Правило Лагерквиста. Физико-химическое обоснование симметрий и соотношений Румера.

Относится к   «Список теоретических статей»


Относится к разделу Молекулярная биология

Эта статья опубликована автором самостоятельно с помощью автопубликатора, отражает личное мнение автора и может не соответствовать мировоззренческой направленности сайта Fornit. Оценка публикации может даваться в виде голосования (значок качества) или обосновано в обсуждении. Ссылки на обе эти возможности есть внизу статьи.

Данная статья посвящена разбору физико-химических механизмов, которые обеспечивают закономерности распределения вырожденных и невырожденных кодонов, включая симметрические преобразования и соотношения, установленные Юрием Борисовичем Румером. 

 Дело в том, что симметрические преобразования Румера, и соотношения Румера могут быть однозначно выведены из так называемого правила Лагерквиста [Lagerkvist U. 1978]:

 Если первые две позиции кодона формируют сильные уотсон-криковские пары SS (S=G или C), то основы кодонов сильные. Если же первые две позиции формируют слабые пары WW (W=A или U), то основы кодонов слабые. Если основа кодонов представлена нуклеотидами, формирующими и сильную, и слабую пару, то сила основ определяется пурин-пиримидиновым типом второго основания в кодоне - если второе основание представлено пиримидином, то основа сильная, если же пурином, то слабая. 

 Из данного правила автоматически вытекают симметрические преобразования Румера и соотношения Румера.  Поэтому найдя объяснение правилу Лагерквиста, мы автоматически сможем обосновать и факт существования симметрий кода, обнаруженных Юрием Борисовичем Румером.

 В предыдущей статье "Молекулярные механизмы обеспечения вырожденности кода" было показано, что вырожденность ГК в большинстве известных организмов обеспечивается взаимодействием модифицированных или не модифицированных первых нуклеотидов антикодона с третьим нуклеотидом кодона на мРНК. Однако в простейших прокариотических системах (например, митохондриях) третий нуклеотидом кодона может вообще специфически не взаимодействовать с первым нуклеотидом антикодона, тем не менее генетическое кодирование осуществляется с приемлемой (хотя и меньшей) точностью (это значит, что возможно ошибочное включение тРНК с другой аминокислотой), причём в случае несколько видоизменённых митохондриальных и других прокариотических геномов правило Лагерквиста, а, значит и симметричные соотношения Румера и правила Румера продолжают выполняться. Дело в том, что наряду с механизмом "качения"("wobbling"), обеспечивающим высокую точность декодирования, существует во всех организмах ещё и другой механизм, функционирования которого достаточно для обеспечения декодирования значительно более простых геномов. Этот факт даёт основание предположить, что описанный ниже механизм является более древним и по-видимому существовал непосредственно в период формирования ГК, а затем был дополнен более совершенным механизмом "качания" третьего основания кодона, обеспечившим большую точность процесса трансляции (синтеза белка). При взаимодействии кодона и антикодона образуется двойная спираль, которая узнаётся декодирующим центром рибосомы, представленным рибосомной РНК малой субъединицы. Декодирующий центр может распознавать только двойную спираль из кодон-антикодоновой пары. Но стабильность этой двойной спирали, оказывается, сильно зависит от того, какие именно основания принимают участие в кодон-антикодоновом взаимодействии.

Причина зависимости стабильности кодон-антикодоновой пары от состава нуклеотидов заключается в том, что комплементарная пара G-C образует три водородных связи и является наиболее энергетически выгодной по сравнению с парой A-U, в которой образуются только две водородных связи (для тех, кто забыл, схемы образования водородных связей в парах G-C и A-U  приведены на рис. 2. в статье "Молекулярные механизмы обеспечения вырожденности кода").  Поэтому если первые два основания в кодон-антикодоновом взаимодействии представлены только парами G-C (6 водородных связей), то энергии этих связей ДОСТАТОЧНО для образования стабильной кодон-антикодоновой пары, которая будет распознана декодирующим центром малой субъединицы рибосомы.

Если же первые два основания в кодоне представлены только парами A-U (4 водородных связи), то стабильности этих пар в отсутствие стабильного спаривани третьего нуклеотида кодона с первым антикодона уже НЕДОСТАТОЧНО для формирования двойной спирали, распознаваемой декодирующим центром рибосомы. В этом случае двойная спираль может быть стабилизирована только взаимодействием третьего нуклеотида кодона с первым антикодона.

Промежуточная ситуация наблюдается для случая, если один из двух первых нуклеотидов кодон-аниткодоновой представлен парой A-U, а другая G-C. В этом случае стабильность комплекса "кодон-антикодон" будет занимать промежуточное положение и существенно будет зависеть от того, представлено ли второе основание пурином или пиримидином. Разберёмся, почему стабильность двойной спирали в отсутствие стабильного спаривани третьего нуклеотида кодона с первым антикодона существенно зависит от того, представлено ли второе основание кодона пурином или пиримидином.

Дело в том, что если второй нуклеотид в антикодоне пурин (а в кодоне значит пиримидин), то при взаимодействии кодона с антикодоном этот пурин получает возможность дополнительно взаимодействать с уридином тРНК, расположенного в позиции 33 (о нумерации позиций см. "Транспортные РНК как молекулярные реликты"). Схема этого взаимодействия приведена на рисунках 1 и 2.

