Вышеприведенные факты наглядно показали всю важность роли аминокислот в качестве БД БС и их сложной связи с другой разновидностью БД - биоэлементами.
Но не менее важно и влияние свойств субъединиц БС на БД. В этой связи обратим внимание на тот факт, что любая БД, попавшая в ББ, из-за сопротивления внешней среды и своей инерции при передвижении БС вперед всегда опирается больше на вторую субъединицу (от её начала), чем на первую. В результате такого взаимодействие с нею и свойства данной БД будут зависеть от этой (второй) субъединицы БС гораздо существеннее, чем от иной её субъединицы.
Это обстоятельство приводило к тому, что две описанные выше группы аминокислот, в свою очередь, должны были разделиться на подгруппы, меньшие по числу.
Действительно, согласно установленным фактам генетического кода, все кодоны с цитозином (С) во втором положении кодируют аминокислоты (Ser, Pro, Thr и Ala), малые по размеру, а все кодоны с урацилом (U) во втором положении кодируют аминокислоты разных (но не крайних) размеров с гидрофобной (неполярной) боковой цепью - Рhе, Lеu, Ilе, Меt и Vаl.
Если исключить терминирующие кодоны, то наличие аденина (А) во втором положении определяет полярную или заряженную боковую цепь аминокислот (Туг, Нis, Glп, Аsп, Lуs, Аsр и Glu), немалых по размеру.
Тогда с гуанином (G) во втором положении таких БС могли взаимодействовать следующие их "биодобавки": самая реактивная аминокислота (Cys), самая большая и плоская (Trp), самая большая и корявая (Arg), самая маленькая (Gly), часть единственной несвязной серии (Ser) и неоднозначный терминальный нонсенс (UGA), который в ряде случаев кодирует 21-ю аминокислоту - селеноцистеин (Sec) [14].
При этом, порою, могла изменяться и суммарная величина заряда такой новой БС.
Данное свойство БС было связано с тем, что головки липидных молекул всегда либо отрицательно заряжены, либо нейтральны. А поскольку ББ образуют две таких молекулы, становится понятным, почему в число биогенных химических элементов, в первую очередь, отбирались ионы металлов с зарядом +2е.
Попутно заметим, что в физиологических условиях отрицательный заряд нуклеотидов на единицу больше числа фосфатных остатков в молекуле. Благодаря этому обстоятельству третичная структура РНК стабилизируется ионами двухвалентных металлов, например, ионами Mg2+, связывающимися не только с фосфатными группами, но и с основаниями [3].
Обратим также особенное внимание на тот факт, что такая БС наделялась и новыми дополнительными свойствами, в первую очередь, большей чувствительностью к изменениям внешней среды, чем, если бы она не имела БД. И тут первую роль могли играть только лишь аминокислоты, а не биохимические элементы, поскольку все аминокислоты - амфотерные соединения, способные проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной группы - СООН, так и основные свойства, обусловленные аминогруппой - NH2.
Общеизвестно, что при нейтральных значениях рН среды все кислотные (способные отдавать Н+) и все основные (способные присоединять Н+) функциональные группы аминокислот находятся в диссоциированном состоянии [3]. Поэтому в нейтральной среде аминокислоты, содержащие недиссоциирующий радикал, имеют суммарный нулевой заряд.
Аминокислоты, содержащие кислотные функциональные группы, имеют суммарный отрицательный заряд, а аминокислоты, содержащие основные функциональные группы, - положительный заряд.
Изменение рН в кислую сторону (т.е. повышение в среде концентрации Н+) приводит к подавлению диссоциации кислотных групп.
В сильно кислой среде все аминокислоты приобретают положительный заряд. Напротив, увеличение концентрации ОН- групп вызывает отщепление Н+ от основных функциональных групп, что приводит к уменьшению положительного заряда.
В сильно щелочной среде все аминокислоты имеют суммарный отрицательный заряд. Таким образом, в кислой среде аминокислоты существуют в виде катионов, а в щелочной - в виде анионов.
Описанные выше обстоятельства непосредственно и повлияли на включение в БС аминокислот, поскольку они заметно различаются по строению, размерам и физико-химическим свойствам своих радикалов. Так, по химическому строению радикала они делится на алифатические, ароматические и гетероциклические. А в составе алифатических радикалов, в свою очередь, могут находиться функциональные группы, придающие им специфические свойства: карбоксильная (-СООН), амино (-NH2), тиольная (-SH), амидная (-CO-NH2), гидроксильная (-ОН) и гуанидиновая группы [9].
Растворимость радикалов аминокислот определяется полярностью функциональных групп, входящих в состав молекулы (полярные группы притягивают воду, неполярные (гидрофобные) её отталкивают). Вследствие этого наибольшей растворимостью в воде обладают полярные заряженные радикалы аминокислот.
