пример такого явления.

27.2.1. Изменения генома

Важно понимать, что многие типы изменений ДНК могут приводить к изменениям структуры белков. Хотя многие из этих изменений были получены экспериментально при действии рентгеновых или ультрафиолетовых лучей или химических мутагенов, изучение структуры белков показывает, что аналогичные изменения ДНК возникают и спонтанно в ходе эволюции. Природа мутагенов, действующих во время эволюции, открыта для предположений, но генетические изменения, обсуждаемые ниже,— это те, которые могут привести к изменениям белков и, следовательно, к изменениям их функций.

27.2.1.1. Точечные мутации

Точечные мутации проявляются в виде замещений отдельных аминокислот в результате изменения отдельных пар оснований. Они являются наиболее обычными изменениями и были идентифицированы у многих белков из многих видов. Белком, для которого в настоящее время известно наибольшее количество точечных мутаций, является человеческий гемоглобин (гл. 31).

27.2.1.2. Делеции и вставки

Известно много примеров делеции и вставок одного или нескольких аминокислотных остатков как внутри, так и на концах пептидных цепей. Это было обнаружено как при изучении белка одного вида (например, гемоглобина человека, гл. 31), так и при исследовании многих гомологических белков из различных видов.

37*

а 104

III. МЕТАБОЛИЗМ

Например, все цитохромы с позвоночных имеют 103 или 104 остатка, а цитохромы с растений и беспозвоночных имеют множество дополнительных остатков па ?-конце и делеции отдельных остатков внутри цепи (рис. 27.1). Чтобы образовался функциональный белок, делеции или вставки внутри полипептидной цепи должны быть обусловлены утратой или вставкой одного или нескольких нуклеотидных триплетов (разд. 26.4). Делеции или добавления на концах полипептидной цепи должны отражать мутации, приводящие к образованию нового инициаторного кодона в различных ло-кусах (разд. 26.3.1) или кодонов терминации (разд. 26.3.3) в соответствующих участках ДНК.

27.2.1.3. Дупликация генов

Высшие организмы синтезируют гораздо больше белков, чем простейшие. Это согласуется с увеличением общего количества ДНК в геноме. Первичным процессом, с помощью которого происходит это увеличение, является полная дупликация единичного гена, полной хромосомы или полного набора хромосом (полиплоидия, см. ниже). После такой дупликации, если потомство жизнеспособно, диплоидные клетки имеют уже не два, а четыре гена для каждого белка; в последующих генерациях каждая пара генов может изменяться независимо. В то время как одна пара генов продолжает направлять синтез исходного функционального белка, другая пара может претерпевать относительно большие .мутационные изменения и, наконец, становиться ответственной за синтез белка с той же функцией, но отличающегося по специфичности, но активности либо даже выполняющего другую функцию. Если измененный белок дает большие преимущества для выживания, то он сохраняется, организм процветает и может занять несколько иную экологическую нишу. Хотя и нет точных свидетельств, было предположено, что дупликация генов сама по себе повышает жизнеспособность (и, следовательно, селекционные преимущества), приводя к увеличению скорости образования мРНК и соответственно синтеза белка, в частности, в том случае, когда должен синтезироваться белок, состоящий из нескольких идентичных субъединиц.

Следует отметить, что изменение специфичности или функции белка связано обычно с «радикальным» замещением аминокислотного остатка; только таким образом можно обычно достичь существенного изменения свойств исходного белка. Большая часть «радикальных» замещений дает дефектный белок, что приводит к генетическим нарушениям (см. ниже) и к меньшей жизнеспособности. Иными словами, генетические изменения, которые увеличивают выживаемость в одном случае, могут вести к уменьшению вы-

27 ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. III

1105

живаемости в другом случае. Консервативные замещения аминокислотных остатков редко приводят к изменениям функции. ·

Доказательства полной дупликации генов поразительны н обнаружены во многих случаях. Один из типов представлен полисубъ-единичными ферментами, у которых два вида субъеднниц — не идентичных, а гомологичных, как у рассмотренных ниже гемоглобинов позвоночных. Второй тип дупликации генов проявляется у гомологичных белков, содержащих одну полипептидную цепь, например у протеаз серин-гистидин-аспарагинового типа с существенно различной специфичностью (разд. 9.3.1) (см. ниже), а также у некоторых гомологичных полипептидных гормонов с резко различающейся специфичностью. Другим примером являются изофер-менты гомологичной структуры с различными активностью и внутриклеточной локализацией.

Когда были установлены аминокислотные последовательности «- и ?-цепей гемоглобина НЬА, ?-цепи гемоглобина HbF и б-цепи гемоглобина НЬА2, было определено количество различий между этими гомологическими цепями (табл. 27.2).

Таблица 27.2

Аминокислотные вариации в цепях гемоглобина человека

Сопоставляемые цепи

Количество отличающихся аминокислотных остатков

? II ?

? и ?

? и ?

? и ?

