Аминокислотные эволюция

Исследователи — как химики, так и биологи--называют поразительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен труднообозримый мир животных и растений. Полагают, что, когда период химической подготовки — период интенсивных и разнообразных превращений — сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Теперь находят массу доказательств тому, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных животных и человека практически один и тот же более нли менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок, и т. д. [c.196]

В табл. 2-2 приведены структурные формулы боковых цепей аминокислот, обычно встречающихся в белках (формула пролина приведена полностью). Даны также сокращенные трехбуквенные обозначения аминокислот, используемые при выписывании аминокислотных последовательностей пептидов и белков, а также однобуквенные сокращения, принятые в работах по эволюции белков и при составлении программ для вычислительных машин. [c.83]

В ходе эволюции каталитический механизм действия определенных ферментов не изменился, и в молекулах белков имеется целый ряд инвариантных аминокислотных остатков. Однако последовательность [c.74]

Необратимые флуктуации и механизм самоорганизации белка. Предполагают, что в начальный период все флуктуации - периодические вращения атомных групп вокруг ординарных связей - являются беспорядочными и несинхронизированными друг с другом. В равновесных системах все флуктуации обратимы и согласно основной теории вероятности (так называемого закона больших чисел) составляют пренебрежимо малые поправки к средним значениям. За редким исключением (например, рассеяние света гомогенной средой и броуновское движение, вызываемые обратимыми флуктуациями плотности) они не коррелируют со свойствами системы и не оказывают влияние на ее переход в равновесное состояние В неравновесных системах среди множества обратимых, неустойчивых флуктуаций возникают необратимые флуктуации, оказывающие радикальное воздействие на эволюцию системы. Они не остаются малыми поправками к средним значениям, а существенно меняют сами эти значения, стирая различие между случайным отклонением и макроскопическим проявлением системы. При свертывании белка подавляющее большинство флуктуаций также обратимо и неустойчиво. Но некоторые из них приводят к сближению определенных аминокислотных остатков, и тогда те могут эффективно взаимодействовать между собой. По своим последствиям образующиеся контакты между валентно-несвязанными атомами могут быть подразделены на близко-, средне- и дальнодействующие. Флуктуации, приводящие к образованию первого вида, изменяют взаимное расположение атомных групп в пределах одного аминокислотного остатка второго вида - расположение остатка относительно соседних в последовательности третьего - относительно удаленных по цепи остатков. В зависимости от конформационного состояния белковой цепи по ходу ее сборки одни и те же флуктуации могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Последними, т.е. бифуркационными, флуктуации становятся только в том случае, если каждая из них возникает в строго определенном месте последовательности бифуркаций между флуктуирующим клубком и трехмерной структурой. Обратимые флуктуации бесследно исчезают, а необратимые, стабилизированные специфическими невалентными взаимодействиями остатков, остаются в виде гигантских "застывших флуктуаций". [c.96]

Итак, благодаря избирательности бифуркационных флуктуаций и их строгой согласованности структурная самоорганизация белковой молекулы приобретает детерминистические черты (случайность порождает необходимость). Из конформационно жестких и взаимодействующих с ними лабильных фрагментов возникают нуклеации, которые через ряд чисто случайных, но тем не менее неизбежных и строго последовательных событий входят в домены или в нативную трехмерную структуру белка. Весь процесс самосборки пространственной структуры не требует времени больше, чем затрачивается на рибосомный синтез белковой цепи. Уникальность бифуркаций, порядок их возникновения и устойчивый конструктивный характер обусловлены конкретной, отобранной в ходе эволюции аминокислотной последовательностью. В то же время рассматриваемая модель свертывания не исключает образование "неправильных" промежуточных состояний, содержащих структурные элементы, отсутствующие в конечной конформации. Более того, поскольку в основу модели положен беспорядочно-поисковый механизм, осуществляющий сборку белка методом "проб и ошибок", то возникновение непродуктивных состояний белковой цепи становится неизбежным. Однако они нестабильны, так как продуктивные состояния, появляющиеся в результате бифуркационных флуктуаций, всегда более предпочтительны по энергии. К обсуждению этого вопроса вернемся в главе 17 при количественном описании механизма ренатурации панкреатического трипсинового ингибитора. [c.98]