Обратим внимание еще на одну особенность аминокислот, выбранных БС в качестве БД.
Часть этих аминокислот не только способна превращаться в себе подобных (т. е. в заменимые аминокислоты), но и участвовать в создании субъединиц БС - липидов (Phe, Tyr, Leu, Lys и Trp) и нуклеотидов.
Так, молекула аспарагиновой кислоты (Асп, Asp, D) образует существенную часть скелета пуриновых и пиримидиновых ядер. С метаболизмом Gln связаны эти же разновидности нуклеотидов. Помимо этого, синтез пуринов связан с метаболизмом аминокислоты Gly.
БД (в виде аминокислот) попадает в ББ данной БС, если значения плотностей её и субъединиц БС отличаются на немного. Для того, чтобы аминокислота могла попадать во все без исключения ББ (как верхние, так и в нижние), её плотность должна быть несколько меньше, чем у идентичных субъединиц БС.
Данный вывод можно подтвердить значениями следующих плотностей БС, проставленных в круглых скобках, в биоструктурах с 4-мя ББ, в которых каждые две ББ полностью идентичны.
Такими БС являются: кодон UUU (1,32), кодирующий Phe (1,29); кодон GGG (2,2), определяющий Gly (1,607) и кодон CCC (1,55), кодирующий аминокислоту Pro (1,367).
Характерна эта закономерность и для других БС, например: кодоны UUG (1,32+1,32 +2,2)/3 и UUA (1,32+1,32+ 1,662)/3 кодируют Leu (1,293).
Таким образом, прослеживается явная тенденция в разнице между величинами плотностей субъединицы и её БД (если в качестве её используются аминокислоты) - она всегда меньше плотности субъединиц БС. Эта же зависимость особенно четко прослеживается для величин плавучей плотности данных веществ, несколько отличающейся от плотности этих веществ, находящихся в кристаллическом виде.
Но в таком случае также можно предположить, что изначальное появление двух взаимодействующих участков нуклеиновой кислоты (РНК-РНК: шпильки в тРНК и в мРНК, появление двухцепочечных РНК, гибридов РНК-ДНК и двуцепочечной ДНК) было связано именно с созданием дополнительных ББ, в которые могли попадать дополнительные БД, изменяющие значения плавучей плотности данной БС.
В этой связи можно предположить, что наличие в тРНК 4-х "стеблей", содержащих участки двух цепей РНК с аминокислотами, вставленными в их "сборные" ББ, было обусловлено стремлением уменьшить разницу в значениях плавучей плотности АРС-азы с аминокислотой и тРНК определенного кодона.
Благодаря разности плотностей субъединиц и БД, такая БС могла подниматься либо вверх (если плотность БД меньше, чем у её субъединиц), либо опускаться вниз, когда плотность БД (в виде биохимических элементов) была больше, чем у субъединиц БС.
Данная разница в величинах плотностей обязательно скажется не только на величине, получаемой БС космической энергии, но и на её взаимодействии с другими БС.
Это обстоятельство также логично объясняет причину не только включения в состав БД различных БС целого перечня ионов тяжелых металлов: железо, медь, цинк, молибден, титан и другие, но и их комбинаций.
Например, фермент энолаза, множественные формы которой (изоферменты) характерны для тканей рыб, активируется ионами магния (Magnesium, Mg, 12, 1,738 г/смі) - Mg2+; марганца (Manganum, Mn, 25, 7,21 г/смі) - Mn2+, калия (Kalium, K, 19, 0,856 г/смі) - К+, и инактивируется ионами фтора (Fluorum, F, 9, (при - 189°C) 1,108 г/смі). Фторид (Fluoride) - это ион фтора - F-1 [20].
Для энолазы характерна доменная структура. В глубокой щели между малым N-концевым и большим С-концевым доменами располагается активный центр фермента. Для проявления каталитической активности необходимы ионы Mg, причем без них фермент не только не обладает активностью, но и диссоциирует на субъединицы.
При увеличении концентрации меди в воде, которую пили животные, замечено следующее: наибольшее количество меди связывается в цитозоле, значительный рост концентрации меди отмечается и в митохондриях. Увеличенное поступление меди приводит к перераспределению биогенных элементов, в результате чего в клетках почек снижается содержание цинка и магния, а увеличивается - кальция.
Изменение концентрации биогенных элементов, безусловно, влияет на активность многих ферментов и, в конечном итоге, на обмен веществ в почечной ткани. Можно предположить, что существенно изменится липидный обмен, так как многие ферменты, участвующие в метаболизме липидов, цинк- и магний-зависимые [21].
