Биологический каталог




Основы биохимии. Том 2

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

стей ферментов из двух различных видов показывает 83 различия в последовательности длиной 274 остатка (у одного из этих белков также делетирован один аминокислотный остаток). Согласно трехмерной структуре, только два из этих различий расположены во внутренней части белковой глобулы, а остальные расположены на поверхности. Некоторые замещения на поверхности глобулы относятся к консервативному типу, другие — к «радикальному», но вблизи от активного центра фермента и участка связывания нет значительных замещений. Это отражает тот факт, что оба субтили-зина полностью активны и имеют почти идентичные кинетические характеристики и специфичность.

27.2. Эволюция и структура белка

Сравнение белков из различных организмов показывает, что в ходе эволюции 1) белки, выполняющие одинаковые функции на всех филогенетических уровнях, например цитохромы с, синтез которых кодируется гомологичными генами, сильно модифицированы; 2) некоторые белки исчезли; 3) появилось много новых белков. Так как структура и распределение белков в прямом смысле составляют фенотипический характер вида, эти три основные типа изменений отражают действие эволюции.

Только для сравнительно небольшого количества белков известны последовательности на различных филогенетических уровнях. Однако, очевидно, что функционально те же самые ферменты из филогенетически удаленных видов сохраняют общие элементы структуры, но могут иметь существенно различающиеся последовательности. Например, пенталептиды, полученные при триптиче-ском гидролизе и содержащие фосфорилированный остаток серина,

1100

III. МЕТАБОЛИЗМ

одинаковы для фосфоглюкомутазы (разд. 15.3.3) из Е. coli, дрожжей и мышц кролика. Однако ферменты из этих различных источников, хотя и имеют примерно одинаковую молекулярную массу, существенно различаются по аминокислотному составу. Важная для ферментативной активности сульфгидрильная группа глице-ральдегид-З-фосфатдегидрогеназы содержится в одинаковом окта-пептиде после протеолиза ферментов из дрожжей и мышц кролика, которые отличаются в других отношениях. Многочисленные аминокислотные замены, которые возникли в этих белках в результате мутаций гомологичных участков ДНК, не повлияли на их ферментативную функцию.

Более существенно, однако, то, что у всех функциональных белков не возникает изменений аминокислотной последовательности в области активного участка. Вероятно, любое изменение на этом участке либо изменяет его стерическое соответствие и способность связывать субстрат, либо приводит к утрате той группы, которая принимает участие в каталитическом процессе (серина, гистидина, сульфгидрильной группы и т. д.), что должно уничтожать ферментативную активность белка. Потеря активности может также быть обусловлена такими изменениями структуры, которые изменяют конформацию белка и вследствие этого структуру активного центра. Очевидно, что мутации такого типа, так же как терминатор-ные мутации, являются причиной возникновения у животных необходимости получения некоторых аминокислот, жирных кислот, витаминов и т. д. с пищей. Таковыми являются некоторые мутации триптофансинтетазы (разд. 26.5.5). Хотя в этом случае еще нельзя определить активный участок, мутанты, полученные облучением, синтезируют ферментативно инертные белки, которые идентичны нормальному ферменту, за исключением единичных аминокислотных замен.

Неизвестно, продолжают ли позвоночные синтез аналогичных нефункциональных производных ранее активных белков, которые когда-то осуществляли синтез соединений, являющихся в настоящее время необходимыми компонентами пищи человека, например триптофана и тиамина. Не все замещения в определенных участках губительны для функционирования. На самом деле, известна значительная толерантность по отношению к заменам, делениям и вставкам аминокислот во многих участках различных белков (рис. 27.1). В дополнение к информации, полученной при изучении аминокислотной последовательности белков, подтверждение такой толерантности дают: 1) специфические иммунохимические свойства аналогичных белков из различных видов; 2) тот факт, что многие ферменты нечувствительны к химической модификации различных аминокислотных остатков; 3) возможность протеолитиче-ского удаления фрагментов полипептидной цепи без инактивации; 4) существенное различие аминокислотного состава многих гомо-

27. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. III

1101

логичных ферментов и других белков различных видов организмов.

Как уже упоминалось выше, белком, о котором имеется наибольшая информация, является цитохром с. Для того чтобы цитохром с мог работать, мутации не должны изменять его соответствие как по отношению к цитохромоксидазе так и по отношению к цнтохрому Ci, изменять его потенциал или характер его взаимодействия с гемом. Так как животные, растения и грибы дивергировали от одной исходной формы, аминокислотные замещения накапливались в цитохромах с этих видов без существенного влияния на их функции по митохондриальному электронному транспорту.