Сравнение существующих метаболических путей образования аминокислот с генетическим кодом показывает, что связанные метаболически между собой аминокислоты коррелируют также н в отношении их кодонов [10]. Это делает весьма привлекательной идею параллельной эволюции генетического кода и метаболизма а также указывает на наличие исторической иерархии аминокис лот. Более простые аминокислоты, как Gly, Ser, Ala, Asp и Glu считаются ранними в отличие от более сложных аминокислот, на пример Met, His и Asn. Однако последовательное появление амино кислот не отражено в существующих белковых структурах, по скольку аминокислотные остатки белков в известной мере заменяе мы поэтому корреляция с ранними периодами жизни в настоящее время вряд ли правомерна. [c.18]

В процессе эволюции белков происходят замены отдельных остатков, вставки и делеции нескольких остатков, удвоение и слияние генов. Для белков основные этапы исторического процесса знаменуются заменами аминокислотных остатков в полипептидной цепи. С течением времени эти замены накапливаются, так что в конечном счете какое-либо сходство между исходной и окончательной аминокислотными последовательностями может исчезнуть. Однако, как правило, даже после того как исчезнет сходство аминокислотных последовательностей двух гомологичных белков, сохраняется соответствие в укладке их цепей. Тенденции к замещениям заметно отличаются у остатков в разных положениях в цепи (рис. 7.1, б). Различия гомологичных белков не исчерпываются за- [c.197]

При сравнении гомологичных белков, выполняющих разные функции, не предполагают и действительно часто не обнаруживают постоянства скорости фиксации аминокислотных замен. Это не создает больших помех при построении генеалогии белков, выполняющих различные функции, однако к датировке этапов эволюции на основе структурных сопоставлений таких белков нужно относиться с осторожностью. [c.212]

Таким образом, уже на первых объектах анализа трехмерной структуры было установлено, что укладка цепи может сохраняться в высокой степени. Кроме того, стало очевидным, что белки, выполняющие различные функции, существующие в разных тканях н в разных организмах, могут иметь большое сходство и, следовательно, одинаковое происхождение. Эти факты явились важными стимулами к использованию структурного анализа белков, и в особенности анализа аминокислотной последовательности, для изучения эволюции на уровне макромолекул [145]. [c.222]

Укладка цепи выявляет отдаленные эволюционные родственные связи. В предыдущих разделах упоминалось о том, что в процессе эволюции характер свертывания полипептидной цепи в пространстве сохраняется значительно лучше, чем ее аминокислотный состав. Поэтому тип свертывания цепи позволяет устанавливать такие отдаленные родственные связи, которые уже не проявляются в аминокислотных последовательностях. Для этого необходимо количественное описание способов свертывания цепей и сравнений укладки цепей. [c.238]

Огромное разнообразие белков есть следствие их эволюции. Эволюция явилась результатом многочисленных природных экспериментов (мутации и последующий отбор), которые могут быть использованы для изучения принципов строения белков. Основной мутационной ступенью эволюции белков является замена аминокислотного остатка на следующих по значимости этапах происходят вставки и делеции одного или большего числа остатков очень большие изменения являются результатом мультипликации и слияния генов. [c.241]

Гены, кодирующие адаптивные белки, образование которых резко усиливается под влиянием разных факторов среды (повышение температуры, отравление металлами), содержат в составе промоторов дополнительные характерные короткие нуклеотидные последовательности. В ответ на повышение температуры или другие стрессы (например, отравление ядами) вырабатываются особые белки, получившие название белков теплового шока. Считается, что быстрое накопление таких белков в клетке обеспечивает физиологическую адаптацию к изменившимся условиям среды. Эти белки чрезвычайно консервативны, они мало менялись в эволюции. Например, белки, имеющие Мг = 70 ООО и образующиеся после теплового шока в клетках . соИ, растений, насекомых и млекопитающих, проявляют большую степень гомологии по аминокислотной последователь- [c.199]

Биологическая эволюция заключается не только в замещении аминокислотных остатков в соответствующих молекулах из различных видов. Очевидно, что дублированный ген существовал в различные периоды, приводя к эволюции гомологичных белков из одного и того же гена наследственности. Так, примерно 40% аминокислотной последовательности трипсина и химотрипсина идентичны и примерно еще 10% представляет собой небольщие замещения. Поэтому неудивительно, что обе молекулы имеют сходные конформации и биологические функции. [c.282]

Оказалось, что вырожденность генетического кода имеет несомненный биологический смысл, обеспечивая организму ряд преимуществ. В частности, она способствует совершенствованию генома, так как в процессе точечной мутации, вызванной химическими или физическими факторами, возможны различные аминокислотные замены, наиболее ценные из которых отбираются в процессе эволюции. [c.522]

