Эволюция гемоглобина
Эволюцию этого соединения можно проследишь, сравнивая последовательность аминокислотных остатков в различных цепях гемоглобинов человека и в молекулах гемоглобина животных
Э. Цукеркандль
В каждом живом организме подробно записано его прошлое, начиная с момента возникновения жизни на Земле. Эта запись в закодированной форме хранится в гигантских молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), составляющей геном организма, или полный запас его генетической информации. В более осязаемой форме генетическая информация воплощается в белковых молекулах, которые определяют форму и функции организма.
ДНК и белок служат живыми документами эволюционной истории. Они сильно различаются по своему химическому строению, но вместе с тем имеют один очень существенный общий признак: их молекулы представляют собой линейные последовательности субъединиц, различающихся между собой лишь незначительно, подобно разноцветным бусинкам в ожерелье. За каждой такой «бусинкой» закреплено определенное место; в результате мутации (наследуемые изменения) может либо произойти изменение цвета «бусинки», либо замена, исчезновение или добавление лишней «бусинки». Белковые молекулы имеют определенную пространственную конфигурацию, что позволяет им выполнять специфические функции.
Молекулярные документы эволюционной истории изучает недавно возникшая наука — химическая палеогенетика. Она стремится выяснить следующий вопрос: как протекала эволюция на молекулярном уровне? Эта новая наука находится на заре своего развития: ведь о линейной последовательности субъединиц, которыми записан код в отдельном гене молекулы ДНК, пока еще почти ничего неизвестно. В вирусах — самых малых структурах, несущих информацию для собственного воспроизведения,— содержится от нескольких генов до нескольких сотен генов. В свою очередь каждый ген состоит из нескольких сотен кодирующих «букв». До сих пор не удалось выделить из какого-либо организма отдельный ген и подвергнуть его химическому анализу.
Что же касается химической структуры отдельных полипептидных цепей, в которых воплощена информация, закодированная в соответствующих генах, то она вполне поддается изучению.
Основная цепь белковой молекулы, то есть последовательность аминокислотных молекул, соединенных пептидными связями, называется полипептидом. Пептидная связь возникает при соединении двух молекул аминокислот с выделением одной молекулы воды.
«Молекулы и клетки», под ред. Г.М.Франка
Объединив информацию, полученную на основании анализа молекулярных филогенетических древес, составленных для отдельных аминокислотных субъединиц, можно восстановить полную аминокислотную последовательность предковой полипептидной цепи. Смотрите рисунок - Родоначальный аминокислотный остаток (6) Смотрите рисунок - Установить родоначальный аминокислотный остаток (7) Обобщая данные по построению эволюционных древес для отдельных аминокислотных остатков Обобщая данные по построению эволюционных древес для отдельных…
Схема эволюции цепей гемоглобина и миоглобина от общего предка Схема эволюции цепей гемоглобина и миоглобина от общего предка, составленная на основании числа различий между этими цепями. Кружки показывают моменты предполагаемой дупликации родоначальных генов, дававшей каждый раз начало новой линии гена; м—цепь миоглобина. На рисунке выше схематически показаны вероятные родственные взаимоотношения известных цепей гемоглобина и миоглобина…
Представление о происхождении от общего предка подтверждается еще одним фактом. Дело в том, что в гемоглобине человека вместо р-цепи присутствуют иногда другие цепи (так называемые γ-, δ- или ε-цепи), отличающиеся от нее по своей аминокислотной последовательности. ε -Цепь встречается лишь на самых ранних этапах эмбрионального развития; γ -цепь присутствует в гемоглобине на протяжении почти всего…
Дупликатные гены, по-видимому, очень ценны для организма. Так, они способны вызывать удвоенный (по сравнению с тем, что имело место до дупликации) синтез данной полипептидной цепи. Однако их функция выяснена еще не до конца. Например, γ-цепь, входящая в состав гемоглобина плода, приспособлена, очевидно, специально для внутриутробного развития, а β-цепь, замещающая ее вскоре после рождения,— для постнатального…
Часто говорят, что эволюция длилась одинаково долго как для организмов, которые, казалось бы, мало отличаются от своих предков, так и для тех организмов, которые сильно изменились. Отсюда ученые делают вывод, что по своим биохимическим свойствам все эти «живые ископаемые» также должны резко отличаться от своих далеких предков. С моей точки зрения, маловероятно, чтобы в процессе…
Каждая аминокислота закодирована в ДНК «словом» из трех «букв»; следовательно, в полипептидной цепи происходит своего рода «сжатие» информации по сравнению с кодирующим эту цепь геном. Для того чтобы закодировать полипептид из 200 аминокислотных остатков, требуется структурный ген, состоящий из 600 кодирующих букв. Отношение три к одному возникает потому, что существует 20 видов аминокислот и всего…
По своей аминокислотной последовательности миоглобин кашалота и α- и β-цепи гемоглобина человека далеки друг от друга. Последовательность аминокислот в миоглобине человека установлена еще не до конца, однако уже сейчас ясно, что он в этом отношении окажется гораздо ближе к миоглобину кашалота, чем к какой-либо из цепей гемоглобина человека. В 37 положениях миоглобина кашалота и ос-цепи…
Считается, что сдвиг произведен правильно, если при этом достигается максимальное совпадение между сегментами двух цепей. Получается, как видите, заколдованный круг: сдвиги оправдывают гипотетическими делециями (или добавлениями) аминокислот, а делеции (или добавления) — сдвигами. Как же найти выход из этого положения? Дело в том, что путем немногих сдвигов можно добиться прекрасного совпадения — но только у…
Например, было высказано предположение, что различия в скорости и согласованности процессов связаны с определенными последовательностями оснований в ДНК, которые не кодируют полипептидных цепей. Однако создается впечатление, что в конечном счете различия между организмами — при постоянных условиях окружающей среды — определяются различиями в молекулярных последовательностях. Это могут быть различия в чередовании оснований в генах, которые…
Сравнение цепей гемоглобина, позволяющее установить время, необходимое для возникновения эволюционно эффективного замещения одной аминокислоты в полипептидной цепи Животное Число различий * Среднее число различий во всех цепях Время, прошедшее с момента отхождения от общего предка α-цепь β-цепь Лошадь 17 26 - - Свинья ~18 ~14 ~22 80 млн. лет Бык 27 - - - Кролик 27 -…