Количества аминокислотных замен у цитохромов с различных видов для 104 гомологичных остатков сопоставлены в табл. 27.1. Из таблицы видно, что, во-первых, у близко родственных позвоночных цитохромы либо вообще не различаются, либо различаются по немногим остаткам, например у человека и других приматов, у различных копытных. Во-вторых, чем больше предполагаемое таксо-

Таблица 27.1

Вариации структуры цитохромов с Вид Количество аминокислотных замен по сравнению с цит ох ром ом человека3 Сопоставляемые цитохромы Количество различающих ся аминокислотных остатков

Шимпанзе 0 Лошадь и собака 6

Обезьяна резус 1 Лошадь и свинья 3

Кенгуру 10 Свинья, корова и овца 0

Собака 11 Свинья и кит 2

Лошадь 12 Кит, верблюд и гуанако 0

Цыпленок 13 Лошадь и кенгуру 7

Гремучая змея 14 Кролик и свинья 4

Тунец 21 Кролик и собака 5

Налим 23 Налим и тунец 14

Мотылек (Samia суп-thia) 31 Мотылек и тунец 33

Пшеница 35 Мотылек и дрожжи 48

Neurospora 43 Neurospora и пшеница 46

Дрожжи 44 Дрожжи и Neurospora 39

Большая часть цитохромов позвоночных имеет 104 остатка. Сопоставляются именно эти остатки без учета дополнительных остатков иа ЫНг-конце цитохромов беспозвоночных. Б таблице приведены результаты нескольких исследований.

37—1358

11С2

iii. МЕТАБОЛИЗМ

10 2o Ac-Ser-GIy-Arg-GIy-Lys-GIy-GIy-Lys-Gly-Leu-GIy-Lys-Gly-Gly-Ala-Lvs-Arg-His-Arg-LysfCH,)! ..-Yal-Leu-Arg-Asp-Asn-«

lv5

30 40 50

IIe-G[n-GIy-Ne-Thr-Lys-Pro-Ala-Ile-Arg-Arg-leu-Ala-ArB-A^

60 70 77 SO

Thr-Arg-GIy-Val-Uu-Lys-Val-Phe Uu-Glu-Asn-Val-Ilc-Arg-Asp-AU-V'al-Thr-Tyr-Thr-Glu-His-AU-Lys-Arg-Lv.-Thr-V'al-Ile Arg

90 100 Thr-Ala-Met-Asp-Val-Val-Tyv-Ala-Leu-Lys-Arg-Gln-Gly-Arg-Thr-Leu-Tyr-Cly-rhe-Gly-Gly-COOH

Рис. 27.2. Аминокислотная последовательность гистона Н4 тимуса теленка. Остатки, отличающиеся от таковых в гомологичном Н4 проростков гороха — консервативные замены в положениях 60(Не) и 77(Arg). Остаток 20 в гистоне теленка представлен смесью моно- и диметиллизина, модифицированными при поеттрансля-циоином метилировании. Lvs-20 в гистоне гороха не метилирован. (DeLange Я. /., Fambrough D. .??., Smith ?. L., Bonner J., J. Biol. Chem., 244, 2678, 1969.)

комическое различие, тем больше отличаются цитохромы. Это четко проявляется у позвоночных и при сравнении позвоночных с растениями (пшеница), насекомыми и аскомицетами (дрожжи, Neurospora). Однако цитохромы дрожжей и Neurospora отличаются друг от друга так же сильно, как эти цитохромы от цитохромов высших организмов. Это указывает на то, что эти организмы либо очень давно дивергировали, либо большая скорость репродукции этих микроорганизмов приводит к накоплению различий в последовательности за более короткое время.

Все упомянутые в табл. 27.1 цитохромы с реагируют с цито-хромоксидазами дрожжей и 'млекопитающих. Это свидетельствует о том, что принципиальные черты структуры и функций цитохрома с не претерпели существенных изменений за время эволюционной дивергенции животных, растений и грибов, которая произошла более двух миллиардов лет назад. Так как функция цитохрома с сводится к митохондриальному окислению и фосфорилированию, митохондрии должны были возникнуть не позднее этого срока. В настоящее время возраст Земли оценивается примерно в 4,5 миллиарда лет. В связи с этим одна из критических стадий эволюции ¦—-возникновение эффективного аэробного метаболизма, почти наверняка возникла на ранних этапах эволюции. Путем изучения других «древних» белков возможно дальнейшее проникновение в эволюцию и возникновение основных клеточных процессов.

Хотя цитохромы с и другие белки претерпели многочисленные изменения в ходе эволюции, это не является общим правилом для всех белков. Гистон Н4 (разд. 25.3.5) тимуса теленка отличается от гомологичного белка проростков гороха двумя консервативными аминокислотными заменами в последовательности длиной 102 остатка (рис. 27.2). Так как эволюционные пути растений и животных разошлись почти два миллиарда лет назад, то очевидно, что

27. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ аспекты МЕТАБОЛИЗМА. III

1103

селекционное давление стремилось к сохранению последовательности этих белков. Это свидетельствует не только о том, что практически каждый остаток в последовательности гистона Н4 критичен для его функции и что почти все мутации были отметены отбором, но и о том, что специфическая функция этого белка возникла очень рано и специфична при эволюции эукариотических организмов.

Приведенные выше рассуждения дают основание для заключения о том, что не все бблки эволюционировали или эволюционируют с одинаковой скоростью. «Древние» белки, такие, как гистон Н4, должны были претерпеть эволюцию, приведшую к определенной последовательности, на раннем этапе и с тех пор очень мало изменились. В отличие от этого белки, появившиеся позже в ходе эволюции, в частности белки высших организмов, показывают гораздо большие изменения структуры в ответ на изменения давления отбора и экстремальные условия. Обсуждаемый ниже гемоглобин— прекрасный

страница 114
< 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
(20.08.2019)