Установлены первичные структуры цитохрома с многих десятков организмов. Цитохромы с позвоночных содержат 104 аминокислотных остатка, насекомых — 107, низших растений — 107—109, высших—111. Последовательность остатков хорошо отражает биологическую эволюцию (с. 35, см. также 17.9). Эволюционные изменения цитохрома с во всей живой природе сводятся,, как правило, к замещениям остатков внутри одного класса (гидрофобные ароматические, гидрофобные алифатические, гидрофильные основные, гидрофильные кислотные, амбивалентные),. Это указывает на далеко идущее сходство пространственной структуры всех цитохромов с. [c.444]

Если скорость эволюции за год любого белка, т. е. скорость мутационных замещений аминокислотных остатков, выразить отношением числа замещенных аминокислотных остатков к одному [c.558]

В самых больших субъединицах эукариотических РНК-полимераз обнаружено несколько участков, которые по аминокислотной последовательности у всех трех форм сходны между собой и с -субъединицей РНК-полимеразы Е. oli. В следующих за ними по раз.меру субъединицах эукариотических РНК-поли.мераз обнаружено сходство в аминокислотной последовательности с -субъе-диницей РНК-полимеразы Е. oli. Эти данные свидетельствуют о том, что на заре эволюции эукариот у них имелась одна форма РНК-полимеразы, а разные формы возникли за счет умножения предко-вых генов (общих для про- и эукариот) и последующего расхождения их нуклеотидных последовательностей в результате множества мутаций. [c.136]

Можно предположить, что изменения физнко-химическ свойств при заменах отражают функциональные особенности белког и характер эволюционных изменений их аминокислотны последовательностей. Принадлежность к классу 1 может быт обусловлена консервативным характером эволюции бежа. [c.52]

Молекула П. (мол. масса ок. 23 тыс.) представляет собой одну полипептидную цепь, построенную из 199 аминокислотных остатков и имеющую три дисульфидные связи. Установлена первичная структура П. человека и нескольких видов животных. Видовые различия в хим. строении П. немногочисленны. N-Концевое положение в полипептидной цепи П. у человека и ряда животных (напр., свинья, кит) занимает остаток лейцина, у др. животных (напр., овца, крупный рогатый скот)-остаток треонина. С-Концевым аминокислотным остатком в молекуле П. независимо от видовой принадлежности является остаток цистеина. Молекула П. обладает довольно устойчивой третичной структурой ок. 50% полипептидной цепи находится в виде а-спирали, По хим. строению, физ.-хим. и биол. св-вам П, сходен с гормоном роста (со.штотропином) и плацентарным. гак-тогеном. Считается, что эти трн регуляторных белка произошли в процессе эволюции в результате дупликации гена [c.99]

Молекула С. представляет собой одну полипептидную цепь, состоящую из 190-191 аминокислотных остатков (мол. м. ок. 22 тыс.). По хим. структуре, физ.-хим. и биол. св-вам С. сходен с пролактином и плацентарным лактогеном и поэтому объединяется с ними в одно семейство. Считается, что эти три гормона произошли в процессе эволюции из общего предшественника. [c.383]

Белки плазмы выполняют множество функций. Одна из них, присущая в основном сывороточному альбумину, состоит в поддержании в плазме достаточно высокого осмотического давления, сравнимого с давлением в цитоплазме клеток. Сывороточный альбумин человека состоит из одной цепи, содержащей 584 аминокислотных остатка его мол. вес равен 69 000. В молекуле имеются три повторяющиеся гомологичные области — три домена, каждый из которых содержит шесть дисульфидных мостиков. Можно предположить, что в ходе эволюции ген, детерминирующий этот белок, дважды дуплицировался . Сравнительно низкий молекулярный вес и высокая плотность отрицательных зарядов на поверхности молекулы очень помогают сывороточному альбумину в выполнении его функции, связанной с поддержанием осмотического давления. [c.104]