6 36 78 83

Цепи ?, ? и ? имеют меньше отличающихся аминокислотных остатков, чем при сопоставлении каждой из этих цепей с ?-цепью Сопоставление а- и ?-цепей гемоглобина человека НЬА с гемоглобином некоторых других млекопитающих, таких, как лошадь, показывает 'меньшее различие, чем между ?-цепямп. Более того, так как ?-цепь одинакова у гемоглобинов НЬА, HbF и НЬА2, было предположено, что ?-цепь является самой «древней» и может быть гомологична мономерному, как и миоглобин, гемоглобину миноги, хотя его неоксигенированная форма димерна. Это резко отличается от гемоглобинов других позвоночных, которые тетрамерны, например ???-?2?2, HbF-a2y2, НЬА2-агб2. На основе обнаруженного количества различий было далее предположено, что последовательная дуп-

1106

III. .МЕТАБОЛИЗМ

ликация генов ?-, у- и ?-цепей привела в ходе эволюции к четырем цепям следующим образом:

й-цепь

Таким образом, полная дупликация гена ?-цепи привела к двум генам, которые эволюционировали независимо и дали в конце концов а- и ?-гены. Аналогичным образом ?-ген позднее дуплициро-вался, дав ?-ген, а ?-ген дал ?-ген.

Подтверждающие это данные были получены при изучении ге-моглобинов одного порядка — приматов. Живущие ныне представители приматов, согласно палеонтологическим данным и их сравнительной анатомии, появились в следующем порядке: древесные обезьяны (тупаи), лемуры, лори, обезьяны Нового Света, обезьяны Старого Света, человекообразные обезьяны, человек. В ?-цепях представителей этих родов сравнительно мало различий типа аминокислотных замен. Но различие ?-цепей возрастает при переходе от человека к более примитивным формам; наиболее важным является то, что замещения возникают преимущественно в тех положениях, по которым ?-цепь человека отличается от ?-цепи. На самом деле, гемоглобин взрослых тупай и лемуров похож на фе-тальный гемоглобин человека (HbF) больше, чем на человеческий НЬА, включая устойчивость к щелочной денатурации.

Вариации первичной структуры гемоглобина позвоночных весьма широки, что должно отражать главным образом огромный размах приспособления этих видов к аэробной жизни — от глубин морей до больших высот, от неподвижных до высокоподвижных видов в воде, на земле и в воздухе, от свободноживущих пресноводных и морских пелагических эмбрионов до защищенных эмбрионов живородящих видов и до покрытых оболочкой эмбрионов многих рептилий и всех птиц. Эта эволюционная адаптация отражалась в сродстве гемоглобинов к кислороду, в соответствии с содержанием СОг в крови, а также в других характеристиках (гл. 31).

Другим примером дупликации генов, приводящей к другим функциям, являются мономерные структуры трипсина, химотрипсина А, химотрипсина В и эластазы. Аминокислотная последовательность этих ферментов (разд. 9.3) обладает значительной гомологией, например у трипсина и химотрипсина А идентичны примерно 40% последовательности. Это пример, показывающий, что при со-

27. генетические аспекты метаболизма. iii

1107

хранении аналогичной функции — гидролиза белков, изменения коснулись специфичности по типу гидролизуемой связи (табл. 6.3 и разд. 9.3). На участке связывания остатка, примыкающего к расщепляемой связи, у трипсина расположен остаток аопарагиновой кислоты, а у химотрипснна — остаток серина. Это изменение отражает их различие в специфичности связывания. Очевидно, что для позвоночных, зависящих от поступления аминокислот с пищей, повышению жизнеспособности может способствовать появление множества протеиназ, способных максимально расщеплять белки пищи. Далее, тромбин и другие протеолитические ферменты, участвующие в свертывании крови (гл.29), также гомологичны панкреатическим протенназам, что отражает дупликацию генов Это дает возможность использовать ферменты общего типа для различных функций. Аналогичным образом напоминает по свойствам трипсин и коконаза некоторых насекомых, но функция последней заключается в переваривании фибриона кокона, что позволяет созревшей особи выйти из кокона. В табл. 27.3 показаны частичные последо-

Таблица 27.3

Гомология последовательностей вокруг активных остатков серина и гистидина у панкреатических протеиназ и некоторых родственных ферментов

Фермент

Активный серии

Активный гистидин

Бычин трипсин Cys-Gln-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Yal Ser-Ala-Ala-His-Cys-Tyr

Бычий химо- Cys-Met-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Leu Thr-Ala-Ala-His-Cys-Gly трипсин А

Бычий химо- Cys-Met-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Leu Thr-Ala-Ala-His-Cys-Cly трипсин В

Свиная эласта- Cys-Gln-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Leu Thr-Ala-Ala-His-Cys-Val ea

Бычий тромбин Cys-Glu-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Phe Thr-Ala-Ala-His-Cys-Leu

Протеипаза So- Gly-Arg-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Ser-Trp Thr-Ala-Gly-His-Cys-Gly rangiuni

Протеиназа Cys-Glii-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Val Thr-Ala-Ala-His-Cys-Val

Streptomyces

griseus

a Активные остатки на активных участках выделены жирным шрифтом. Приведенные два набора последовательностей удалены друг от др