При изучении транспортных РНК возникает еще один вопрос, на который пока никто не ответил. В отличие от всех остальных РНК, транспортные РНК обязательно имеют в своей первичной структуре «модифицированные» нуклеотиды. Иногда это только присоединение к нуклеиновому основанию метильной группы (СНд). А иногда — довольно больших атомардых конструкций, размером чуть ли не в само основание. У разных тРНК модификации разные и модифицированные нуклеотиды расположены в различных местах. Чем организм сложнее, тем модифицированных нуклеотидов в его тРНК больше. Зачем они?
Я предлагаю обсудить довольно смелую гипотезу. Молекула тРНК компактна. В ней много спаренных нуклеотидов («шпилек»), образованных связыванием удаленных друг от друга по одиночной нити тРНК, но комплементарных, участков. Можно утверждать, что каждая молекула тРНК имеет вполне определенную и достаточно жесткую пространственную форму. Модификация некоторых нуклеотидов в молекуле, естественно, влияет на эту форму. У высших организмов таких модификаций достаточно много, чтобы иметь право предположить различие пространственных форм всех изоакцепторных тРНК.
Теперь вернемся к рис. 29. Мы видим, что аа-тРНК № 4 только начинает входить в канал Kg. Связаться со своим код оном, «узнать» его она может только внутри канала. Ошибки при проникновении в Kg разных аа-тРНК, очевидно, нежелательны —ведь неподходящей аа-тРНК пришлось бы возвращаться из рибо-сомы обратно в цитоплазму. (Да и непонятно каким образом — ведь для рибосомы движения в обратную сторону быть не может.) А что, если объемная форма тРНК служит «пропуском» в канал? В этом случае конфигурация входа в канал должна «дышать» — перестраиваться под влиянием каждого «ожидающего» кодона, как бы подающего на вход команду для пропуска подходящей тРНК. Слишком сложно? Но не даром же в рибосомах эукариотов почти вдвое больше разных белков, чем у прокариотов. (Принцип работы рибосом, наверное, в обоих случаях одинаков, но проблемы регулирования биосинтеза белка, как мы увидим, у эукариотов значительно сложнее.)
Все эти рассуждения приведена здесь для иллюстрации того, как рождается (и проверяется) научная гипотеза. Для будущих исследователей в области молекулярной биологии раннее знакомство с логикой построения такой гипотезы, я полагаю весьма полезным.
В связи с изложенным материалом имеет смысл по-новому взглянуть на механизм регулирования белкового синтеза, особенно у высших организмов. На классическом примере лак-оперона E.coli Жакоб и Моно предложили знакомую вам концепцию, в которой участвуют «оператор», управляющий разрешением транскрипции структурных генов. Перед оператором стоит «ген-регулятор». Он способен вести синтез белка-репрессора, который связывается с оператором. В свою очередь приходящая извне в клетку молекула-«активатор» может связать репрессор. Регулирование синтеза белков происходит на уровне транскрипции ДНК-синтеза иРНК. Это хорошо для бактерий, где вся ДНК более или менее доступна для считывания наследственной информации в течение всего времени жизни клетки. При возникновении необходимости наработки нового фермента, например, при изменении питательной среды, РНК-полимераза легко может снять много копий иРНК с нужного участка генома бактерии.
ДНК высших организмов сверхскручена очень тесно, очень плотно упакована. Уместно сказать несколько слов о способе этой упаковки. Геном человека, например, насчитывает около 3-х миллиардов пар оснований (считая по гаплоидному набору хромосом). Во введении было упомянуто, что расстояние между соседними парами в спирали ДНК — примерно 0,34 миллимикрона. Откуда следует, что полная длина «молекулы» ДНК у человека составляет 1 метр! Как такую длину уместить в ядре клетки? Однако даже бытовой опыт подсказывает, что очень длинную, но очень тонкую нить можно свернуть в крошечный клубок. (Еще древние греки умели изготавливаться столь тонкие нити, что сотканное из них платье можно было протянуть через кольцо для пальца.) Но хаотический клубок непригоден. Его трудно распутать. А сворачивание ДНК должно быть хорошо организовано, хотя бы для того, чтобы быстро осуществить редупликацию всей молекулы.