Если центральный нуклеотид антикодона является пурином, то при формировании кодон-антикодоновой двойной спирали  (U33)02'H (эта запись означает "атом водорода в положении 2' (см. рис.2 слева) уридина тРНК в положении 33") взаимодействует с (A35)N7 (эта запись означает "седьмым атомом азота (см. рис. 2 слева) аденина в положении 35 тРНК). Если же центральный нуклеотид в антикодоне является гуанин, то он также взаимодействует с (U33)02'H, но не только с помощью (G35)N7, но и также (G35)O6, образуя в водородной связи разветвление (бифуркацию), как это хорошо видно на рис.2 слева. В обоих случаях (взаимодействия аденина и гуанина) образуемая водородная связь сравнима по прочности с обычной уотсон-криковской водородной связью и придаёт кодон-антикодоновому комплексу дополнительную стабильность. Именно поэтому если второй нуклеотид в антикодоне пурин, а, значит в кодоне - пиримидин, то кодон-антикодоновая пара только с одной GC-связью может стабилизировать двойную цепь даже в отсутствие взаимодействия третьего нуклеотида в случае наиболее примитивных прокариотических геномов.

Рис. 1. Взаимодействие кодона мРНК с антикодоном тРНК. Красным цветом показано взаимодействие нуклеотидов кодона, антикодона и тРНК. Голубым цветом показано взаимодействие с нуклеотидами РНК декодирующего центра малой субъединицы рибосомы (номера нуклеотидов соответствуют стандартным общепринятым). Рисунок взят из [Lehmann J., Libchaber A. 2008]

 

Рис. 2. Взаимодействие второго аденина (слева) и второго гуанина (справа) антикодона с U33 тРНК с образованием стабильной водородной связи.

 Если же второй нуклеотид атникодона является пиримидином, то дополнительной стабильной водородной связи с U33 не образуется.

Декодирующий центр малой субъединицы рибосомы может узнавать только двойную спираль, образуемую кодон-антикодоновой парой. Три нуклеотидных остатка рибосомы (G530, A1492 и A1493) взаимодействую с малой бороздокой двойной спирали, образованной кодон-антикодоновой парой. A1493 взаимодействует с малой бороздкой первой пары оснований, тогда как G530 и A1492 взаимодействует с малой бороздкой от второй пары оснований (на рисунке 1 эти взаимодействия показаны голубым цветом).

Таким образом, характерное для большинства современных организмов специфическое взаимодействие первого нуклеотида антикодона с третьим нуклеотидом кодона в некоторых наиболее примитивных прокариотических геномах, ряде экспериментальных бесклеточных системах синтеза белка  (трансляции in vitro) и предположительно в древних системах синтеза белка не обязательно происходит для сильных основ кодонов, в которых взаимодействия первых двух нуклеотидов кодона было достаточным для образования двойной кодон-антикодоновой спирали, распознаваемой декодирующим центром рибосомы.

Это правило распространялось на любые альтернативные варианты ГК, поэтому правило Лагерквиста и румеровские симметрии и соотношения оказались справедливыми как для канонического ГК, так и для его различных диалектов.

Литература.

1. Lagerkvist U. "Two out of three": An alternative method for codon reading. // PNAS USA. 1978. V.75. P.1759-1762.

2. Lehmann J., Libchaber A. Degeneracy of the genetic code and stability of the base pair at the second position of the anticodon. // RNA 2008. V.14. P.1264-1269.

 Статьи, связанные с темой:

Молекулярные механизмы обеспечения вырожденности кода

Транспортные РНК как молекулярные реликты




Автор LUCA
Список публикаций >>

Обсуждение Сообщений: 1. Последнее - 09.01.2011г. 0:44:07



Оценить работу >> пока еще нет оценок, ваша может стать первой :)

Об авторе: Статьи на сайте Форнит активно защищаются от безусловной веры в их истинность, и авторитетность автора не должна оказывать влияния на понимание сути. Если читатель затрудняется сам с определением корректности приводимых доводов, то у него есть возможность задать вопросы в обсуждении или в теме на форуме. Про авторство статей >>.

Тест: А не зомбируют ли меня?     Тест: Определение веса ненаучности

В предметном указателе: Правда и ложь | Антихристианская направленность псевдонаучных теорий | Атилио Борон: Правда о капиталистической демократии | В. И. Кнорринг Искусство управления | Долг гражданский. Основные права и обязанности гражданина России | Информатика. Энциклопедический систематизированный словарь-справочник | Как правильно выйти замуж | Канеман, Словик, Тверски. Принятие решений в неопределенности: Правила и предубеждения | Мистическая ложь Америки, направленная против Ирана | Мнемоника. Правда и вымыслы. Олег Степанов. | Обсуждение статьи Правило Лагерквиста. Физико-химическое обоснование симметрий и соотношений Румера. | О картине мира и чем они обосн... | Основные методы необоснованного завышения объема и стоимости выполненных строительно-монтажных и ремонтно-строительных работ и методы определения завышения | Эволюционное обоснование появления сознания | Экспериментальные обоснования периода доверчивого обучения | Самое обоснованное утверждение, касающееся происхождения жизни - первичность молекул РНК по отношению к ДНК и сложным белкам (LUCA) | Алгоритмы распознавания | Асимметрия мозга | Интеллектуальные механизмы | Природа сна | Психика сознание | Психика человека | Психические процессы | Психические центры | Структура психики | Формирование мышления | У фитопланктона соотношение размера и численности то же, что и у млекопитающих | Физики проверили соотношение между массой и энергией
Последняя из новостей: Обобщение исследований организации психики на 2018 год: Что люди узнали о мозге.

Ученые создали первый в мире искусственный организм с одной хромосомой
Вооруженные генетическим редактором CRISPR ученые сумели создать вполне жизнеспособный искусственный организм, геном которого состоит всего из одной хромосомы. Тем самым, как сообщает авторитетный журнал Nature, был установлен новый мировой рекорд.
 посетителейзаходов
сегодня:11
вчера:11
Всего:10471328

Авторские права сайта Fornit
Яндекс.Метрика