Жизнь VS Энтропия - страница 9

Простой способ построить однозначно декодируемый код без запятой – сделать все его слова одной длины. Такие коды называются блочными. По этому пути пошел Г. Гамов, предложивший первый вариант генетического кода в 1954 году. Для кодирования 20 букв-аминокислот в четырехбуквенном алфавите минимальная необходимая длина слов равна трем (42<20< 43). Примечательно, что при определенных допущениях код Гамова также давал объяснение загадочному числу 20. Более того, в части идеи трехбуквенного кодирования без запятой он оказался правильным. Однако в прочих деталях эта гипотеза, как и все другие, оказались неверны. Природа перехитрила целую группу выдающихся умов, применив, на первый взгляд, совсем не оптимальное решение. Это выявилось путем прямых физико-химических расшифровок формул аминокислот и белков.

Трехбуквенный блочный код для двадцати аминокислот сильно избыточен: 20<<43=64. Однако избыточность кода, как и избыточность вообще, дает возможность борьбы с ошибками в работе любых систем. В теории информации построение корректирующих кодов, позволяющих путем математических процедур выявлять и автоматически исправлять такие ошибки, является одной из основных задач. Не является ли и здесь избыточность следствием решения природой этой задачи? В таблице 1 приведен реальный генетический код. Трехбуквенные слова кода из алфавита (A, G, U, C) называют кодонами. Из 64 кодонов 61 используется для кодирования 20-ти аминокислот, а три выполняют функции точки в конце генов (стоп-кодоны). Один из кодирующих кодонов, а именно метионин (AUG), выполняет особую роль – все предложения языка белков начинаются с него. Поэтому его еще называют стартовым кодоном, хотя он может появляться и внутри предложений. Код действительно избыточен – почти все аминокислоты имеют несколько вариантов кодирования. Однако легко заметить, что в ряде случаев действует следующее правило: «кодоны одной и той же аминокислоты отличаются только последней буквой».

В этих случаях ошибки в последних буквах кодонов корректируется системой передачи генетической информации на этапе ДНК → белки. Например, любые замены последних букв у кодонов валина, пропина, треонина, аланина и глицина не отражаются на синтезированных клеткой белках. То же можно сказать о четырех из шести кодонах серина и аргинина (стоит отметить, что указанные замены в оставшихся кодонах переводят эти аминокислоты друг в друга). Как физически происходит коррекция ошибок.

Во-первых, в клетках действует защитный механизм, который носит название репарации (от англ. repair – ремонт, починка). Специальные белки, также закодированные в ДНК, способны распознавать нарушения химической структуры отдельных нуклеотидов и либо восстанавливать ее, либо удалять «испорченную букву» с последующей достройкой ее в тексте по принципу комплементарности. Другие специальные белки сшивают разрезанные, например радиацией, цепи ДНК. Двойная цепь ДНК – это код с повторением с точки зрения теории информации. Его избыточность здесь используется для поддержания правильности генетического текста в ядре-накопителе клеточного компьютера. Но ошибки могут возникать и в каналах передачи информации, которые активно используются при построении белков.

Построение молекулы белка начинается с расплетения ветвей ДНК и выделения в одной из них «осмысленного» участка – гена. Это участки между старт- и стоп- кодонами включительно. К «обнаженному» участку ДНК подсоединяются нуклеотиды из алфавита мРНК по принципу комплементарности. После полной транскрипции гена молекула мРНК отделяется от ДНК. К ней для устойчивости подсоединяются «голова» и «хвост» (см. рис. 4) и грамматически законченная молекула выводится из ядра клетки в цитоплазму. Ее голова находит органеллу рибосому (см. рис. 3) и они соединяются в удивительный физико-химический механизм, который можно назвать декодером-транслятором. Молекула мРНК протаскивается через рибосому с шагами в три нуклеотида, т. е. в один кодон. На каждом шаге к выделенному кодону подсоединяется специальная молекула транспортной РНК (тРНК). Молекулы тРНК также вырабатываются на ДНК и выводятся в цитоплазму, состоящую в основном из бульона аминокислот. Каждая тРНК имеет в своем составе антикодон – кодон, комплементарный к выделенному на рибосоме. Каждый вид молекулы тРНК несет антикодон, соответствующий определенному виду аминокислоты и именно этот вид (буква из алфавита аминокислот) прикрепляется к определенному ее концу и транспортируется к рибосоме. При соединении антикодона с кодоном на рибосоме эта буква химически присоединяется к концу синтезируемой цепочки белка. Появление стоп-кодона высвобождает белковую цепь из рибосомы. Далее обычно происходят посттрансляционные химические реакции построенной цепи с другими белками-ферментами до полной готовности молекулы белка к выполнению своей функции в организме. Именно способность нескольких видов тРНК транспортировать одну и ту же аминокислоту исправляет ошибки кодирования в матрицах ДНК и мРНК.