роль в эволюции белка

Первой ступенью в эволюции жизни на Земле была, вероятно, эволюция молекул. В водном растворе содержалось множество мелких молекул, которые беспорядочно образовывались под действием солнечного света, разрядов молний и других источников энергии и обладали способностью катализировать реакции, приводившие к синтезу копий самих себя. По-видимому, этот процесс проходил в две стадии во-первых, под влиянием каталитического действия (как на матрице) шло образование молекулы, комплементарной по структуре первоначальной молекуле, а затем эта вторая молекула служила матрицей для образования новой молекулы, которая была идентична первоначальной молекуле. Тот факт, что такой двухстадийный процесс репликации (или эквивалентный ему одностадийный процесс репликации молекулы, состоящей из двух комплементарных частей) осуществляется в настоящее время нуклеиновыми кислотами при репликации генов, позволяет предположить, что первыми самовоспроизводящимися молекулами на Земле были действительно молекулы нуклеиновой кислоты. Учитывая важную роль, которую белки играют в живых организмах, полагали, что именно они должны были быть первыми самоудваивающимися молекулами, однако существующие в этом отношении данные говорят в пользу нуклеиновых кислот. [c.465]

Особое преимущество, которое дает определение нуклеотидной последовательности ДНК, состоит в возможности сравнительного анализа некодирующих областей, включая регуляторные последовательности. Это очень важно, поскольку помогает объяснить тот давно известный факт, что эволюция белков и морфологическая эволюция идут в разных группах организмов с совершенно разной скоростью. Важные фенотипические изменения могут зависеть не только от структуры белка, но и, например, от относительного содержания индивидуальных белков или от времени экспрессии гена. Сравнивая нуклеотидные последовательности регуляторных элементов или соседей по геному , можно выяснить роль регуляции работы генов в эволюции видов. Различия между последовательностями мо- [c.16]

Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления этих процессов уже давно применяют разнообразные способы перегонку и ректификацию, абсорбцию и адсорбцию, экстракцию и др. Однако природа за миллионы лет эволюции живых организмов выработала наиболее универсальный и совершенный метод разделения с использованием полупроницаемых мембран. Действительно, биологические мембраны обеспечивают направленный перенос необходимых организму веществ из внешней среды в клетку, и наоборот. Без мембран невозможны были бы дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и другие процессы. [c.13]

Рассмотрен подход к решению обратной структурной задачи, основанный на физической конформационной теории природных пептидов и белков, прежде всего оценке особой роли ближних взаимодействий в их структурной организации и использовании классификации пептидных структур на шейпы, формы и конформации. Показано, что можно добиться целенаправленного и контролируемого изменения структуры пептида за счет ближних взаимодействий простыми средствами, выработанными в процессе эволюции органического мира. Изложенный в книге подход к решению обратной задачи позволяет заранее, еще до синтеза и биологических испытаний целенаправленно конструировать модели искусственных аналогов, пространственные структуры которых отвечают низкоэнергетическим и физиологически активным конформационным состояниям природного пептида. Возможности теоретического моделирования искусственных аналогов продемонстрированы на конкретных примерах. Полученные результаты подтверждают необходимость его использования в изучении молекулярных механизмов функционирования пептидных гормонов, катализа ферментов, взаимодействий антител с антигенами и т.п. (см. гл. 17). [c.590]

Таким образом, дискуссионным остается вопрос о том, на каком этапе эволюционного процесса нуклеиновые кислоты сформировались как информационные молекулы. Согласно одним представлениям на начальном этапе эволюции роль последних выполняли белковоподобные молекулы, и первые примитивные клетки функционировали без нуклеиновых кислот. Другая гипотеза исходит из того, что первыми возникли нуклеиновые кислоты, а позднее, на базе содержащейся в них информации, возникли белки (гипотеза генной жизни ). [c.201]

