Иванов-Петров Александр (ivanov_petrov) wrote,
Иванов-Петров Александр
ivanov_petrov

Физические основы генетического кода, способы связи и скорости взаимодействия молекул

http://galicarnax.livejournal.com/24409.html
"Как работает генетический код"

Там по ссылке текст, очень ясно написанный, весьма рекомендую тем, кому. Об устройстве транспортных РНК



О ферментах-синтетазах, которые соединяют аминокислоты с тРНК.



"Теперь вопрос как реализуется генкод можно переформулировать еще раз: как синтетаза узнает свои тРНК? Делает она это "ощупыванием" - одна ее слегка вогнутая сторона предназначена для контакта с тРНК. Со стороны тРНК в процесс узнавания наиболее часто вовлечены акцепторный стебель, антикодон и D-петля. На рис. 4 те нуклеотиды, которые участвуют в распознавании тРНК синтетазой, обозначены фиолетовыми шариками. Чем больше шарик, тем чаще это место используется для распознавания. Числа возле шариков - это порядковый номер нуклеотидов в молекуле тРНК. Например, антикодон образуется нуклеотидами 34, 35 и 36, а нуклеотид 73 находится в акцепторном стебле. Показаны сайты узнавания для двух упомянутых выше классов синтетаз.



Ключевой момент для понимания гибкости генкода здесь в том, что антикодон не является единственным решающим элементом в распозновании тРНК, важна вся ее конфигурация. Более того, в случае некоторых синтетаз (например, лейциновой и сериновой синтетаз у E.coli) антикодон вообще не участвует в распознавании [3]. Что это значит? А то, что какой бы ни был антикодон у такой тРНК, к ней всегда будет присоединяться одна и та же аминокислота. Именно это подразумевается под отсутствием жесткой химической логики, связывающией данные кодон и аминокислоту. В других случаях в распознавании участвует только один нуклеотид антикодона, чего также недостаточно для "жесткого связывания". Даже в тех случаях, когда в распознавании участвует весь антикодон, имеется определенная свобода его изменения. Дело в том, что если в молекуле тРНК искусственно поменять антикодон на другой, оставив всю ее остальную часть нетронутой, то либо тРНК просто станет неактивной, либо она продолжит принимать на себя прежнюю аминокислоту, но с меньшей эффективностью, либо вообще ничего не изменится и она будет принимать прежнюю аминокислоту фактически также эффективно, как и с "родным" антикодоном - конкретный из этих вариантов зависит от нового антикодона [4]. Но чего точно не произойдет - тРНК не начнет принимать новую аминокислоту, соответствующую новому антикодону.

Итак, ответ на вопрос "где физически закодирован генкод" такой: физически он закодирован в молекулах тРНК. А именно: с одной стороны, ее антикодон определяет, какому кодону на мРНК она соответствует; с другой стороны, ее общая пространственная конформация определяет, какой именно синтетазой она будет узнана и, в итоге, какая именно аминокислота к ней будет присоединена.

Наглядная аналогия: 20 синтетаз - это 20 закрытых дверей с надписью "аминокислота такая-то". Молекулы тРНК - это ключи от дверей. Если ключ подошел к двери - она открывается и впускает аминокислоту, которая насаживается на ключ, и вместе они готовы к синтезу белка. Антикодоны на тРНК - это бирки с номерами, которые висят на ключах, и которые можно перевешивать с ключа на ключ. Единственное отличие от реальных ключей здесь в том, что иногда смена бирки может влиять на эффективность работы ключа. Но определенная свобода все же имеется, и бирки на ключах можно в какой-то степени комбинировать.

Можно предположить, что на заре жизни могла иметь место вообще полная свобода в переназначении кодонов аминокислотам. Сегодня молекулы тРНК, соответствующие одной и той же аминокислоте, но работающие в разных организмах, в деталях отличаются друг от друга. Скажем, в лейциновой тРНК у кишечной палочки антикодон в распознавании не участвует, а у дрожжей там задействован один нуклеотид. Зато в валиновой тРНК у палочки участвуют два нуклеотида антикодона, а у дрожжей опять только один. Это наводит на мысль, что такие "зацепки" появлялись в ходе отбора уже после "установления" генетического кода, способствуя его закреплению. А на раннем этапе код мог быть, в принципе, полностью незакрепленным и любой кодон мог быть "назначен" любой аминокислоте.

Теперь вспомним, что сами молекулы тРНК транскрибируются из генома. Поэтому окончательный ответ такой: генетический код "прописан" в геномах! Гибкость генкода можно интерпретировать как его открытость для редактирования. Например, возьмем геном кишечной палочки и найдем в нем все гены, в которых "прошиты" аланиновые тРНК, а также гены с сериновыми тРНК. Меняем во всех этих генах антикодоны - сериновые антикодоны пересаживаем в аланиновые тРНК-гены, и наоборот. Конечно, после этого клетка не выживет, т.к. во всех белках будут вставляться теперь неправильные аминокислоты - вместо серина аланин и наоборот. Поэтому мы также должны заменить во всех белковых генах сериновые кодоны аланиновыми, а аланиновые - сериновыми. Задача, конечно, техничеки трудная, но теоретически выполнимая. И вот после этого клетка уже не почувствует никакой разницы - в белках будут вставляться правильные аминокислоты. Но сам генетический код уже будет другой.

