Подумаешь, геном Ньютона!

Рис. 1

Молекулы тРНК содержат нестандартные основания, полученные модификацией стандартных четырех уже после считывания из генома. Например, ψ - псевдоуридин, D - дигидроуридин (см. рис. 1B). Y обозначает любой пиримидин (U или C). Обозначения 5' и 3' задают направление чтения нуклеотидов.

Нас сейчас больше всего интересуют два сайта молекулы тРНК - акцепторный стебель, к которому прикрепляется аминокислота, и антикодон, который комплементарно спаривается с кодоном на мРНК в рибосоме (рис. 2A). Если антикодон подошел к кодону, аминокислота переносится с тРНК на растущую полипептидную цепь. Если нет - тРНК вместе с аминокислотой удаляется из рибосомы, на их место приходит другая пара и т.д. Но даже с учетом такой "стрельбы в холостую" бактериальная рибосома умудряется наращивать аминокислоты в белке со скоростью 20 штук в секунду (у эукариот раз в 10 медленнее).
 

На рис. 1 изображена конкретная тРНК, соответствующая аминокислоте фенилаланин. Заглянув в таблицу генкода, мы увидим, что этой аминокислоте соответствуют два кодона - UUU и UUC. И действительно, в тРНК мы видим антикодон GAA, который комплементарен кодону UUC. Что насчет второго кодона? Нужна ли для него другая тРНК? Вообще, одной аминокислоте в общем случае соответствует несколько кодонов. Это значит, что либо для каждой аминокислоты должно существовать несколько тРНК, либо одна и та же тРНК должна узнавать несколько кодонов. На деле имеют место оба случая. Некоторым аминокислотам соответствует несколько молекул тРНК с разными антикодонами, а некоторые тРНК устроены так, что узнают несколько кодонов, т.к. они требуют точного спаривания только в двух позициях между кодоном и антикодоном, разрешая нестандартное сочетание оснований в третьей позиции кодона (т.н. wobble-pairing, рис. 2B). Это позволяет клетке иметь не 61 разновидность молекул тРНК (число всех возможных кодонов за вычетом трех STOP-сигналов), а иногда в два раза меньше. Конкретное количество зависит от вида организма. У человека их 48, у некоторых бактерий - 31. 

Теперь важно запомнить, что тРНК отличаются друг от друга не только антикодоном - параллельно с ним имеются нуклеотидные отличия и в других местах. В итоге тРНК с разными антикодонами отличаются также слегка и всей своей пространственной конфигурацией. 

Вернемся к основному вопросу - как реализуется генкод? Теперь его можно перефразировать так: почему молекулы тРНК носят именно те аминокислоты, которые соответствуют их антикодонам? Вообще-то, самой молекуле тРНК все равно, какая к ней прикреплена аминокислота - соответствует ли она ее антикодону или нет. И вот здесь появляется второй герой, точнее, герои - синтетазы. 
 

Аминоацил-тРНК-синтетазы

Это те белки-ферменты, которые и насаживают аминокислоты на молекулы тРНК с нужными антикодонами. Всего их 20 типов - по одной на каждую аминокислоту. 

Синтетазы - очень специфичные ферменты. Они с высокой точностью узнают "родную" аминокислоту и все молекулы тРНК, соответствующие этой аминокислоте. Более того, синтетазы имеют два сайта - сайт синтеза, в котором, собственно, тРНК и соединяется ковалентно с аминокислотой, и сайт коррекции, где происходит дополнительная проверка. Если аминокислота не "родная" для данной тРНК (по какой-то причине в сайте синтеза произошла ошибка), то аминокислота отсоединяется от тРНК и обе молекулы высвобождаются. Схематично это показано на рис. 3.
 

Рис. 3

Теперь вопрос как реализуется генкод можно переформулировать еще раз: как синтетаза узнает свои тРНК? Делает она это "ощупыванием" - одна ее слегка вогнутая сторона предназначена для контакта с тРНК. Со стороны тРНК в процесс узнавания наиболее часто вовлечены акцепторный стебель, антикодон и D-петля. На рис. 4 те нуклеотиды, которые участвуют в распознавании тРНК синтетазой, обозначены фиолетовыми шариками. Чем больше шарик, тем чаще это место используется для распознавания. Числа возле шариков - это порядковый номер нуклеотидов в молекуле тРНК. Например, антикодон образуется нуклеотидами 34, 35 и 36, а нуклеотид 73 находится в акцепторном стебле. Показаны сайты узнавания для двух классов синтетаз (все 20 синтетаз группируются в два класса по 10 штук в каждом; эти классы отличаюся друг от друга и структурно, и по способу взаимодействия с тРНК, но нам здесь это не важно). 
 