То же свойство — деформация — но уже на более высоком уровне оказалось полезным для генезиса структур, допускающих координированную работу матриц типа РНК и ДНК, и систем ферментов, выполняющих заданные операции в синтезе белков. Движение рибосом во время синтеза свидетельствует о необычайных меха нических возможностях, скрытых в цепях высокомолекулярных соединений. Если мы продолжим анализ роли движений и деформаций на новых уровнях организации, то увидим, с какой последовательностью этот фактор используется природой. Не только мышечные волокна, но и различные механизмы, созданные мозгом изобретателя — ведь это тоже средства управления отношениями организм — среда, но уже построенные не из белков, а совсем из иных материалов. Однако механизмы были созданы человеком, и их следует рассматривать как этап эволюции, причем механизмы появились именно пО тому, что исходной системой была белковая система. В конечном итоге зависимость высших функций организма от состава органов и интенсивности примитивных процессов хотя и существует, но является слабой. Известно, что даже в самом организме можно заменить искусственными аппаратами и такие важные детали, как сердце, почки, легкие, сосуды, кости и т. п., а отношение человека к среде и другим людям опосредствовано множеством механизмов. [c.110]

Какой длинный и удивительный путь прошла эволюция динамических систем от макромолекул, способных к репликации, и молекул белков до мозга, располагающего кодами в виде записей уравнений, табличных данных и законов, дающих ему безмерную власть над тем, что управляется примитивными кодами или вовсе не управляется. Будет ли повышение ранга и роли кодов, делающихся все более универсальными и все дальше уходящих от своей изначальной молекулярной основы, происходить по пути повышения информационной нагрузки в выражениях законов или быть может человечество предпочтет создать мыслящие машины , которые возьмут на себя бремя дальнейшего интеллектуального совершенствования Кто знает это Автор, однако, склонен считать движение по первому пути более вероятным просто потому, что этот путь довольно хорошо зарекомендовал себя на протяжении миллиардов лет. [c.237]

Белки, жиры, углеводы, содержащиеся в кормах и продуктах, при обычных условиях практически не изменяются и могут длительное время сохраняться. Но как только эти вещества попадают в организм животного, они под влиянием пищеварительных соков быстро гидролизуются на более простые соединения, которые всасываются и в конечном счете распадаются до СОг и НгО. Химические превращения веществ в организме протекают довольно легко и с большой скоростью при невысокой постоянной температуре и в среде, близкой к нейтральной. Это дало основание полагать, что в организме содержатся вещества, действующие подобно катализаторам. И постепенно в науке утвердилось положение, что все химические реакции в организме являются каталитическими. Роль катализаторов выполняют возникшие в процессе эволюции специфические белки, получившие название ферментов (энзимов). [c.5]

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, показывающий возможность применения полисопряжен-ных полимеров в качестве ингибиторов в процессах термической, термоокислительной, фото- и радиационной деструкции мономеров и полимеров. Известны каталитические и фотосенсибилизирующие свойства таких полимеров [277], их применение в качестве органических полупроводников [278], электронообменников [279] и др, Полисопряженные системы играют большую роль в формировании и эволюции белков и нуклеиновых кислот, а также являются основой структуры коферментов, витаминов, гормонов [280. [c.284]

Если учесть, что полисопряженные системы, по-видимому, играют большую роль в формировании и эволюции белков и нуклеиновых кислот , а также являются основой структуры ко-ферментов, витаминов, гормонов и т. п. , то станет очевидным большое значение развития синтеза и исследования веществ с развитой системой сопряжения для решения ряда проблем био- химпи, биофизики и особенно биологического моделирования. [c.7]

Следующий этап эволюции — образование первичного аппарата трансляции. Простейший аппарат должен содержать набор адаптеров. Адаптером мы называем молекулу,, комплементарную одной стороной к участку полинуклеотида (кодону) и другой — к аминокислоте (или блоку аминокислот) ). В современном аппарате эту роль выполняют белки аминоациладенилатсинтетазы. [c.28]

Достигнутые за последний весьма короткий период огромные успехи в секвенировании нуклеотидов, по-видимому, должны служить признаком того, что секвенирование белков, возможно, уходит в прошлое, если вообще не станет излишним. Фактически именно так ставится вопрос в статье Закат и упадок химии белка [8], опубликованной недавно в журнале Nature. В связи с идеей о мозаичной организации эукариотической ДНК, включающей экзоны и интроны [3], потребовался анализ соответствующих аминокислотных последовательностей. Когда белковые структуры были определены, стала очевидной роль рекомбинаций экзонов в эволюции белков [2]. Данные относительно посттрансляционной модификации белков, о сигнальных пре- и пропептидных последовательностях свидетельствуют [c.7]

