Э. Рис, М. Стернберг - Введение в молекулярную биологию от клеток к атомам (1128690), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Гемоглобинплода связывает ДФГ менее сильно, чем дезоксигемоглобин взрослых, и поэтому имеет более высокоесродство к кислороду. В результате, когда кровь плодаобогащается кислородом за счет материнской крови,что имеет место в плаценте, кислород переходит отматери к плоду с высокой эффективностью.16. Эволюция белковГлобины — это группа белков, участвующих в транспорте кислорода. Они встречаются у высших эукариот, и на примере их эволюции будет рассмотрена эволюция белков вообще.Известные аминокислотные последовательностиразнообразных глобинов из многих видов можно совместить друг с другом. Для этого в некоторые последовательности иногда бывает необходимо включитьпропуски, как, например, в положение F10 при совмещении последовательностей α- и (β-цепей гемоглобина с последовательностью миоглобина.Инвариантным называется такой остаток, которыйвстречается в определенном положении любой из совмещаемых последовательностей.
Инвариантность почти всегда является следствием того, что данный остатокиграет особую функциональную или структурную роль.Так, во всех миоглобинах и гемоглобинах в положенииF8 обнаруживается His, поскольку он должен образовать ковалентную связь с железом гема.Термин замена означает изменение остатка вопределенном положении одной последовательности,обнаруживаемое при совмещении ее с другой. Прикон-сервативных заменах сохраняются химические свойства боковых цепей; например, во всех глобинах остатки в положении F6 имеют полярные боковые цепи. Боковые цепи, находящиеся во внутренней частибелковой глобулы, почти всегда неполярны, и эта неполярность сохраняется на протяжении всей эволюции белков. Остатки, расположенные на поверхностибелков, подвергаются более частым и разнообразнымзаменам, поскольку в большинстве случаев на химические свойства их боковых цепей не налагается жестких ограничений.Число различий в аминокислотных остатках длялюбой пары глобинов определяют, совмещая соответствующие последовательности, а результаты такихподсчетов для всего семейства глобинов могут бытьпредставлены в виде таблицы.
Для простоты частосчитают, что каждый единичный пропуск эквивалентен одной замене. К примеру, при совмещении последовательностей миоглобина и α- и β-цепей гемоглобина сравнивают 155 положений и найденное числоразличий заносят в таблицу (рис. 16.1).Древо родственных связей для глобинов строится наоснове математического анализа числа различий ваминокислотных остатках. В результате длина «пути»от белка из одного вида до общего предшественника(точка разветвления) и затем до белка из другого видаоказывается пропорциональной числу аминокислотных различий в сравниваемых последовательностях,которое, например, в случае пары р-цепь гемоглобинацыпленка/р-цепь гемоглобина лошади равно 47, а дляпары р-цепь гемоглобина человека/р-цепь гемоглобина лошади составляет 24.Мутацией называется любое изменение в нуклеотидной последовательности определенного гена(гл. 27).
Наиболее часто происходят так называемыеточковые мутации, связанные с изменением одногоазотистого основания, что влечет за собой изменение типа аминокислотного остатка в одном положении полипептидной цепи. Другие мутации приводят к вставкам или удалению одного или болееаминокислотных остатков. Особым типом мутацииявляется удвоение гена, в результате чего в организме появляются две копии одного и того же гена.Согласно теории естественного отбора, в популяции фиксируются предпочтительно выгодные мутации, т. е. мутации, дающие организму какое-то преимущество.Дивергентная эволюция белков семейства глобинов.Все глобины имеют сходные последовательности. Этотфакт объясняется происхождением их от одногообщего предка.
Эволюция глобинов происходила,очевидно, по дивергентному пути с помощью мутаций. Число различий в аминокислотных последовательностях между любыми двумя белками непосредственно связано с числом мутаций, зафиксированныхпосле того, как эти два белка разошлись от своего общего предка.
Поэтому древо родственных связей слу-жит схематическим изображением эволюционногопроцесса и является филогенетическим древом.Предковый глобин как полагают, представлял собоймономерный белок с включенной в него гемогруппой иуже обладал некоторой способностью переноситькислород.