Рассматриваемая здесь задача является качественно иной, имеющей смысл только для избранных, главным образом, природных аминокислотных последовательностей. Поэтому ее решение может быть вьпюлнено лишь на основе самостоятельной теории, учитывающей выработанную эволюцией конформационную специфику белков, а именно статистикодетерминистический механизм структурной самоорганизации и детерминистическую (в отношении как статических, так и динамических свойств) природу нативных конформаций белковых молекул. Стремление описать сборку белка с чисто статистических позиций, не учитывающих гетерогенности цепи и взаимообусловленности поведения макроскопической системы от внутреннего строения микроскопических составляющих, объясняется иллюзорным представлением о том, что в этом случае можно идти по уже проторенному для синтетических полимеров пути и тем самым избежать разработки несравненно более сложного статистико-детерминистического подхода. Однако традиционный поиск решения не отвечает самой сущности рассматриваемого явления, и, следовательно, все попытки дать чисто статистическую трактовку структурной самоорганизации белка следует признать, как отмечалось, обреченными на неудачу (см. разд. 1.3). [c.101]

В другом исследовании О.Б. Птицын [141] развивает тезис об отсутствии зависимости пространственного строения белковых молекул от их Химического строения и тем самым ставит под сомнение эволюционный Путь развития белка (и не только его). Так, автор пишет "Широко распространено убеждение, что уникальная первичная структура данного белка совершенно необходима для сворачивания в определенную пространственную структуру и для его функции и является результатом направленного отбора в ходе биологической революции". В статье пред- тавлены аргументы в пользу альтернативной точки зрения, согласно которой типичные пространственные структуры глобулярных белков характерны уже для случайных последовательностей аминокислотных остатков. Поэтому возможно, что первичные структуры белков - в основном просто примеры случайных аминокислотных последовательностей, лишь слегка отредактированных в ходе биологической эволюции для придания им дополнительного функционального смысла [141. С. 574]. Эта мысль развивается О.Б. Птицыным и М.В. Волькенштейном в более поздней совместной работе [145]. [c.505]

О.Б. Птицына [141], появление сложных аминокислотных последовательностей случайного состава и гюначалу, т.е. до "редактирования", биологически бесполезных. Белки, как известно, не воспроизводят самих себя. Поэтому для появления "протяженной кооперативной структуры" необходимо предположить существование готового генетического аппарата. Так как он синтезирует случайные и функционально неспецифические аминокислотные последовательности, непонятно, каким образом и почему он возник. Но даже такой, неведомо как и зачем возникший генетический аппарат, имеющий, как и "протяженные кооперативные структуры", случайную последовательность нуклеотидов, не может не только функционировать, но и быть созданным без участия большого числа высокоспецифичных белков. Автор отказывает белкам в эволюции. Очевидно, также следует поступить и по отношению к генетическому аппарату, их производящему. Если следовать такой логике, то это приведет к отрицанию эволюции органического мира вообще, поскольку в основе эволюционного развития любого организма лежит изменение его генов, программы синтезируемых белков. [c.506]

Эта идея подтверждается значительной вырож/енностью третьей, позиции кодона (рис. 1.5, б). Наиболее вероятной начальной точкой существующего является, по-видимому, триплетный код, использующий два комплементарных нуклеотида. В этом случае значимы только первые две позиции каждого кодона, так что один триплет кодирует лишь четыре разные аминокислоты. На следующем этапе эволюции добавилась еще одна пара комплементарных нуклеотидов, что дало возможность кодировать 16 аминокислот. Наконец, приданием значимости третьей позиции кодона была введена некоторая вырожденность. Когда организмы стали настолько совершенными, т. е. настолько конкурентоспособными, что любое изменение типа хотя бы одной аминокислоты оказывалось опасным,, а иногда и летальным, генетический код остановился в своем развитии. Таким образом, было зафиксировано число аминокислотных остатков, равное 20. [c.17]

В этой главе мы познакомились с каноническими аминокислотами, основными строительными блоками белка, которые являются частью основной схемы организации всех организмов. Исходя из аминокислот, можно объяснить некоторые аспекты этой универсальной схемы. Однако потребуется еще много времени, чтобы понять, почему была развита именно эта схема. Каждый аминокислотный остаток обладает уникальными свойствами и выполня- т вполне определенную роль в данном месте белковой молекулы. Несмотря на это в ходе белковой эволюции происходили и происходят некоторые замены. Анализ частоты замен позволяет выявить аналогию среди аминокислот и подразделить все аминокислотные остатки на четыре основные группы. [c.25]

Исследование специализации белков позволяет устанавливать генеалогию организмов. Как правило, аминокислотная последовательность и характер свертывания цепи в процессе эволюции сохраняются настолько хорошо, что белки даже очень генетически далеких организмов имеют определенное сходство. Таким образом, путем нс-сяедования специализации белков можно устанавливать генеалогию, т. е. происхождение и родственные связи организмов. Поэтому филогенетический анализ, основанный на специализации белков, мэжно рассматривать как один из методов систематики. [c.198]