Семейство сходных или эквивалентных нуклеотид-связывающих доменов было обнаружено М. Россманом в результате целенаправленного поиска близких структур, которые могли бы обусловить возникновшие родственных или почти тождественных функциональных центров. Заметим, что этот домен — только часть третичной структуры каждого белка. В другом интересном случае речь идет об участии лишь очень небольшой доли всей белковой молекулы. Каталитические центры химотрипсинового семейства протеаз чрезвычайно похожи на каталитический центр субтилизина (рис. 2.42). Их сходство существует несмотря на то, что общий характер свертывания полипептидных цепей в обоих белках совершенно различен. Эквивалентность этих участков предполагает, очевидно, подобие каталитических механизмов. Здесь возникают вопросы, связанные с ролью дивергенции и конвергенции в эволюции белков. Может оказаться, что существует очень небольшое число каталитических механизмов, доступных белкам, которые не используют для функционирования кофакторы или простетические группы. Это может быть обусловлено тем, что 20 обычных аминокислот реализуют лишь ничтожную долю известных химических возможностей, заложенных в малых органических молекулах. [c.121]

Представление о постоянно нарастающей в ходе эволюции дивергенции белковых молекул, идущей путем постепенной замены аминокислот, хотя и имеет широкое распространение (Молекулярные основы геносистематики, 1980 Ратнер и др., 1985 Эволюция генома, 1985), видимо, слишком узко, чтобы охватить все многообразие модусов эволюции. Общепризнанным стало представление и об огромной роли в эволюции белков дупликации генов (Оно, 1971 Дулиттл, 1985). Во многих случаях эволюция белков идет, по-видимому, путем перекомби- [c.144]

B. В. Зеленкин, Дж. Милсум, Э. С. Крендел и др.) показало, что навязывание или усвоение ритмов сыграло важную роль в процессе эволюции. Установлено, что усвоенный биологической системой внешний ритм в конечном счете может стать свойством самой системы и действовать в ней независимо от обстановки. В этом случае, несомненно, внешнее воздействие сыграло роль фактора, формирующего биохимические (т. е. по существу химические) структуры. Однако ритмы, фиксированные в оперативной памяти человека, способны к быстрым перестройкам при соответствующем изменении ритмов внешней среды. Так, по данным Б. А. Карпова с сотр., колебательное ритмическое движение светящейся точки вызывает ритмическое движение глаз наблюдателя, причем глаз сначала подстраивается к движению источника света, а затем приобретает устойчивый ритм, сохраняющийся даже после выключения света. Глаз, по мнению этих исследователей, может усваивать даже полигармонические сигналы. Явления навязывания кода , наблюдаются и для случаев пространственного кодирования. Навязывание означает, например, конформационное изменение макромолекулы, которое происходит под влиянием более жесткой структуры присоединяемой низкомолекулярной частицы. Конформационные изменения в белках описаны ниже (часть IV, гл. 4). Эти процессы имеют большое значение в ферментативном катализе, где жесткой структурой часто обладают молекулы субстратов. [c.339]

Анализ вопроса этот автор начинает с рассмотрения возможных путей образования высокомолекулярных последовательностей — носителей информации . Роль последовательностей могут выполнять, например, остатки аминокислот, соединенные в полипептидные цепи. И белки и нуклеиновые кислоты — носители кода самоорганизация и эволюция должна начаться на уровне са-мовоспроизводящегося кода. Обсуждая вопрос о процессах сборки и распада поли.меров, протекающих в ящике конечного объема, через стенки которого могут втекать и вытекать мономерные единицы (высоко- и низкоэнергетические), Эйген приходит к выводу, что при oт yт твии самоинструктирования ожидаемое значение числа цепей с любой данной последовательностью практически равно нулю. Необходимо придать динамические свойства носителям информации , а в теории отбора должен фигурировать параметр, выражающий селективное преимущество через молекулярные свойства. [c.383]