Так почему же, если генетический код настолько гибкий, он не менялся последние 3-4 миллиарда лет? У организмов, живших и живущих в это время, в геноме кодируются сотни и тысячи белков. Если происходит мутация в обычном белковом гене, то она либо нейтральна, либо вредна и отсеивается отбором, либо улучшает функцию белка и закрепляется отбором. То есть эволюцию отдельного белка представить можно, за счет последнего варианта. Но ежели происходит мутация, скажем, в антикодоне тРНК, то эта тРНК будет принимать несоответствующую новому антикодону аминокислоту (в лучшем случае она станет просто неактивной) и все белки будут транслироваться неправильно. Ведь в белковых генах остались прежние кодоны - их никто не заменил, как это сделали мы в воображаемом опыте. Поэтому мутации в антикодонах тРНК должны отсеиваться отбором моментально. Поэтому он и не меняется последние миллиарды лет.

Но значит ли это, что код действительно является замерзшей случайностью? Нет. Универсальный код с биологической точки зрения просто жутко оптимален. Но об этом в другой раз."

--------------------------------
Я попросил разъяснений по поводу скорости реакций - и вот что выяснилось:

ivanov_petrov
скажите, пожалуйста, а можно пояснить насчет скорости? То есть вы разобрали детально и подробно специфичность сочетания РНК, синтетазы, аминокислоты. Там в середине упомянута скорость, с которой идет реакция - (20 в секунду) - и тут же говорится, что происходит это вслепую, ощупыванием и т.п. причем молекул в клетке - таких - насколько я понимаю, небольшое количество, насколько помню, там на какие-то десятки-сотни счет может идти. Но тут я мог спутать, сколько помню, там была речь о крайне малом количестве молекул специфического фермента для нек. реакций. Так вот, вопрос - есть ли идеи, можно ли их так же ясно рассказать, как достигается эта очень большая скорость, если речь о соединении нескольких разных классов молекул вслепую, только методом проб и ошибок, ключа и замка?

galicarnax
***причем молекул в клетке - таких - насколько я понимаю, небольшое количество, насколько помню, там на какие-то десятки-сотни счет может идти***

Нет, в таком малом количестве встречаются лишь некоторые регуляторные белки. Основные молекулы, задействованные в синтезе белков - тРНК, синтетазы, рибосомальные субъединицы - они там кишат просто. Точные цифры сейчас не вспомню, но счет может идти на миллионы и более.

*** есть ли идеи, можно ли их так же ясно рассказать, как достигается эта очень большая скорость, если речь о соединении нескольких разных классов молекул вслепую, только методом проб и ошибок, ключа и замка?***

Это чисто статистический эффект. Причем это относится не только к взаимодействиям тРНК-синтетаза или рибосома-тРНК, но и ко всем ферментам-субстратам (например, полимераза-ДНК). Для примера берем рибосому, в которую уже протянута мРНК. Кругом роятся тРНК с прикрепленными аминокислотами. В каждую секунду к последнему кодону на мРНК может прикрепляться, скажем 100 тРНК. Но бОльшая часть из них не соответсвтует кодону, связь образовывается непрочная, длится какие-нибудь микро-секунды (точный масштаб надо уточнять у химико-кинетиков, могу соврать) и потом разрывается. Если же прикрепляется правильная тРНК, связь получается прочная, рибосома "получает сигнал", происходит образование пептидной связи и т.п. В усреднении это и дает примерно 20 аминокислот в секунду (у бактерий).

ivanov_petrov
А кто-нибудь пробовал проверять? Я имею в виду: допустим, сто соединений в секунду, проверочных. Смотрим число переборов и время, потребное на - совпадает ли. Или нужны какие-то еще факторы, или хватает простого перебора в молекулярном бульоне

galicarnax
Я не представляю, как экспериментально можно проверить, сколько раз в секунду соединяются молекулы (хотя шут знает, может химики это и экспериментально умеют делать).
Но теоретически рассчитать это несложно, наверное. Каждая связь характеризуется своей энергией, и если она примерно равна тепловой, то связь рвется так же быстро, как и образовывается. Если же сошлись две "комплементарные" поверхности макромолекул, то образуется куча слабых связей, но их много (а константа связывания растет с числом связей нелинейно) и связь получается прочной.
Это все и изучает кинетика ферментативных реакций.
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4749.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme_kinetics

ivanov_petrov
Я тоже не представляю. Однако молекула имеет некий размер, все происходит около очень небольшого активного центра, размер которого много меньше молекулы. Можно представить модель - многие... тысячи? миллионы? воздушных шаров сложной формы толкутся около активной площадки 1см2 - испытывая сотню соединений в секунду. Мне кажется, тут какие-то механические проблемы обязательно должны возникать. Белок - ведь не электрон, нельзя сказать, что он как-то там размазан. Ему надо реально облепить активный центр, чтобы убедиться в непригодности.
Но я понял, вы, вроде бы, о таких попытках подсчета не слышали.

galicarnax
Ну конкретные цифры я где-то встречал, не могу вспомнить где... Может, там было и про то, как они их получили.

