Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Эволюция белков
Дифференциация белков
Цитохромы типа с

Цитохромы типа с возникли в результате дифференциации белков. Как показано в разд. 9.2, митохондриальные цитохромы с образуют хорошо изученную группу специализированных белков. Другие цитохромы с-типа выполняют различные функции, большая часть которых, однако, состоит в присоединении и переносе электронов [509]. Все цитохромы с можно рассматривать как типичный случай дифференциации белков, однако поскольку сам термин «цитохром с» возник в результате спектральной, а не структурной классификации, какие-либо обобщения в настоящее время вряд ли возможны. Помимо митохондриального цитохрома с рентгеноструктурный анализ завершен для трех бактериальных цитохромов (табл. 9.7) и начат для еще трех прокариотных цитохромов, а именно сс₃, с₅₅₅ и с' [509].

Цитохромы типа с подразделяются на малые и большие. Как показал анализ трехмерных структур и аминокислотных последовательностей, все известные цитохромы с имеют одинаковую укладку цепи. Однако на поверхности их молекул обнаружены большие вставки и делеции, аналогичные тем, которые отмечались для протеазы В и химотрипсина (рис. 9.4). Цитохромы с подразделяют на малые и большие структурные варианты в зависимости соответственно от отсутствия или наличия петли 40—55 (рис. 7.8).

Фотосинтетические и респираторные цитохромы с структурно столь же подобны, как химотрипсин и трипсин. Классификация цитохромов с с известной трехмерной структурой дана в табл. 9.7. Среди соединений большого варианта, первичная и вторичная структуры цитохрома с из митохондрий тунца, с₂ из Rhodospirillum rubrum и с₅₅₀ из Paracoccus denitrificans (табл. 9.7), имеют различия, не большие, чем отмечено для трипсина и химотрипсина; таким образом, цитохромы с₂, с₅₅₀ и митохондриальный с можно рассматривать как родственные. Сравнения структур этих белков подтверждают гипотезу [570] о происхождении митохондрий от бактерий, родственных Paracoccus.

Попытки установить аминокислотную последовательность с₅₅₁ (малый вариант) по последовательностям больших вариантов оказались неудачными. Только с помощью рентгеноструктурного анализа с₅₅₁ удалось выявить родство обоих белков [571]. Благодаря этому рентгеноструктурному исследованию были ликвидированы неясности, связанные не только с установлением аминокислотной последовательности и не только у этого белка, но и у других цитохромов с известными последовательностями, например фотосинтетических цитохромов с₆ (называемых также f) прокариотических и эукариотических водорослей.

Таблица 9.7 Малый и большие структурные варианты цитохромов типа с^а

^а Данные взяты из работы [509].

Среди больших вариантов имеются цитохромы, которые участвуют в переносе электронов в процессе дыхания, а также те, которые образуют части цепи переноса электронов при фотосинтезе; для малого варианта обнаружено то же различие функций. Это означает, что обе переносящие электроны цепи могут быть тесно связаны эволюционно. Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что дыхание и фотосинтез объединены на молекулярном уровне в Rhodopseudomonas spheroides, где для выполнения обеих функций используется только один цитохром с₂ (большой вариант) [572]. До сих пор не известен организм, в котором обе функции выполнял бы малый вариант.

Цитохромы типа с могут способствовать выявлению эволюции метаболических путей. Цитохромы с вводят нас в обширную область прокариотов. В принципе структуры этих белков можно использовать для установления определенного порядка среди бактерий таким же образом, как митохондриальные цитохромы с были применены в таксономических целях к эукариотическим организмам. Первые попытки такой классификации бактерий уже сделаны [509, 571]. Однако, поскольку в бактериях может осуществляться переход межродового гена [507, 508], построение филогенетического дерева затрудняется генами, которые переходят из одной ветви в другую.

Однако, несмотря на это явление, предполагается, что цитохромы типа с могут помочь в прослеживании развития современного фотосинтеза и дыхания от более древних предшественников (например, фотосинтез на основе H₂S, дыхание, основанное на использовании сульфатов, и т. д.); они могут способствовать объяснению эволюции метаболических путей [571], что является одной из конечных целей исследований дифференциации белков [573, 574].