Биологический каталог




Основы биохимии. Том 2

Автор А.Уайт, Ф.Хендлер, Э.Смит, Р.Хилл, И.Леман

т возможность рассмотреть молекулярные события, происходившие в ходе эволюции.

Однако было бы преувеличением утверждать, что аминокислотная последовательность определенного белка всегда идентична у •каждой особи данного вида; у некоторого процента особей (иногда малого, иногда большого) популяции определенный белок может иметь небольшое, но заметное отличие аминокислотной последовательности. Такой полиморфизм аминокислотной последовательности является отражением непрерывно происходящих мутаций генома данного вида и является настолько же важным для эволюции живого, как и кажущееся постоянство генома данного вида. Таким образом, сопоставление различий аминокислотных последовательностей структурных вариантов определенного белка в пределах одного вида отражает тип мутаций, которые постоянно возникают в ходе эволюции вида. Если структурные варианты обеспечивают специфические преимущества при размножении вида, то мутантный геном со временем может стать нормальным для данного вида. Большая часть мутаций структурных генов не дает

1096

Ш. МЕТАБОЛИЗМ

селекционных преимуществ для вида и «е распространяется в популяции. Более того, некоторые мутации структурных генов приводят к нарушению функции белка и являются причиной наследственных болезней.

В этой главе мы остановимся на некоторых аспектах генетически обусловленных изменений структуры белка. Во-первых, будут рассмотрены имеющиеся данные о структурно-функциональных отношениях для некоторых белков, основанные на сравнении аминокислотных последовательностей определенного белка у ряда видов или вариантов его в пределах вида. В самом деле, природа провела для биохимиков элегантную серию экспериментов, дав широкий набор изменений последовательности белка, что позволяет З'глубиться в структурные основы биологического функционирования ¦белка. Аналогичные эксперименты могут быть проведены и в лаборатории путем химической модификации белков, но они дают гораздо меньшую и менее определенную информацию по сравнению с тем, что получено при сопоставлении постоянства и вариабельности аминокислотной последовательности белка в ходе эволюции.

Во-вторых, мы рассмотрим те аспекты биохимической эволюции, которые могут быть основаны на сравнении аминокислотных последовательностей белков. На основе такого сопоставления и современных сведений о молекулярной генетике можно с определенной уверенностью предсказать тип изменения генома (ДНК), который привел в ходе эволюции к измененной структуре и модифицированной функции белка. Более того, сопоставление амино-ашслотных последовательностей позволяет понять некоторые основ-лые концепции дарвиновской эволюции, включая естественный отбор, популяционные изменения и значение выживаемости генетически обусловленных вариантов белка. Наконец, будут рассмотрены генетически обусловленные различия структуры и функций различных белков с точки зрения аномалий метаболизма человека.

27.1. Замещение аминокислот и функции белка

Генетические различия структуры белков могут дать ценную информацию о роли отдельных аминокислотных остатков в функционировании специфических ферментов и других белков. Наиболее наглядным примером является сопоставление структуры и функций гемоглобина человека. В настоящее время известно более 300 вариантов человеческого гемоглобина. Многие из них обладают измененными функциональными свойствами. Как описано в гл. 31, корреляция структуры и функций нормального и аномальных гемоглобинов дала основу для широкого обсуждения структурных основ функционирования гемоглобина.

27. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. III

1097

Интерпретация этих различий как результата аминокислотных замен основана на современных знаниях о структуре и функциях белков. Остатки на амино- и карбоксильном концах некоторых белков .могут быть совершенно несущественны для их функций. Химические воздействия, которые изменяют определенные аминокислотные остатки, могут не влиять в заметной степени на функцию некоторых белков, например, превращение многих или всех лизиновых остатков в гомоаргининовые при действии О-метилизо-мочевины ие меняют ферментативную активность цитохрома с, рибонуклеазы, лизоцима, папаина и т. д. Аналогичным образом другие аминокислотные остатки белка могут быть ацилированы, окислены или изменены другими способами без заметного влияния на функции. В отличие от этого есть аминокислотные остатки .в ферментах, определяющие их функции, как это показано для определенных остатков, «ходящих в активные центры ферментов с помощью различного типа ингибиторов.

Можно ожидать, что именно эти остатки, находящиеся в активных участках и необходимые для связывания субстратов, кофакторов или простетических групп либо определяющие укладку и необходимую конформацию полипептидной цепи, не могут быть изменены генетически или путем химической модификации без глубокого влияния на функцию. Замещения остатков Gly I и Gly II, которые приводят к неактивным вариантам триптофансинтетазы (рис. 26.10), обусловлены, вероятно, влиянием на конформацию белка, так как остатки Gly могут быть замещены небольшими неполярными остатками, но не ионизируемыми группами. Исследование конформации молекулы миоглобина (разд. 31.2.3) или цепей гемоглобина (разд. 31.2.2) свидетельствует о том, что участки, на которых наблюдаются наибольшие изменения аминокислотной последовательности, не сопровождающиеся изменениями функции, находятся в тех участках полипептидной цепи, которые не вовлечены в непосредственные взаимодействия, необходимые для связывания 02. Это подтверждается тем, что гемоглобины позвоночных обладают одинаковыми функциями; несмотря на существенные различия аминокислотных последовательностей и других свойств, все эти гемоглобины имеют сходную конформацию, которая необходима для связывания 02.