Рекомбинационные процессы играют также ведущую роль в эволюции строения гено.мов в цело.м. Дело в том, что перестройки генетического материала часто можно объяснить реко.убинацией. между гомологичными последовательностями, оказавшимися в негомологичном положении (роль таких последовательностей могут выполнять, напри.мер, мобильные генетические эле.менты см. гл. V). На рис. 81 (с.ч. с. 126) показан один важный частный случай ошибочной реко.мбинации — неравный кроссинговер. В результате этого процесса генетический материал одной из гомологичных хро.мосом делетн-рует, но в другой хромосоме возникает дупликация. Считается, что такие дупликации играют важную роль в возникновении родственных, но различных генов, поскольку присутствие в геноме лишних копий какого-либо гена позволяет и.м сравнительно свободно из.че-няться, что, в принципе, может привести к возникновению новых функций белка — продукта гена. По всей вероятности, это один из путей возникновения. мультигенных семейств, характерных для геномов высших эукариот и кодирующих белки со сходными, но различными функциями. [c.109]

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]

Слиянию генов могла принадлежать важная роль в процессе эволюции основных метаболических путей. Энергетический путь метаболизма каждого из перечисленных ниже ферментов определился, вероятно, в результате объединения копии изначального (ди)нук-леотидсвязывающего домена с одним или большим числом других доменов, отличных от первого фосфоглицераткиназа [235, 310, 311], дегидрогеназы, специфичные соответственно к глицеральдегид-3-фосфату, лактату, малату и алкоголю [91], и гликоген-фосфорилаза [236]. Как обсуждалось в разд. 5.4, (ди)нуклеотидсвязывающий домен представляет N-концевую часть первых четырех ферментов, тогда как в алкогольдегидрогеназе он расположен в С-концевой части, а в фосфорилазе — в середине цепи. Это указывает на то, что ограничения в пространственном расположении доменов не вызывали затруднений при их использовании в качестве составных блоков для построения самых сложных белков в процессе эволюции. [c.229]

По-видимому, мультипликация генов важна для дифференциации белков. Предполагается, что мультипликация генов играла важную роль в эволюции структуры и функции б чков [523, 525, 582, 584, 585, 592]. После кратного воспроизведения генов одна копия выполняет первоначальную функцию, тогда как другая (или другие) может развиваться для выполнения близкой или новой функции. Наиболее хорошо известными примерами являются гены человека, кодирующие а-, 3-, у, к-и С-цепи гемоглобинов и миоглобин. Ведется полемика (работы [586] и [523]) по вопросу о том, сколько поколений избыточного гена могут существовать в геноме и являются лп недеятельные (спящие) фэрмы этой экстракопии возможными промежуточными продуктами в процессе развития белка с новой функцией. [c.230]

Описанные случаи внедрения элемента сопровождаются мутациями с самыми разными фенотипическими проявлениями, обусловленными подавлением образования или, наоборот, гиперпродукцией белка. Можно наблюдать полную или частичную реверсию мутаций к норме, вызванную вырезанием мобильного элемента при сохранении в составе хромосомы только одного ДКП. Перемещение мобильных элементов по геному могут способствовать распространению регуляторных сигналов (сайтов инициации транскрипции, сигналов полиаденилирования или энхансеров). Роль мобильных элементов в эволюции систем регуляции может быть значительной, если принять во внимание, что геном эукариот кодирует транс-действующие белковые факторы, способные специфически регулировать инициацию транскрипции в районе ДКП. [c.230]

Исследование структурных и конформационных свойств индивидуальной полипептидной субъединицы обычно ведется по трем аспектам рассматриваются первичная, вторичная и третичная структуры, как это было предложено Линдерстрем-Лангом [И]. Организмы используют для синтеза белков основной набор из 20 аминокислот (см. гл. 23.2). Необычные аминокислоты, которые эпизодически встречаются в белковых структурах, часто являются результатом химической модификации простетической группы гема (остатки 70—80) они остались неизменными в процессе эволюции, тогда как другие части молекулы играют, по-видимому, меньшую роль для спецификаций, особенно остатки, не участвующие в агре- [c.222]

