превышала значения 4. Возможные значения вырожденности при этом – 1, 2, 3, 4 – определяют среднее: V(ср.) = 2.5.

Соответствующее этому среднему число информационных позиций 64/2.5 = 25.6.

Оставляя для сигналов “stop” две позиции (одна дважды вырожденная) и 0.6 для сигнала “start” (он делит одну позицию с Метионином), получаем для АК 23 позици вместо 20. Есть сообщения (9) об открытии (Joseph A. Krzycki, ун-ет, штат Огайо и независимо Michael Chan) двух новых АК в безъядерных микроорганизмах древнего происхождения из группы архей (Archaea). Эти аминокислоты получили названия Селеноцистеин и Пирролизин. Их предполагаемые позиции в таблице соответствий отмечены лиловым, синим и зеленым – позиции, определяемые парой кодонов из других квадруплетов, чем устраняется вырожденность «6». Новых позиций 3, а новых АК – 2 и неопределенность может быть ликвидирована либо «открытием» ещё одной АК, либо добавлением ещё одного сигнала терминации в позицию “AGA-AGG”. Например, каждый из кодонов является частью сигнального слова AGGAGG (с вариациями A↔G внутри слова) предгенной последовательности нуклеотидов сенной палочки (Bacillus subtilis). Оно расположено на расстоянии 5 – 11 нуклеотидов от сигнала “start” (AUG) и участвует в распознавании сигнала начала транскрипции (10). Возможно такая интерпретация более вероятна, чем ожидание 23 – й аминокислоты. Что касается числа диалектов, то их всего 2: Trp-“stop” и Met-“start”.

Из проведенного анализа следует предположение о существовании более рационального ГК с вырожденностью не более четырёх для 22 – х АК, двух знаков терминации “start”, “stop” и вспомогательного сигнального слова. Возможно это наиболее древняя версия, а современная – один из эволюционных вариантов того протокода.

Ещё раз вернёмся к проблеме выбранного природой числа АК, используя свойства гипотетического протокода. Для наглядности представим графически зависимость числа вакантных кодонов от используемого числа АК при средней вырожденности 2.5 (Рис. 4). Если, например, выбрано 10 АК, то число «занятых» кодонов будет 10*2.5 = 25, а число вакантных 64 – 25 = 39 и так далее. Из графика непосредственно следует: если число АК (при заданной средей вырожденности) меньше оптимального, то механизм кодирования приводит к результатам с многими диалектами – область диалектов; если же число АК больше оптимального, то мы попадаем в область двусмысленности. Оптимальное число кодируемых АК, а именно 22 – рубеж между областью множественности кодов и областью двусмысленности. И то и другое привело бы к невообразимой путанице в последующих шагах эволюции и было постепенно отвергнуто природой.

Обобщим проведенное рассмотрение ГК в следующих выводахж:

1. 1. Единственность, триплетность и неперекрываемость ГК следуют из детерминированного алгоритма «сборки» нуклеиновых кислот.

2. 2. Установленное число протеиногенных АК – 20, а, возможно, и 22 есть следствие детерминированного числа азотистых оснований «4». Это оптимальное число АК определяется границей между областью множественности ГК и областью его двусмысленности.

3. 3. Признаком возникновения диалекта ГК служит сочетание одинаковости двух первых букв кодона и принадлежности третьих букв некомплементарным основаниям.

4. 4. Степень вырождения по конкретным АК не установлена, но, повидимому, определяется особенностями структурных и физико-химических соответствий «АК – кодон».

5. 5. Универсальность ГК непосредственно вытекает из единственности (уникальности) стереохимических особенностей ДНК, детерминированных предшествующими шагами эволюции.

6. 6. Предположительно существует некий более совершенный ПРОТОКОД с вырожденностью не более четырёх, описывающий 22 аминокислоты, два сигнала терминации и вспомогательное сигнальное слово. Действующая версия ГК - наиболее распространенный диалект протокода.

P.S. В заключение нельзя не отметить некоторые неоправданные подходы при исследовании свойств генетического кода, особенно множество всевозможных заморочек - кубы, додекаэдры, ромбы, круги, магические числа и прчее, подобное. Что ж, они неизбежны, и делают честь авторам высшего пилотажа, но не содержат ответов на поставленные вопросы. Зачастую происходит неоправданное усложнение, хорошо воспринимаемое лишь самими авторами. Вообще-то, в любой конструкции можно отыскать совершенно неожиданные закономерности…(Возьмем пирамиду Хеопса… Там столько!!!) Как правило закономерности, вытекающие из параметров, функциональные и не имеют обратного действия. А заморочки и от Истины увести могут – на то они и заморочки.

Литература: 1. Victor A.Gusev & Dirk Schulze- Makuch,

Physics of Life Reviews, v.1, dec. 2004, 202 – 229.

2. Aldana-Gonzales, Cocho & al. J. theor. Biol., 220, 2003, 27 –

3. Томас Р. Чек Scient. American, 1987, № 1

4. Рисунок из сайта http://biochemistry.vov.ru/nagl_bio/90.htm

5. Сайт http://jabad.narod.ru/002/004/0001.htm

6. http://www.gordon.ru/konkurssite/grla.html

7. http://researchnews.osu.edu/archive/aminoacd.htm

8. Таблица из электронной публикации Г.М.Дымшица

«Введение в молекулярную биологию».

9. http://www.osu.edu/researchnews/archive/aminoacd.htm

10. http://www.computerra.ru/offline/2001/413/12786/

11. http://macroevolution.narod.ru/markov_kulikov.htm

12. http://orgchem1.city.tomsk.net/nucleic/express/express.htm

13. Анимация из сайта «textronica»