Наиболее широкие исследования проведены к настоящему времени по аминокислотной последовательности цитохромов с для более чем 70 видов животных, растений, простейших и грибов. Последовательность цитохрома с человека приведена на вис. 12.11. У цитохромов, содержащих 103 или 104 аминокислотных остатка, до сих пор обнаружено примерно 20 константных остатков (рис. 27.1). Для всех других остатков обнаружены замены различных типов. Вообще говоря, многие типы консервативных замещений могут и не вызывать значительные изменения функциональных

1098

III. МЕТАБОЛИЗМ

D

N D

В D NDN

. TS ТВ NS STT D

S S ? STAS ? DE S S ED

? ЕР ESVEQ ? ? ? A GNT

РАРС QELPP BAZV A TV

РАКА F ? ? ? А А . S I AK RR I

CKKXKR AC F К К GZKKR CKKL F

?

s DN

? ? ? В D

DQ G ? ? ? ?

TG N A EQ ? ? ?

? A S TV QGNEG BTQ

VMQ ? Q SC ? A GGA S S ?

1 L К AG ? G 1 GKAAV QCVG

К F RCA ACHA L ARKLK see ?? I ??

20 30

D

D ? D

D ? ? ?

? ? ? ? D ? D

S D D ? ? S ? S S

Q ? ? S Q ? BED ?

С ? Q ? QS G Q EQN L D ?

? ? V V ?? TP ? G ? NQV ? QPT ? ? ?

S F I IN QS ? ? ? ? ???? ?? I G ZGSMF I ?

? ? L ? S HQ S A V S ? S ?? G В I ? ? GVL ? ? A V L ? V ? L ?

"V LWG F FGRKA s ? CQVKG ? FAYSK ??? R R A I KWK YKHFR ? F L ? ?

40 50 60

D

D ?

? ?

DT ? ?? D

? S ? ? S ? ?

S ? ? ? ? S S

? EQD Q VQ ? ? ? S

S ? SBZZB G L ? ASQE

S YV ? G I ? 5 PGE ADV 1 ? HI VAZQ

? FM G V A L KAAAQ V ? I V S ???? L С ? ?

???? I ????? 1 FVGF ????? RKHLL AF LRK ?????

6 ? ?

80 90 100

Рис. 27.1. Комбинированная аминокислотная последовательность всех известных в настоящее время цитохромов с животных, растений, грибов и простейших (более 70 различных видов). А — Ala, В — Asp или Asn, С — Cvs, D — Asp, ? — Glu, F — Phe, G —Gly, ? — His, I —He, К — Lys, L —Leu, ? — Met, N —Asn, P — Pro, Q — GLri, R—Arg, S —Ser, T —Thr, V —Val, W —Trp, X — триметиллизин, Y — Tyr, ? — Glu или Gin, б — удалены для максимализации гомологии. Звездочкой отмечены: в положении —8 ацетилированные аминоконцевые группы всех высших растений, в положении 1. ацетилглишш у цитохромов с всех хордовых. У большинства видов гем связан с цистеинами в положениях 14 и 17. Лигандами темного железа являются His-18 и Met-80. Единственный триметиллизиновый остаток в цитохромах грибов расположен в положении 72, а у высших растений два таких остатка — в положениях 72 и 86. Наиболее консервативная область — вблизи места связывания тема и вокруг лигандов темного железа. У цитохромов простейших наибольшая вариация последовательности по сравнению с другими видами. (Margoliash ?., Ferguson-Miller S., Kang С. ?., Brautigan D. L., Fed. Proa,

35, 2125, 1976.)

27. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. III

1099

свойств белка или фермента. В качестве примера мы можем привести замены алифатических гидрофобных остатков (Пе, Val, Leu, Met) и замещение одних полярных остатков другими (Arg на Lys, Glu на Asp, Gin на Asp). Даже ионизированные остатки с противоположными знаками могут заменять друг друга (Asp или Glu на Lys), вероятно, потому, что эти остатки расположены преимущественно на поверхности белка. «Радикальные» замещения, т. е. когда замещение происходит на остаток с другим типом боковой цепи, может происходить и без существенного изменения свойств в том случае, если локус некритичен для функции или конформации. Сопоставление трехмерных структур цитохромов с (рис. 4.1) тунца и лошади свидетельствует об отсутствии существенных различий конформации, что находится в согласии с ожидаемым на основании их функционального сходства (см. ниже).

В случае внеклеточного протеолитического фермента субтилизи-на, продуцируемого некоторыми бациллами, сравнение последовательно

страница 113
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126

Скачать книгу "Основы биохимии. Том 2" (8.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.08.2019)