***все происходит около очень небольшого активного центра, размер которого много меньше молекулы***

Размер активного центра часто как раз не намного меньше самой молекулы. Либо два больших воздушных шара взаимодействуют через сайты, сравнимые с их размером (тРНК+синтетаза), либо маленький воздушный шарик попадает в активный центр большого шара (тРНК в рибосоме). Но такого, чтобы два больших шара взаимодействовали через сайт размером с маленький шарик - такого не бывает.

***Мне кажется, тут какие-то механические проблемы обязательно должны возникать.***
Проблемы, конечно, возникают. И в некоторых случаях клетка решает их локализацией ферментов и их субстратов в одном месте. Induced proximity. Т.е. многие молекулярные машинки формируются либо активируются не в любом месте цитоплазмы, а в определнных, нужных местах. Не спрашивайте почему :)
Другое изобретение - scaffold proteins. Это (часто не очень структурированные) белки, связывающие штук пять других молекул, которые должны взаимодействовать между собой. То есть он просто не дает им разбегаться друг от друга.

ivanov_petrov
очень признателен и простите, что пристал. О локализованных ферментах и пр., конечно, знаю, а вот о scaffold proteins - не знал. Чтобы сразу держали пять разбегающихся молекул, пока те не провзаимодействуют... Шикарно

galicarnax
про "не спрашивайте почему" я имел ввиду, что не особо известно - почему.

Например, рецепторы на мембране снаружи получают сигнальную молекулу, и некоторые киназы тут же бросаются из цитоплазмы к мембранам, чтобы передавать сигнал дальше, внутрь. Наверное, рецепторы по радио передают. "Киназы такие-то, вам посылка".

----------------------------
http://galicarnax.livejournal.com/24615.html
"Только я разъяснил, почему генетический код "заморожен" последние миллиарды лет, как в руки попалась статья http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20702426 двухмесячной давности, где японцы рассказывают о том, как им удалось переназначить СТОП-кодон (UAG) кишечной палочки одной из аминокислот, и при этом сделать всего лишь неколько генетических модификаций во избежание летального исхода! Свой абстракт они заключают так: "Результат обнаруживает неожиданную гибкость генетического кода".

СТОП-кодоны узнаются не молекулами тРНК, как обычные кодоны, а специальными белками, называемыми факторами терминации (release factors). Они запускают цепь реакций, в итоге которых рибосома освобождается от мРНК. Если эти белки по какой-то причине отсутствуют в клетке, рибосома "зависает" на СТОП-кодонах и производство белков останавливается.

Японцы нокаутировали ген, кодирующий фактор терминации RF-1. Он узнает один из стоп-кодонов, а именно UAG. Зато они ввели глутаминовую тРНК с антикодоном для UAG. Это значит, что те гены, которые заканчиваются на UAG, будут транслироваться дальше, до тех пор пока в той же рамке считывания не встретится другой стоп-кодон - UAA или UGA.

Но перед этим они уточнили из других источников, какие из генов E.coli являются ключевыми, т.е. такими, нокаут одного из которых ведет к гибели клетки. Таких генов в геноме палочки менее 10%. Это вовсе не значит, что бактерия будет жить, если остальные 90% генов выключить. Это значит, что если хотя бы один из этих 10% выключен - клетка умирает.

Среди ключевых генов нашлось всего семь штук, которые заканчиваются UAG-кодоном. Остальные заканчиваются другими СТОП-кодонами (UAA или UGA). Японцы методом исключения выяснили, что из этих семи генов только одному необходимо заменить UAG кодон на UAA, чтобы он терминировался правильно. Остальные 6 белков вполне себе переживают тот факт, что у них есть ненужный хвост. Что уж говорить про неключевые гены.

Правда, оказывается, что у E.coli почти половина генов, заканчивающихся на UAG, имеют еще и запасной СТОП-кодон (UAA или UGA) в пределах всего десяти триплетов от конца гена и в той же рамке считывания. Поэтому в этих белках лишний хвост был совсем маленький, примерно из десяти аминокислот. Но есть гены, у которых запасного СТОП-кодона нет и первый попавшийся случайно UAA- или UGA-кодон может оказаться далеко. И ничего - все работает! Как пишут японцы, "эта находка показывает, что белки, сгенерированные из удлиненной рамки считывания, сохраняют свои основные функции, и что протеом E.coli очень толерантен к лишним хвостам на C-концах полипептидов".

Вот поди теперь разбери, почему код не менялся последние миллиарды лет."
Tags: biology4
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 74 comments