Поскольку в данном разделе работы рассматривается роль БС с абсолютно идентичными субъединицами в создании генетического кода, отметим, что повторяющиеся последовательности и сателлитная ДНК - одна из закономерностей в чередовании нуклеотидов у большинства ДНК эукариотических клеток. Эти ДНК состоят из уникальных и частично повторяющихся последовательностей, составляющих порою (у мыши) десятую долю генома.
Имея другую величину плавучей плотности, ДНК с повторяющимися последовательностями при центрифугировании в градиенте плотности CsCl образует отчетливую сателлитную полосу. Каждая из двух цепей этой ДНК настолько отличается по составу оснований, что они хорошо разделяются в растворе CsCI [11].
Таким образом, с большой долей достоверности можно говорить о том, что экзоны пре-мРНК, кодирующие белки участки нуклеиновых кислот, представляют собой участки непосредственной связи ДНК и РНК, имеющие значения плотностей, отличной от плотности основной массы ДНК.
При объединении субъединиц цепей ДНК и РНК также будут образовываться ББ, в которые могут попасть аминокислоты. Затем, при расхождении этих двух взаимодействующих участков нуклеиновых цепей, аминокислоты, попавшие в их "сборные" ББ, могут активно подбираться аминоацил-ТРК-синтетазами и уже в комплексе с тРНК доставляться к рибосоме и мРНК для синтеза белка.
Попутно напомним, что последовательно соединенные экзоны и составляют мРНК эукариот. Отметим также, что некоторые молекулы мРНК также могут катализировать сплайсинг экзонов без участия белков.
У некоторых вирусов, например, пикорнавирусов, мРНК образует весь их геном.
Напомним, что и основной носитель энергии в клетках - аденозинтрифосфамт (нуклеозидтрифосфат, сокр. АТФ, англ. АТР, C10H16N5O13P3, 1,04 г/см3) - рибонуклеотид, а для начала процесса удвоения ДНК также необходима - БС, содержащая РНК. Это - РНК-"затравка" (праймер) [3].
Теперь становится понятной и причина различия в величинах плавучих плотностей различных ДНК и РНК, а также их гибридов ДНК-РНК [9], сделавших возможным жизнь на Земле.
Кроме того, становится понятным и частая связь нуклеиновых кислот с различными белками. Ведь величина плавучей плотности белков в растворах CsCl колеблется в пределах 1,3-1,33 г/см3, а у РНК - более 1,9 г/см3.
У ДНК показатель плотности находится в пределах 1,7 г/см3. Это связано с тем, что в ДНК нуклеотид урацил с плотностью 1, 32 г/см3 заменён тимином, имеющим плотность 1,23 г/см3.
Для того чтобы лучше понять значение этого факта для различного рода БС, мысленно заменим воздух в следующем примере на тимин, подводную лодку - на БС, а её баки - на ДНК, гуанин - на воду:
Регулируя количество воды в балластных танках (баках), подводная лодка может зависать на желаемой глубине, плотность воды на которой равна средней плотности подводной лодки. Если набрать в танки больше воды, вытеснив соответствующее количество воздуха, то плотность подводной лодки увеличивается, и она погружается, попадая в слои более холодной воды с большей плотностью. Когда плотность воды оказывается равной плотности подводной лодки, лодка снова зависает на новой глубине [7].
Таким образом, тимин невольно способствовал не только дальнейшему объединению РНК с ДНК, но и резкому увеличению территориального распространения использующих его БС, т.е. резкому увеличению ариала всех ДНК-овых организмов и выходу их из воды на сушу.
ДНК, содержащаяся в хлоропластах, - кольцевая, по плотности обычно несколько отличная от ядерной ДНК. Например, у Euglena gracilis плотность ядерной ДНК составляет 1,707 г/смі, а ДНК из хлоропластов - 1,685 г/смі [10].
Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что поскольку с белковыми структурами гораздо легче взаимодействовать именно ДНК, а не РНК, то и ДНК-овый хроматин будет обладать большей стабильностью и характеризоваться большим разнообразием.
Интересно, что при этом цепи двухцепочечных нуклеиновых кислот могут выступать в роли двух субъединиц БС, образующих биобухты (ББ), носящие название "бороздки". Причем их также будет именно две, как и у любой двухсубъединичной БС.
В структуре двуцепочечной ДНК, находящейся в В-форме, различают две бороздки - большую, шириной 2,2 нм, и малую, шириной 1,2 нм. У А-формы ДНК глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая малая бороздка.
Важная структурная особенность РНК, отличающая её от ДНК - наличие гидроксильной группы в 2' положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, наиболее часто наблюдаемой у ДНК.