Рис. 4

Ключевой момент в плане гибкости генкода здесь в том, что антикодон не является единственным решающим элементом в распозновании тРНК, важна вся ее конфигурация. Более того, в случае некоторых синтетаз (например, лейциновой и сериновой синтетаз у E.coli) антикодон вообще не участвует в распознавании [2]. Что это значит? А то, что какой бы ни был антикодон у такой тРНК, к ней всегда будет присоединяться одна и та же аминокислота. Именно это подразумевается под отсутствием химической логики, связывающией данные кодон и аминокислоту. В других случаях в распознавании участвует только один нуклеотид антикодона, чего также недостаточно для "жесткого связывания". Даже в тех случаях, когда в распознавании участвует весь антикодон, имеется определенная свобода его изменения. Дело в том, что если в молекуле тРНК искусственно поменять антикодон на другой, оставив всю ее остальную часть нетронутой, то либо тРНК просто станет неактивной, либо она продолжит принимать на себя прежнюю аминокислоту, но с меньшей эффективностью, либо вообще ничего не изменится и она будет принимать прежнюю аминокислоту фактически также эффективно, как и с "родным" антикодоном - конкретный из этих вариантов зависит от нового антикодона [3]. Но чего точно не произойдет - тРНК не начнет принимать новую аминокислоту, соответствующую новому антикодону по таблице генкода. 

Итак, ответ на вопрос "где физически закодирован генкод" такой: физически он закодирован в молекулах тРНК. А именно: с одной стороны, ее антикодон определяет, какому кодону на мРНК она соответствует; с другой стороны, ее общая пространственная конфигурация определяет, какой именно синтетазой она будет узнана и, в итоге, какая именно аминокислота к ней будет присоединена. 

Наглядная аналогия: 20 синтетаз - это 20 закрытых дверей с надписью "аминокислота такая-то". Молекулы тРНК - это ключи от дверей. Если ключ подошел к двери - она открывается и впускает аминокислоту, которая насаживается на ключ, и вместе они готовы к синтезу белка. Антикодоны на тРНК - это бирки с номерами, которые висят на ключах, и которые можно перевешивать с ключа на ключ. Единственное отличие от реальных ключей здесь в том, что иногда смена бирки может влиять на эффективность работы ключа. Но определенная свобода все же имеется, и бирки на ключах можно в какой-то степени комбинировать. 

Можно предположить, что на заре жизни могла иметь место вообще полная свобода в переназначении кодонов аминокислотам. Сегодня молекулы тРНК, соответствующие одной и той же аминокислоте, но работающие в разных организмах, в деталях отличаются друг от друга. Скажем, в лейциновой тРНК у кишечной палочки антикодон в распознавании не участвует, а у дрожжей там задействован один нуклеотид. Зато в валиновой тРНК у палочки участвуют два нуклеотида антикодона, а у дрожжей опять только один. Это наводит на мысль, что такие "зацепки" появлялись в ходе отбора уже после "установления" генетического кода, способствуя его закреплению. А на раннем этапе код мог быть, в принципе, полностью незакрепленным и любой кодон мог быть "назначен" любой аминокислоте.

Теперь вспомним, что сами молекулы тРНК транскрибируются из генома. Поэтому окончательный ответ такой: генетический код "прописан" в геномах! Гибкость генкода ведет к его открытости для редактирования. Например, возьмем геном кишечной палочки и найдем в нем все гены, в которых "прошиты" аланиновые тРНК, а также гены с сериновыми тРНК. Меняем во всех этих генах антикодоны - сериновые антикодоны пересаживаем в аланиновые тРНК-гены, и наоборот. Конечно, после такой операции бактерия не выживет, т.к. во всех белках будут вставляться теперь неправильные аминокислоты - вместо серина аланин и наоборот. Поэтому мы также должны заменить во всех белковых генах сериновые кодоны аланиновыми, а аланиновые - сериновыми. Задача, конечно, техничеки трудная, но теоретически выполнимая. И вот после этого клетка уже не почувствует никакой разницы - в белках будут вставляться правильные аминокислоты. Но сам генетический код уже будет другой.