Естественные технологии биологических систем
Шрифт:
Здесь высказана мысль, что на уровне функциональных блоков и элементарных функций принцип мультифункциональности заменяется другим принципом — мультипотентности, или полипотентности. При этом сами блоки моно- и олигофункциональны. В то же время в ходе эволюции они могут быть включены в самые разнообразные функциональные комплексы, т.е. они мультипотентны. Вероятно, мультипотентность представляет собой один из основных принципов организации и эволюции биологических микросистем.
Поскольку в большинстве случаев функциональные блоки монофункциональны, складывается впечатление, что органные принципы на них не распространяются. Тем не менее этот вопрос не может считаться окончательно решенным, так как возможна, например, смена функций в каком-либо функциональном блоке. Но такое событие происходит редко и имеет существенные эволюционные последствия. Например, фермент, утрачивая каталитический центр, может превратиться в рецепторную структуру или в связывающий белок. Существуют и другие примеры. Речь, в частности, идет о формировании а–
Свойства a– лактальбумина и лизоцима
| Лактальбумин | Лизоцим | |
| Вероятное время дивергенции от общего предшественника | 3х10 8 | |
| Судьба после дивергенции | Участвует в развитии новой биологической функции | Сохраняет функцию предшественника |
| Частота фиксации мутаций | 22 РАМ*/10 8лет | 10 РАМ/10 8лет |
| Различия аминокислот обоих белков человека | 82=62 %=126 РАМ | |
| Функция | Служит для инициации и прекращения синтеза лак-тазы путем взаимодействия со связанным с мембраной белком (аппарат Гольджи) | Гидролизует полисахариды оболочек бактерий |
| Местонахождение | В молоке (15 % общего белкового состава молока) | Во многих тканях и секретах всех важных организмов ферменты, проявляющие активность лизоцима, гомологичны |
* РАМ — скорость эволюции, выраженная в замещениях на кодон зa 10 10лет.
По-видимому, на уровне функциональных блоков эволюционные перестройки значительно чаще реализуйтся путем смены функциональных блоков, расширения или сужения их набора и т.д., а не по принципам, подобным принципу смены функций. Так, функция откачивания Na +из клетки может осуществляться с помощью двух распространенных систем, роль которых в ходе эволюции меняется: антипорта Na +и Са 2+и локализованной в плазматической мембране Са 2+, Mg 2+– АТФазы. Конечный эффект, т.е. поддержание низкой концентрации Са 2+в клетке, идентичен. Однако в зависимости от условий существования организма он достигается одним из трех путей: 1) использованием первичноэнергизованного кальциевого насоса, 2) использованием вторичноэнергизованной системы антипорта, или противотранспорта, 3) сочетанием обеих систем. Этот пример демонстрирует принцип субституции функциональных блоков как важный принцип эволюции функций на уровне микросистем. Мы видим, что кальциевый насос может быть заменен комплексом из натриевого насоса и Na +—Са 2+– канала. При этом кальциевый градиент остается неизменным и системы управления, связанные с действием Са 2+и его взаимодействием с регуляторными системами циклических нуклеотидов и кальмодулина, будут работать так же эффективно, как и ранее.
Принцип усиления функций проявляется в том, что эффекты, относительно небольшие на микроуровнях, создают новые феномены на макроуровнях. Так, изменения в количестве и распределении натриевых насосов, уменьшение сократительных функций могут приводить к появлению мощной электрической активности, характерной для электрических органов. С другой стороны, изменения в механизмах поддержания кальциевого градиента на макроуровнях могут остаться «незамеченными», хотя речь идет о существенных сдвигах клеточной организации, которые могут повлиять на дальнейшие пути эволюции.