Для этой цели служат специальные белки — «гистоны», тесно связанные с ДНК. Связь эта не ковалентная, а электростатическая. Все гистоны (их насчитывается 5 типов) — суть богатые лизином и аргинином «щелочные» белки. В нейтральной среде они несут достаточно большой положительный заряд, за счет которого притягиваются к отрицательно заряженным остаткам фосфорной кислоты в ДНК. Гистоны для упорядочения свертывания молекул ДНК играют роль, сходную с ролью катушки для ниток. На электронных микрофотографиях удается разглядеть частично развернутый дезоксирибонуклеопротеин (ДНП), как именуют комбинацию ДНК с гистонами, в виде нити, диаметром около 2 тц, на которой тесно расположены своего рода бусинки — «нуклеосомы». Полагают, что основу каждой нуклеосомы составляет октамер из восьми молекул гистонов (4-х типов), образующий подобие сердечника, на который навита двухнитевая спираль ДНК, образуя два витка общей длиной в примерно 150 пар оснований. Линейный отрезок длиной около 50 пар оснований соединяет соседние нуклеосомы.
Более того. В нативном состоянии и эта «нить с бусинками» сворачивается в плотную катушку (вроде соленоида), диаметром около 30 тц. Цепочка таких катушек образует хромосому. Синтез новых иРНК на матрице такой ДНК, скорее всего, возможен только во время клеточного деления, когда мембрана ядра исчезает, плотная упаковка разворачивается и хромосомный материал занимает почти весь объем клетки.
Если это так, то запас иРНК «на все случаи жизни» в клетках эукариотов должен оставаться неизменным. В пользу такого предположения говорит тот ранее упомянутый факт, что у высших организмов иРНК появляется в цитоплазме связанной с неким (может быть защитным) белком в виде «информосомы». Но как же регулируется синтез различных белков iio мере их надобности? Ведь питание клетки через кровь тоже зависит от потребляемой пищи.
Вот тут-то обнаруживается потенциальная ценность вырожденности генетического кода и модификации нуклеотидов изоак-цепторных тРНК.
Предположим, что у некоторых иРНК, кодирующих синтез различных белков, аминокислоте серии в каком-то одном случае соответствует один определенный код он, а в других случаях — хоть все остальные пять разрешенных кодонов. Предположим далее, что в данный момент в клетке в активном состоянии, т. е. в состоянии готовности участвовать в белковом синтезе, отсутствует или очень слабо представлена изоакцепторная тРНК серина, узнающая именно этот отмеченный нами кодон. Тогда все иРНК, в которых он используется, не будут транслироваться и соответствующие белки синтезироваться. Остальные иРНК, которые не использовали для включения серина наш «злополучный» кодон будут транслироваться нормально.
А что значит «готовность участвовать в белковом синтезе»? Это означает полную модификацию всех оснований, которые должны быть модифицированы именно в этой тРНК. Ведь от полноты модификации зависит объемная форма молекулы тРНК и возможность «пропуска» ее в рибосому.
И такая возможность запрета или разрешения трансляции, а значит и синтеза соответствующих белков имеет место для 59-ти значущих кодонов из 61-го. Очевидно, что возможности регулирования белкового синтеза открываются колоссальные. Регулирование синтеза белков переносится на уровень трансляции — считывания информации с иРНК. Наконец, кто осуществляет модификацию новообразованных молекул тРНК? Специальные ферменты. Их же активность, в свою очередь, может стимулироваться или подавляться факторами, поступающими в клетку извне.
Это — еще одна гипотеза, еще один материал для дискуссии!
Есть одно косвенное свидетельство в пользу предлагаемой гипотезы, которое можно усмотреть в опубликованных недавно сведениях о том, что разрешенная вырожденность генетического кода для некоторых аминокислот используется отнюдь не равномерно.
В книге Т. A. Bronk «Genomes» (1999 г.) приведена, в частности следующая таблица частоты использования кодонов для трех аминокислот, полученная обобщением обширного материала по сопоставлению расшифрованных генов с аминокислотными последовательностями кодируемых ими белков:
| Аминокислота | Кодоны | Частота использования |
| ГЦА | 22% | |
| Аланин | ГЦЦ ГЦГ | 41% [и%] |
| гцт | 26% | |
| АЦА | 27% | |
| Треонин | АЦЦ | 38% |
| АЦГ | Li2%J | |
| АЦТ | 23% | |
| ГТТ | |11%1 | |
| Валин | ГТА | 25% |
| ГТЦ | 48% | |
| ГТГ | 16% |
Как следует из этой таблицы, некоторые кодоны в каждом случае используются редко — быть может для редко синтезируемых белков. Другие же кодоны, как «рабочие лошадки» используются чуть ли не вдвое чаще, чем сред невероятностные 25%.
Литература
1 Барановский П.В., Мельник И.А. Взаимосвязь нарушений общего холестерина и холестерина липопротеидов в сыворотке крови больных инфарктом миокарда. //Кровообращение. -1987. -Т.ХХ. -N 2.-С.17-19
2 Баркаган З.С. Геморрагические заболевания и синдромы. М., Медицина.-1988.-528с.
3 Башкаревич Н.А. Физиология и фармакология терморегуляции. Минск. -1985. -Вып. 2. -С.128-134.