Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Эволюция белков
Слияние генов
Конвергентная эволюция белков

Число возможных аминокислотных последовательностей и способов свертывания цепи настолько велико, что случаи подобия нельзя рассматривать как случайно возникшие; очевидно, что они отражают историческое развитие, т. е. специализацию или дифференциацию белков. Однако громадное число вариантов строения не исключает возможности того, что некие структуры являются особенно предпочтительными и что определенные эволюционные процессы могут конвергировать к таким структурам. Наглядными примерами конвергенции в отношении белковой структуры являются а-спирали и β-складчатые листы; возможно, что это относится также к сверхвторичным структурам.

Эволюционная конвергенция различных структур к общей функции встречается довольно часто. Поскольку функция может осуществляться различными способами, разные белки могут приобрести способность к выполнению близких функций; их эволюционные пути конвергируют в отношении функции белка. Примером служит обратимое присоединение O₂ к гемоглобину, гемеритрину* и гемоцианину*. Молекула O₂ всегда присоединяется к железу или меди, ионы которых входят в состав совершенно различных белковых структур [594]. Аналогичные случаи конвергенции разных структур к общей функции отмечены для пероксиддисмутаз, содержащих Мn²⁺ и пероксид-дисмутаз, содержащих Сn²⁺ — Zn²⁺[546, 595].

Классическими примерами результатов конвергентной эволюции являются каталитические центры сериновых протеаз химотрипсина и субтилизина [18, 239, 240]. Для обоих ферментов при взаимодействии с субстратом характерно одинаковое расположение водородных связей, фиксирующих основную цепь субстрата, идентичное положение полости, принимающей боковые цепи, один и тот же механизм переключения заряда при расщеплении связей и один и тот же набор доноров водородных связей (NH-групп остова), фиксирующих карбонильные O--группы каталитического промежуточного продукта [537]. Несмотря на все это, оба фермента совершенно не скоррелированы в отношении их аминокислотных последовательностей, укладки цепей и, например, нумерации остатков Asp, His, Ser [18, 239, 240] в цепи переключения заряда.

* Эти названия произошли от греческого слова haima (кровь); они не означают, что белки обязательно содержат группу гема.

Таким образом, именно совершенствование каталитических поверхностей химотрипсина и субтилизина привело к принятию ими одинаковой функции. Как показано на рис. 11.1, механизм каталитического действия протеаз папаина и глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, фермента гликолитического пути, по-видимому, аналогичен механизму действия сериновых протеаз. Однако имеются и другие пути расщепления полипептидных цепей, как видно на примерах термолизина, катепсинов и кислых протеаз [539, 596].

Детали строения гомологичных белков могут быть следствием конвергентной эволюции. В процессе последующего развития белков от некоторого общего предшественника также можно выявить некоторые аспекты конвергентной эволюции в отношении общего построения этих белков [273, 597]. Например, в малом варианте цитохрома с₅₅₁ глубоко лежащая пропионовая группа гема связана водородной связью с Тrр-56, а в большом варианте митохондриального цитохрома с — с Тrр-59* [509]. В этом случае важные для функции остатки Тrр занимают неэквивалентные положения в гомологических полипептидных цепях. Это показывает, что моделирование аминокислотной последовательности с фиксацией положения функциональных остатков может привести к неверным выводам.

* Указанные остатки Тrр занимают негомологичные положения в цепях, схемы нумерации в обоих цитохромах не были приведены в соответствие, как в случае схем на рис. 7.1, а. Рассматриваемый остаток Тrр соответствует Тrр-62 (рис. 7.8).