Любые системы вмещаются в код

Из четырех сортов нуклеотидов можно составить 64 упорядоченных тройки (триплета), а типов аминокислот, задействованных в белках, всего двадцать. Тем не менее, клетки используют все 64 триплета, но распределены они между аминокислотами не поровну: двум, метионину и триптофану, досталось только по одному триплету, зато трем другим, серину, лейцину и аргинину, аж по шесть. Есть ли в этом какая-то логика? И почему вообще триплет, например, АТГ кодирует именно метионин, а не, скажем, пролин (который кодируется, в частности, триплетом ЦЦЦ)?

Таблица стандартного генетического кода: бросается в глаза, что распределение триплетов по аминокислотам отнюдь не случайное! «Стандартным» этот код называют потому, что у некоторых организмов есть мелкие отклонения от него, считающиеся более поздними модификациями. Пояснение для тех, кто забыл: показанный здесь урацил (U) в РНК соответствует тимину (Т) в ДНК

Мы толком не знаем, как, собственно, возник сам чрезвычайно сложный механизм трансляции (биосинтеза белков), утилизирующий генетический код. Тем не менее, Евгений Кунин и Артем Новожилов рассматривают по крайней мере три (не обязательно взаимно исключающие) гипотезы происхождения кода:

• Коэволюционная (метаболическая): генетический код обусловлен эволюцией реакций биосинтеза самих аминокислот;
• Стереохимическая: несмотря на то, что аминокислоты и нуклеотиды – химически совершенно разные типы молекул, между ними все-таки есть определенное избирательное сродство, сыгравшее роль при зарождении кода;
• Минимизации ошибок: нынешний код – результат отбора на стабильность первоначального случайно возникшего.

Аминокислоты, синтез которых термодинамически «дешев», а именно глицин, аланин, аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, валин, серин, изолейцин, лейцин, пролин и треонин (в порядке возрастания «стоимости»), легко получаются в абиотических реакциях (о чем как раз недавно рассказывал уважаемый andresol) и обнаруживаются в метеоритах. Согласно коэволюционной гипотезе, первоначально генетический код был рассчитан только на них, а потом он диверсифицировался по мере того, как организмы обучались синтезировать другие, более «дорогие» аминокислоты. Анализ консервативных участков белков, общих у про- и эукариот и потому могущих считаться самыми древними, действительно показывает более высокое содержание глицина (химически самой простой аминокислоты), чем эволюционно более «молодые» участки.

Стереохимическая гипотеза, предложенная Георгием Гамовым уже через год после открытия двойной спирали, впоследствии вроде бы получила некоторое подтверждение в экспериментах по связыванию аминокислот короткими цепочками РНК (аптамерами). Правда, специфичность проявляют в основном поздние, термодинамически «дорогие» аминокислоты, так что вряд ли этот механизм мог быть задействован на ранних этапах эволюции.

Расчеты показывают, что стандартный генетический код примерно в миллион раз устойчивее к мутагенезу, чем случайный, хотя можно составить и еще более устойчивые (под устойчивостью понимают то, что из-за вырожденности кода замена одного нуклеотида не обязательно приводит к замене аминокислоты). Из этого вроде бы следует, что нынешний код сформировался под действием отбора на устойчивость, но другие расчеты свидетельствуют в пользу увеличения устойчивости как результата нейтрального дрейфа.

Понятно, любые изменения универсального генетического кода у отдельного таксона резко снизили бы эффективность горизонтального переноса генов, особенно важного на ранних этапах эволюции. Так что эффект «замороженной случайности», о котором говорил Фрэнсис Крик, тоже наверняка сыграл свою роль.