Молекулярная эволюция

Рентгеноструктурные исследования дали неожиданный выход в увлекательную область эволюции. Близость строения миоглобина и субъединиц гемоглобина не случайна. Установление пространственных структур некоторых белков, имеющих различное происхождение, а также установление последовательности расположения аминокислот в них явилось мощным средством, позволяющим заглянуть внутрь процесса эволюции. Во всех ферментах, структура которых установлена до настоящего времени, активные центры располагаются в углублениях или впадинах, формы которых весьма близки. Почему? Как возникло такое глобулярное пространственное образование?

Как мы видели в гл. 4, живые организмы хранят генетическую информацию в матрице ДНК. Установлено также, что под действием излучения (УФ-, рентгеновского и т. д.) или некоторых химических агентов в молекуле ДНК происходят мутации. Вследствие таких мутаций угасают жизненно важные биологические функции, изменяется последовательность аминокислот при биосинтезе белков и других природных соединений или даже возникают совершенно новые биологические системы. Все зависит от количества измененных генов и характера изменений в них.

С некоторой уверенностью можно утверждать, что большинство мутаций не ведет к улучшению организма. Во многих случаях мутации оказываются нежизнеспособными и мутант погибает. Число полезных мутаций невелико, и их сохранению способствует то, что аналогичные аминокислоты способны замещать друг друга в последовательности, образующей белок. Очевидно, появление таких мутаций в процессе эволюции создает механизм, способствующий адаптации организма к изменяющимся условиям. Например, бактерии, обладающие устойчивостью к антибиотикам, приобрели ее в результате появления множества мутантов. Короткокрылые мушки, выживающие в условиях жестоких ветров на некоторых островах Тихого океана, возникли путем мутаций. Существовавшие прежде разновидности с длинными крыльями не выдержали естественного отбора, поскольку их сносило ветром в море, где они тонули. От бактерий и до человека - всюду мутации были и остаются средством изменения биологических особей на молекулярном уровне.

Гемоглобин и цитохром с представляют собой белки, характерные для животных разных видов. Рентгенографическое исследование и изучение аминокислотных последовательностей этих белков для различных организмов позволяют проследить пути их эволюции.

У млекопитающих гемоглобин выполняет функцию активного компонента эритроцитов, переносящих кислород, тогда как весьма близкий к нему по строению миоглобин служит переносчиком кислорода в мышцах. Кроме молекулярной структуры гемоглобинов человека и лошади, в настоящее время установлены молекулярные структуры и аминокислотные последовательности гемоглобинов различного происхождения, в частности гемоглобина личинки комара, морского кольчатого червя и миноги. Хотя аминокислотные последовательности этих гемоглобинов отличаются друг от друга и от молекул гемоглобина млекопитающих, все виды гемоглобинов имеют на поверхности молекулы впадину, свойственную миоглобину. Напрашивается вопрос, не произошли ли все они от одного общего предшественника, какого-то белка, служившего переносчиком кислорода.

Биологи показали, что иногда гемоглобин встречается у беспозвоночных. Поэтому возможно, что белки, могущие связываться с кислородом, неоднократно и независимо возникали в ходе эволюции. Каждый раз природа использовала для этого весьма похожие и эффективные гем-содержащие белки, имеющие впадины или складки. На поверхности своей молекулы эти углубления защищали гем и создавали подходящий гидрофобный центр для связывания кислорода и (или) двуокиси углерода. У тех беспозвоночных, которые не имеют гемоглобина, имеются другие системы переноса кислорода.

Если сравнить аминокислотные последовательности миоглобина (кита) и гемоглобина (лошади и человека), кажется очевидным, что и тот и другой произошли от общего глобулярного белка. На рис. 10.27 изображена предполагаемая картина такой дифференциации в ходе эволюции.

Рис. 10.27. Эволюция глобинов [1]. На основании сходства аминокислотных последовательностей и пространственной структуры субъединиц гемоглобина и миоглобина предполагают, что они произошли из одного общего глобина. 1 - кит; 2 - человек; 3 - лошадь

В имеющейся коллекции образцов человеческой крови, собранной со всего мира, обнаружено около сотни различных мутантных гемоглобинов. В результате выяснилась картина патологии в молекулярном строении. Оказалось, что легко происходят мутации находящихся на поверхности гемоглобина молекул аминокислот, что обычно не влияет на биологические функции гемоглобина. Мутации вблизи гема, во внутренних неполярных областях белка и (или) в местах соединения субъединиц чрезвычайно сильно нарушают биологические функции гемоглобина.

Перутц и Леман классифицировали многие мутации и установили корреляцию между этими мутациями и изменениями конформаций, а также вызываемыми ими клиническими последствиями. Они обнаружили, например, что замещение находящегося рядом с гемом фенилаланина валином приводит к тому, что гем "вываливается" из белка. Такой аномальный гемоглобин известен под названием "гемоглобина Торино", а его образование приводит к возникновению анемии^*. В другом случае, при образовании так называемого гемоглобина Бостона, гистидин, связанный с атомом железа, замещается тирозином. Образование этого мутанта приводит к таким болезням, как цианоз^** и метгемоглобинанемия^***. На основании рентгеноструктурных исследований было высказано предположение, что при образовании гемоглобина Бостона гем каким-то образом вытесняется из молекулы гемоглобина.

^* (Анемия - это заболевание крови, при котором понижена способность эритроцитов переносить кислород и (или) двуокись углерода. Одна из форм анемия связана с образованием твердых частиц железа, или телец включения. Когда железо "вываливается" из мутантного гемоглобина, оно агрегируется. При этом блокируется процесс переноса кислорода, и в результате возникает тяжелая анемия.)

^** (Цианозом называется болезнь, при которой кожа и слизистые оболочки синеют, особенно в области конечностей. Это связано с недостаточным снабжением крови кислородом. Часто тяжесть болезни прямо пропорциональна концентрации восстановленного гемоглобина. Эта болезнь может возникать также и из-за появления других форм гемоглобина, приводящих к тому, что транспорт гемоглобина блокируется или ингибируется.)

^*** (Метгемоглобин образуется при окислении гема гемоглобина. Это соединение не может осуществлять транспорт кислорода, и поэтому его образование приводит к возникновению болезни, называемой метгемоглобинанемией. Одним из самых явных клинических симптомов этого недуга является цианоз.)

Перутц и Леман рассмотрели также мутации, при которых изменены связи между субъединицами. Гемоглобин Канзаса - это мутант гемоглобина, в молекулах которого аспарагин заменен треонином. В окси-форме этот белок диссоциирует, образуя αβ-димеры (вместо обычного α₂β₂-тетрамера), что приводит к цианозу. Вероятно, наиболее известной и изученной мутацией гемоглобина является гемоглобин S, обнаруживаемый у больных наследственной болезнью, называемой серповидноклеточной анемией. У этой формы гемоглобина валин замещен глутаминовой кислотой во внешней части белковой молекулы. Генетические признаки рецессивны. Поэтому клинические симптомы появляются только в гомозиготах^*. Появление серповидных клеток обусловлено пониженной растворимостью дезоксигемоглобина S. Неполярная боковая цепь валина вызывает агрегацию волокон дезоксипротеина, что приводит к серповидной деформации красных кровяных клеток и к смерти в раннем возрасте^**.

^* (Гомозигота для данного признака имеет идентичные гены в положении, контролирующем этот признак в обеих хромосомах родителей.)

^** (Серповидноклеточная анемия наблюдается в первую, очередь в тех странах, где распространены болезни крови, например малярия. Ген серповидноклеточности в гетерозиготном состоянии обусловливает избирательную защиту против малярии. В Америке этот признак обнаружен почти исключительно у негров.)

Рентгенографическое исследование оксигенированного гемоглобина S показывает, что по структуре он в основном аналогичен обычному оксигенированному гемоглобину. Причина нерастворимости дезоксигемоглобина не может заключаться в изменениях конформации, скорее это обусловлено ассоциацией неполярной поверхности молекулы, происходящей за счет валиновых боковых цепей.

В литературе описаны многие другие мутантные формы гемоглобина; ни одна из них по способности служить переносчиком кислорода не превышает обычный гемоглобин. В лучшем случае мутация оказывается безвредной. Во многих случаях их появление вызывает патологию. В настоящее время нет способов лечения людей, имеющих генетические дефекты, приводящие к появлению нарушений в молекуле гемоглобина. Осуществимость проекта пересадки здоровых генов пока остается делом далекого будущего. Другим белком, для которого изучалась эволюция на молекулярном уровне, является цитохром с. Этот белок сравнительно небольшого молекулярного веса (около 12000) содержит железо и гем (этим он похож на гемоглобин). Цитохром с служит переносчиком электронов при энергетических превращениях (гл. 2). Обнаружен он во всех живых организмах.

Марголиаш и его сотрудники провели сравнение аминокислотных последовательностей цитохрома с, выделенного из 35 различных организмов. Небольшие отличия в последовательностях аминокислот наблюдаются на поверхностных участках белка. Некоторые же последовательности аминокислот характерны для всех образцов цитохрома с. Это показывает, что мутации, затрагивающие эти участки, всегда летальны. Цитохром с, выделенный из одного источника, после очистки можно применять для проведения экспериментов in vitro с цитохромными ферментами, полученными из совершенно другого источника (например, один из дрожжей, другой от лошади). Это показывает, что в основном функция цитохрома с осталась практически неизменной в процессе эволюции, продолжавшейся миллиарды лет.

Рентгеноструктурные исследования цитохрома с начались с препаратов, полученных из сердца лошади, скумбрии и голубого тунца. Гем расположен в углублении под прямым углом к поверхности. В. миоглобине и гемоглобине гемы расположены параллельно поверхности. Гем в цитохроме с прочно прикреплен к белковой цепи посредством двух цистеиновых остатков и одного гистидинового. Кроме того, гем соединен с гистидином и метионином, которые являются лигандами, расположенными между плоскостями. Такая "закрытая" структура не может комплексоваться с молекулами малых размеров. Роль этого белка заключается в окислении или восстановлении других молекул в системах, обеспечивающих перенос энергии.

Опубликованы данные исследований сравнения белковой последовательности для образцов цитохрома с, выделенных из различных объектов, и предложено изображение генеалогического дерева, отражающего процесс эволюции этого белка. Из этих данных следует, что если рассматривать только различия в последовательности аминокислот, то грибы различаются между собой больше, чем насекомые и позвоночные. Таким образом, оказывается неясным, что же считать вершиной антропоцентрической шкалы ценностей, если основывать эту шкалу на цитохроме с. Представляет ли человек венец творения?