В результате удвоения гена появились двеего идентичные копии, которые, последовательноподвергаясь мутациям, дали начало двум разным белкам. Поскольку между αα- и β-цепями гемоглобина существует меньше различий , чем между каждым из этихполипептидов и миоглобином, предполагают, чтопервоначальное удвоение гена привело к возникновению примитивных миоглобина и гемоглобина, а разделение на α- и β-цепи произошло позднее, после удвоения гена примитивного гемоглобина.Видообразование. С помощью целого ряда методовудается проследить пути развития различных биологических видов от их общего предка. Рассмотрим сэтой точки зрения ту часть филогенетического древаглобинов, которая касается β-цепей.
Видно, что β-цепи лошади и человека различаются меньше, чем β-цепи цыпленка и человека. Это означает, что в эволюционном отношении человек находится ближе к лошади, чем к цыпленку. В общем случае эволюционныесвязи между видами, установленные на основе анализаβ-цепей, довольно хорошо согласуются с соответствующими данными классической биологической таксономии. Фактически число аминокислотных различий между двумя видами может служить мерой времени, прошедшего после дивергенции их об общегопредка. Значения времени, оцененные подобнымспособом, находятся в неплохом соответствии с аналогичными результатами, полученными с помощьюдругих методов, таких, например, как палеонтологическое датирование.Скорость эволюции белков можно определить каквремя, за которое происходит накопление в среднем1% различий в аминокислотных последовательностяхмежду двумя белками, дивергировавшими от общегопредка. Скорость эволюции белков в пределах одногосемейства постоянна (прямые на рис.
16.2), однакоона сильно варьирует для белков, принадлежащих кразным семействам, что, по-видимому, связано с разным давлением отбора. Гистон IV — это сильно основный белок, связанный с ДНК, и в сущности любоеизменение его аминокислотной последовательностискорее всего нарушило бы его функцию и оказалосьлетальным для организма. Поэтому гистон IV эволюционирует очень медленно (1% изменений в последовательностях за 600 млн. лет). Прямо противоположным примером служат фибринопептиды — фрагментыцепи фибриногена, отщепляющиеся при превращении его в фибрин в процессе свертывания крови.
Очевидно, что сохранение определенной последовательности в данном случае не столь важно, поэтому скорость эволюции фибринопептидов весьма высока (1%за 1 млн. лет). Цитохром с — белок, состоящий приблизительно из 105 аминокислотных остатков, — принимает участие в транспорте электронов, обнаруженном как у животных и растений, так и у бактерий.Вследствие своей широкой распространенности вприроде цитохром с представляет собой прекраснуюмодель для изучения скорости эволюции белков.Скорости эволюции и цитохрома с, и глобинов занимают промежуточное положение между скоростямиэволюции фибринопептидов и гистона IV. По сравнению с глобинами цитохром с эволюционирует медленнее, что говорит о более жестких ограничениях,налагаемых на структуру цитохрома с. Чтобы соотнести между собой временную шкалу, изображенную нарисунке, с той, которая используется в классическойтаксономии, нужно принять во внимание, что растения и животные дивергировали около 1200 млн.
летназад, а видообразование у млекопитающих происходило в последние 100 млн. лет.Серповидноклеточная анемия — заболевание, возникающее при замене остатка глутаминовой кислотыв шестом положении р-цепи гемоглобина на остатоквалина. Это единственное изменение приводит куменьшению растворимости дезоксигемоглобина и кпоявлению у него способности агрегировать с образованием длинных волокон. В результате эритроцитыприобретают вытянутую форму, напоминающуюсерп. Деформированные таким образом, они могут закупоривать капилляры, нарушая нормальное кровообращение, либо легко подвергаться лизису, что и является непосредственной причиной наблюдаемойанемии. Замена Glu на Val не влияет на растворимостьоксигемоглобина. Шестой остаток Р-цепи находитсяна поверхности тетрамерного гемоглобина.
Вместо заряженной боковой цепи Glu серповидноклеточныйгемоглобин несет в том же положении неполярнуюбоковую цепь Val. В дезоксигемоглобине этот неполярный участок непосредственно контактирует скомплементарным неполярным участком, расположенным на поверхности другого тетрамерного гемоглобина, вызывая тем самым слипание молекул.Предполагают, что в оксигемоглобине комплементарный участок по каким-то причинам не может взаимодействовать с шестым Val, и поэтому агрегациине происходит.Пространственная структура α- и β-цепейгемоглобина человека и миоглобина кита былаопределена с помощью рентгеноструктурного анализа.Оказалось, что, несмотря на большое число различий ваминокислотных остатках, для всех трех белковхарактерен одинаковый способ трехмерной укладкицепей, известный под названием «глобинового типасворачивания» (гл. 15).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
