Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Эволюция белков

Биология — естественная наука, имеющая исторические корни. Все существующие биологические виды постепенно развились из одного или из очень ограниченного числа предшественников. Поскольку в событиях прошлого важную роль мог играть случай, мы должны смириться с тем обстоятельством, что направления эволюции, по-видимому, никогда не удастся полностью объяснить в терминах «причины» и «следствия». Исследователям, склонным к построению стройных систем на основе развития неких общих принципов, это представляется серьезнейшим препятствием. Однако квазислучайное развитие привело к огромному разнообразию биологических видов, которое можно рассматривать как результат многочисленных экспериментов природы. Мы должны быть признательны за эти эксперименты, и должны анализировать и интерпретировать их результаты.

В процессе эволюции белков происходят замены отдельных остатков, вставки и делеции нескольких остатков, удвоение и слияние генов. Для белков основные этапы исторического* процесса знаменуются заменами аминокислотных остатков в полипептидной цепи. С течением времени эти замены накапливаются, так что в конечном счете какое-либо сходство между исходной** и окончательной аминокислотными последовательностями может исчезнуть. Однако, как правило, даже после того как исчезнет сходство аминокислотных последовательностей двух гомологичных белков, сохраняется соответствие в укладке их цепей. Тенденции к замещениям заметно отличаются у остатков в разных положениях в цепи (рис. 7.1, б). Различия гомологичных белков не исчерпываются замещениями отдельных аминокислот. Более значительными событиями являются вставки и утраты (пропуски, делеции) отдельных остатков или целых групп остатков (рис. 7.1, а). Наличие таких вставок и делеций значительно затрудняет сопоставление последовательностей отдаленно родственных белков [803].

* Применяя термин «история» мы обычно имеем в виду каким-то образом зарегистрированные события. В этом смысле использование этих понятий для белков означает, что мы рассматриваем нуклеотидную и аминокислотную последовательности как запись событий прошлого.

** Следует учитывать, что нам известна структура только существующих в настоящее время белков. Поэтому мы можем судить об эволюционных изменениях в прошлом лишь по имеющимся различиям между гомологичными белками.

Существенную помощь в подобных случаях оказывает знание трехмерной структуры белков. Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что обычно остатки, находящиеся во внутренней части белка, мало подвержены изменениям и что все различия между гомологичными белками (замены аминокислот, делеции или вставки петель в цепи) касаются поверхности молекул. Таким образом, последовательности отдаленно родственных белков можно сопоставлять по остаткам, которые занимают геометрически сходные позиции в пространственной структуре.

Очень серьезные изменения связаны с удвоением гена, которое может привести к удвоению длины полипептидной цепи. Более того, известны случаи слияния различных структурных генов, которые указывают на перемещение одного или большего числа генов в другое положение в геноме.

Гомологичные белки возникают вследствие специализации или дифференциации. Сопоставление гомологичных белков позволяет выявить некоторые общие закономерности в строении белков [250], а, как уже отмечалось, исследование эволюции белков способствует решению многих общих биологических проблем. В связи с этим полезно установить различие в понятиях специализации и дифференциации белков [473]. Под специализацией подразумевается эволюция гомологичных белков, выполняющих одинаковую функцию в различных организмах. Напротив, дифференциация белков есть процесс, ведущий к функциональному разнообразию гомологичных белков часто внутри одного организма.

Исследование специализации белков позволяет устанавливать генеалогию организмов. Как правило, аминокислотная последовательность и характер свертывания цепи в процессе эволюции сохраняются настолько хорошо, что белки даже очень генетически далеких организмов имеют определенное сходство. Таким образом, путем исследования специализации белков можно устанавливать генеалогию, т. е. происхождение и родственные связи организмов. Поэтому филогенетический анализ, основанный на специализации белков, можно рассматривать как один из методов систематики.

Дифференциация белков отражает эволюцию биохимических путей. Исследования дифференциации белков преследуют иные цели. В этом случае структурное подобие обычно позволяет выявить неожиданные биологические связи, что можно затем использовать, например, при прослеживании эволюции метаболизма. Кроме того, дифференциация убедительно показывает, что биологическое разнообразие ограниченно и что в этом плане белки можно подразделить на определенные группы [474]. Типичным примером класса образовавшихся в результате дифференциации белков является семейство сериновых протеаз (табл. 9.4), которые осуществляют контроль над самыми разнообразными жизненно важными процессами в организме человека.

Отсюда очевидно, какое огромное значение для (патофизиологических проблем и для фармакологии будет иметь анализ структуры белков на молекулярном уровне [602].