Детали строения гомологичных белков могут быть следствием конвергентной зволюции. В процессе последующего развития белков от некоторого общего предшественника также можно выявить некоторые аспекты конвергентной эволюции в отношении общего построения этих белков [273, 597]. Например, в малом варианте цитохрома jji глубоко лежащая пропионовая группа гема связана водородной связью с Тгр-56, а в большом варианте митохондриального цитохрома с — с Тгр-59 [509]. В этом случае важные для функции остатки Тгр занимают неэквивалентные положения в гомологических полипептидных цепях. Это показывает, что моделирование аминокислотной последовательности с фиксацией положения функциональных остатков может привести к неверным выводам. [c.233]

Тот факт, что другая сериновая протеиназа, субтилизин, белок,, не обладающий структурной близостью к группе химотрипсина, содержит, тем не менее, тот же каталитический участок, явился ошеломляющим открытием. Из трехмерной структуры субтили-зина следует, что в последнем также имеется система водородных связей аспарагиновая кислота-32. .. гистидин-64. .. серин-221,. аналогичная найденной в химотрипсине [51] (см. рис. 24.1.14). Этот факт означает, что каталитические механизмы, используемые обоими этими ферментами, также идентичны. Отсюда, безусловно,, следует заключение, что две линии в эволюции ферментов пришли к одному и тому же решению проблемы гидролиза амидной связи. Если это заключение справедливо для сериновых протеиназ, оно может быть справедливо и для протеиназ, в механизмах действия которых участвуют другие аминокислотные остатки, и вообще для ферментов, катализирующих любую данную реакцию. Эти данные, таким образом, могут служить косвенным доказательством нашего предположения о том, что очень большое число-ферментов, участвующих в жизненных процессах, может использовать значительно меньшее число каталитических механизмов. [c.490]

Другой отличительной особенностью генетического кода является его непрерывность, отсутствие знаков препинания , т.е. сигналов, указывающих на конец одного кодона и начало другого. Другими словами, код является линейным, однонаправленным и непрерывающимся АЦГУЦГАЦЦ. Это свойство генетического кода обеспечивает синтез точной и в высшей степени упорядоченной последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка. В противном случае последовательность нуклеотидов в кодонах будет нарушена и приведет к синтезу бессмысленной полипептидной цепи с измененной структурой и непредсказуемой функцией. Следует указать еще на одну весьма существенную особенность кода-его универсальность для всех живых организмов от Е. соИ до человека. Код не подвергся существенным изменениям за миллионы лет эволюции. [c.522]

Все белки построены из 20 типов аминокислотных остатков ряд аминокислот, не фигурирующих в белках, участвует в метаболизме. По-видимому, аминокислоты возникали на Земле на первом зтане химичёской эволюции около 4 -10 лет назад, в результате химических реакций в архаической восстановительной атмосфере и в океане при поглощении энергии (гл. 17). Простейшие аминокислоты встречаются и в метеоритах. [c.25]

Генетически кодируется первичная структура белка, а биологически функционально — пространственное строение глобулы. Мутационные замещения нуклеотидов матрицы по-разному сказываются на функциональности белка. Мы видели, что гидрофобность аминокислотного остатка имеет важнейшее значение для структуры глобулы (см. 4.5). Соответственно мутации, сильно изменяющие гидрофобность остатка, должны сильнее сказываться на биологических свойствах белка, чем мутации, мало меняющие гидрофобность. Первый тип мутаций более опасен для существования особи и вида, чем второй. Можно думать, что эволюция, приведшая к современному коду, шла в направлении Бозрастающей его надежности в смысле уменьшения доли более опасных мутаций. Убедимся в надежности кода. [c.281]

Очевидно, что замена пары АТ на ГЦ терлюдинамически выгодна, так как Г связывается с Ц сильнее, чем А с Т. Если бы все сводилось к термодинамике, то в ходе эволюции должно было бы увеличиваться относительное содержание ГЦ в ДНК. Это не так—у высших организмов содержание ГЦ стабилизовано на уровне 40—457о- Эволюционное образование Г + Ц-организма биологически бессмысленно, так как триплеты, не содержащие А и Т (А и У в мРНК), кодируют только Нро, Арг, Ала и Гли, т. е. лишь Vs всех аминокислотных остатков. [c.283]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология