 |
IV. Изучение белков как продуктов генов
|
|
|
|
Выявление некоторых общих тенденций в эволюции структурных генов еще не объясняет того, как изменяются гены. Для выяснения этого вопроса предприняты многочисленные исследования по сравнению белков, а затем и самих генов, кодирующих эти белки.
Прежде всего, были изучены гомологичные белки и гомологичные гены. Проблема гомологии генетических структур различных организмов была выдвинута еще Н. И. Вавиловым в его законе гомологических рядов в наследственной изменчивости. Подойти к рассмотрению этой проблемы вплотную удалось благодаря использованию методов молекулярной генетики. Доказать гомологию генов можно только исследуя белки — продукты генов или непосредственно сами гены.
В настоящее время общепринято, что третичная структура белковой молекулы полностью определяется ее первичной структурой. В то же время исследования последних лет продемонстрировали значительную изменчивость первичной структуры гомологичных белков, выполняющих одни и те же функции у разных видов и удивительное постоянство их третичной структуры.
При сравнении цитохрома С лошади и свиньи показано, что, различаясь по 17 аминокислотным остаткам из 104, они тем не менее имеют почти идентичную третичную структуру. Единственное различие, которое было предсказано, касалось локализации некоторых боковых цепей.
У прокариот различия в аминокислотных последовательностях гомологичных белков разных видов значительно больше, чем у эукариот. Конформация всех изученных к настоящему времени цитохромов С оказалась одинаковой, несмотря на значительную изменчивость их аминокислотных последовательностей.
Предполагается, что неизменность третичной структуры белка в процессе эволюции обусловлена действием стабилизирующей формы естественного отбора, направленного на поддержание конформации белковой молекулы, оптимальной для выполнения функции. Этот процесс в значительной степени зависит от структуры генетического кода: очень часто замена одной пары оснований, вызванная в каком-либо гене мутацией, приводит к подстановке аминокислоты по своим физико-химическим свойствам максимально подобной исходной.
|
|
|
Влияние аминокислотных замен в различных участках белка на его структуру и функцию не равноценно, так как белковые молекулы на уровне своей третичной структуры образуют отдельные функциональные центры. Поэтому все аминокислотные остатки, входящие в состав белковой молекулы, можно разделить на три условные группы:
1) входящие в функциональные центры,
2) не входящие непосредственно в центры, но необходимые для формирования их вторичной и третичной структуры;
3) остальные, которые не существенны для функционирования и сравнительно легко заменимы другими остатками.
Такая организация белковых молекул значительно ограничивает изменчивость их первичной структуры. Чтобы получить распространение в популяции, аминокислотные замены не должны нарушать структуру функциональных центров белка, а следовательно, не должны затрагивать аминокислотные остатки, входящие в эти центры, а также аминокислотные остатки, которые непосредственно не участвуют в образовании центров, но необходимы для их формирования, т. е. они не могут касаться остатков, выделенных в 1-ю и 2-ю группы. Для аминокислот 3-й группы также не все замены приемлемы: недопустимы такие, которые приводят к значительным изменениям размера или полярности аминокислот, поскольку это нарушит стабильность или заряд белковой молекулы.
Создается впечатление, что в процессе эволюции возможности изменчивости белков крайне ограничены. И тем не менее, как это ни парадоксально, было обнаружено, что аминокислотные последовательности гомологичных белков разных видов в некоторых случаях могут различаться более чем на 50 % своих аминокислотных остатков. Это противоречие получило свое разрешение в работах американских исследователей У. Фитча и Е. Марголиаша, в основе которых лежит сравнительный анализ структуры и функции цитохрома С у организмов разных таксономических групп.
|
|
|
Молекулярные исследования дали возможность приблизиться к точному измерению степени биохимического сходства и различия между разными организмами. Некоторые ферменты и другие белки являются квазиуниверсальными, или во всяком случае очень широко распространёнными в живой природе. Они функционально сходны у разных живых существ, – то есть катализируют сходные химические реакции. Но если такие белки выделить и точно определить их строение, часто оказывается, что они содержат более или менее различные последовательности аминокислот у разных организмов. Например, так называемая альфа-цепь гемоглобина идентична у человека и шимпанзе, но отличается одной аминокислотой (из 141) от альфа-цепи гемоглобина гориллы. Альфа-цепь гемоглобина человека отличается от гемоглобина крупного рогатого скота 17 аминокислотными заменами, 18 от лошади, 20 от осла, 25 от кролика, и 71 от рыбы (карпа).
Цитохром С – фермент, который играет важную роль в метаболизме клеток аэробных организмов. Он обнаружен у самых различных организмов, от человека до плесени. Е. Марголиаш и У. М. Фитч, и др. (E. Margoliash, W.M. Fitch) сравнили аминокислотные последовательности цитохрома С у представителей различных ветвей живой природы. Были выявлены наиболее существенные сходства и различия. Цитохром С у представителей разных отрядов млекопитающих и птиц различается на 2-17 аминокислот, у разных классов позвоночных – на 7-38, между позвоночными и насекомыми разница составляет 23–41 аминокислоты; наконец, животные отличаются от дрожжей и плесени на 56–72 аминокислоты. Фитч и Марголиаш выразили полученные ими результаты в виде так называемых «минимальных мутационных расстояний». Как было отмечено выше, разные аминокислоты кодируются разными триплетами нуклеотидов ДНК в генах; этот код сегодня известен. Большинство мутаций представляют из себя замены отдельных нуклеотидов в цепи ДНК, кодирующей определённый белок. Таким образом, можно вычислить минимальное количество единичных мутаций, необходимых, чтобы превратить цитохром С одного организма в цитохром С другого. Минимальные мутационные расстояния между цитохромом С человека и других живых существ таковы:
|
|
|
Обезьяна 1
Собака 13
Лошадь 17
Осёл 16
Свинья 13
Кролик 12
Кенгуру 12
Утка 17
Голубь 16
Курица 18
Пингвин 18
Черепаха 19
Гремучая змея 20
Рыба (тунец) 31
Муха 33
Моль 36
Плесень 63
Дрожжи 56
Важно отметить, что последовательность аминокислот одного и того же белка различается как у представителей разных видов, так и внутри вида. Очевидно, что различия между белками на уровне видов, родов, семейств, отрядов, классов и типов определяются в том числе различиями между разными особями одного вида. Разница между индивидуальными и групповыми различиями только количественная, но не качественная. Доказательства, подтверждающие вышеприведенные утверждения, многочисленны и их число продолжает быстро увеличиваться. В последние годы была проделана большая работа по изучению индивидуальных отличий аминокислотных последовательностей гемоглобина человека. Было выявлено более 100 различных вариаций. Большинство из них представляют из себя замену единственной аминокислоты – замену, возникшую в результате мутации у данного человека или у его предков. Как и следовало предполагать, некоторые из этих мутаций вредны для своих носителей, другие же, по всей вероятности, нейтральны или даже полезны в определённых условиях. Некоторые мутантные формы гемоглобина выявлены только у одного человека или только в одной семье; другие же обнаруживаются многократно, у людей, живущих в разных частях мира. Я утверждаю, что все эти замечательные открытия имеют смысл в свете эволюции: иначе они выглядят бессмыслицей.
Заключение
Белки выполняют поразительное количество разнообразных функций. Мутации фактически в каждом функциональном классе белков могут вести к генетическим заболеваниям. Выяснение того, что болезнь вызвана аномалией в белке конкретного класса, часто оказывается полезным для понимания патогенеза, наследования и для разработки лечения.
|
|
|
Считается, что средняя частота возникновения мутаций в структурных локусах (областях локализации гена в хромосоме или в молекуле ДНК) человека колеблется в пределах от 10-5 до 10-6 на одну гамету за каждое поколение. Однако эта величина может значительно варьировать для разных генов (от 10-4 для генов с высокой скоростью мутаций до 10-11 для наиболее устойчивых участков генома). Столь существенные колебания в частоте возникновения мутаций обусловлены характером мутационного повреждения, механизмом возникновения мутации, протяжённостью кодирующей области мутантного гена, функциями белка, закодированного в этом гене.
Список литературы:
1. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика: В 3 т. М.: Мир. 1987-1988. Т.1 –Т.3
2. Добжанский Ф.Г. Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции. The American Biology Teacher, Vol. 35, No. 3 (Mar., 1973), pp. 125-129
3. Дубинин Н.П. Избранные труды: В 4 т. М.: Наука. Т. 1: Проблемы гена и эволюции. 2000 ― 545 с.
4. Жимулёв И.Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие – 3-е издание. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во. 2006.
5. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высш. шк., 2010.
6. Корочкин Л.И. Введение в генетику развития. М.: Наука, 2000 г.
|
|
|