6.2. Формирование универсальных функциональных блоков в филогенезе и механизмы их консервации
Мы подошли к основному вопросу, касающемуся формирования универсальных функциональных блоков. С одной стороны, в условиях дивергентной эволюции свойства функциональных блоков, возникающих на ранних стадиях филогенеза из общего предшественника, должны все более и более различаться. С другой стороны, сходство одноименных блоков у представителей филогенетически далеких таксонов поразительно. Допустим, что существует постоянная тенденция к изменению свойств функциональных блоков вследствие различных причин, в том числе нейтральных мутаций. Мутационный процесс лишь частично нивелируется последующим действием естественного отбора, в результате которого элиминируются мутации с вредными селективными признаками. Многие мутации, охарактеризованные как нейтральные или, что более правильно, близкие к нейтральным, могут накапливаться.
Необходимо допустить существование специального механизма, стабилизирующего некоторые важные свойства функциональных блоков, что обеспечивает
Таблица 15
Скорость эволюции макромолекул
| Макромолекулы | Скорость эволюции, выраженная в замещениях на кодон за 10 10лет |
| Гипервариабельные нуклеотидные последовательности ДНК | 500 |
| «Средняя» ДНК млекопитающих | 48-50 |
| мРНК цепей гемоглобина | 100 |
| мРНК гистона IV у морского ежа разных видов | 35 |
| «Средние» белки | 1-50 |
| Гемоглобин, а- и -цепи соответственно | 14 |
| Гистон IV | 0.09 |
| Цитохром с митохондриальный | 5 |
| Гипервариабельные аминокислотные последовательности белков | 85 |
Идея стабильности некоторых структур в ходе эволюции не нова. В настоящее время она общепризнанна для информационных блоков. В сущности вся эволюционная генетика и теория эволюции живых систем опираются на эти представления. Кроме того, на идее стабильности базируются представления об эволюции на основе строительных блоков — аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, моносахаридов и т.д.
Следует обратить внимание на большую эволюционную стабильность олигомерных белков по сравнению с мономерными. Взаимодействие субъединиц в олигомерных белках — существенный селективный признак, который, по-видимому, стабилизируется естественным отбором. Отсюда полиморфизм у мономерных ферментов выражен больше, чем у олигомерных. Благодаря естественному отбору реализуется контроль активных центров как мономерных, так и олигомерных ферментов, а также взаимодействующих участков в субъединицах олигомерных ферментов. К. Райдер и К. Тейлор (1983) заключают, что большая степень полиморфизма у мономерных ферментов — аргумент скорее в пользу гипотезы нейтральных мутаций, чем в пользу гипотезы отбора. Однако в действительности должны учитываться и обе эти гипотезы, и функциональная анатомия макромолекул. Особенно четко это видно при рассмотрении эволюционной изменчивости различных участков полипептидной цепи инсулина. Многими показано, что нефункционирующий С-фрагмент инсулина характеризуется в 10 раз большей мутабельностью, чем А- и В-фрагменты, хотя они кодируются одним геном. Лишь последние взаимодействуют с рецептором, выполняя функцию химического сигнала. На рис. 34 и 35 представлены две модели взаимодействия инсулина и рецептора. По-видимому, происходящие от общего предшественника гастрина и холецистокипина С-концевые фрагменты пептидной цепи, выполняющие регуляторную функцию, в ходе эволюции не изменились. Что касается ферментов, то многочисленные данные свидетельствуют, что в течение длительных интервалов времени в ходе эволюции может меняться структура фермента, но оставаться неизменным его каталитически активный центр.
Рис. 34. Модель взаимодействий инсулина и рецептора с отдельными доменами молекулы инсулина для связывания и биологической активности.
Рис. 35. Модель взаимодействий инсулина и рецептора бее отдельных доменов для связывания и биологической активности.
Следовательно, в ходе эволюции стабилизированными, консервативными являются, как правило, не макромолекулы в целом, а их работающие части, выполняющие специфические функции, особенно такие, как взаимодействие с другими элементами. Так, при взаимодействии пептидного гормона с рецептором значимая мутация в одном из двух независимых генов