Редактирование , происходящее в процессе эволюции, затрагивает биологически функциональную часть глобулы, ее активный центр. Активный центр белка-фермента включен в каркас, обладающий некоторой конформационной подвижностью. Точная структура каркаса не играет определяющей роли. Поэтому структура белка как целого мало связана с его функцией. Это создает важные возможности для белковой инженерии, для искусственного построения белков, применимых в биоэлектронике. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Так, синтезирован Felix — искусственный белок, содержащий четыре а-спирали (Four heli es). [c.112]

Возникновение белка па заре жизни означает создание повой информации. Как это следует из нейтральной теории, структура белка в целом исходно есть запоминание случайного выбора. При последующем редактировании происходила подлинная эволюция активной части белка Надо подчеркнуть, что во мно гих случаях важная роль в редактировании принадлен1ала ионам металлов, прежде всего цинка, железа, меди и молибдена (ср. 6.9). [c.568]

Сборка тубулина ингибируется ионами кальция при участии кальмодулина. Далее, кальмодулин играет специфическую роль при регуляции секреции нейромедиатора из нервного окончания— это также Са2+-зависимый процесс (гл. 8). Очень высокая концентрация кальмодулина в мозге (10 мкмоль/л), а также необычно высокая консервативность аминокислотной последовательности при эволюции указывают на значимость этого белка. Кроме участия в функционировании нейронов, кальмодулин работает как медиатор кальциевой регуляции аденилатциклазы, фосфодиэстеразы, фосфорилазы, киназы и фосфорилирования многочисленных мембранных белков. [c.314]

Многие белки многоклеточного животного могут быть сгруппированы в семейства-коллагены, глобины, актины, сериновые протеазы и т.п. Белки одного семейства близки как по своей функции, так и по аминокислотной по-следовательноста Вряд ли можно сомневаться в том, что гены белков каждого такого семейства произошли от единственного предкового гена в результате процессов дупликации и дивергенции (разд. 3.3.6). Разные члены одного сачейства белков часто бывают характерны для различных тканей тела, где они выполняют аналогичные, но несколько различающиеся функции. Создание новых генов благодаря дивергенции и специализации имеющихся, генов играло, очевидно, решающую роль в эволюции сложных многоклеточных организмов. Однако мы увидим, что в деталях последовательность событий у диплоидных и гаплоидных видов существенно различна. Диплоидные организмы обладают важным преимуществом у них имеется добавочная копия каждого гена, и эта копия может мутировать и служшъ исходным материалом для создания чего-то нового. Гаплоидные виды не могут так же легко вступать на путь, ведущий к увеличению и усложнению генома. Чтобы механизм этих процессов стал ясен, нам нужно будет несколько подробнее рассмотреть связь между половым размножением и диплоидией. [c.11]

Биологический смысл, заключенный в гомологии последовательностей, лучше всего можно проиллюстрировать на примере цитохрома с-железосодержащего митохондриального белка, участвующего в качестве переносчика электронов в процессах биологического окисления в эукариотических клетках. Молекулярная масса этого белка у большинства видов составляет около 12 500 при этом его полипептидная цепь содержит 100 или несколько большее число аминокислотных остатков. Бьии установлены аминокислотные последовательности для цитохромов с, выделенных более чем из 60 видов, и во всех исследованных белках 27 положений в полипептидной цепи оказались занятыми одинаковыми аминокислотными остатками (рис. 6-14). Это указывает на то, что все эти остатки играют важную роль в определении биологической активности цитохрома с. В других положениях аминокислотные остатки могут варьировать от вида к виду. Второй важный вывод, сделанный на основе анализа аминокислотных последовательностей цитохромов с, состоит в том, что число остатков, по которым различаются цитохромы с любых двух видов, пропорционально филогенетическому различию между данными видами. Например, молекулы цитохромов с лошади и дрожжей (эволюционно весьма далеких видов) различаются по 48 аминокислотным остаткам, тогда как цитохромы с гораздо более близких видов— курицы и утки-только по двум остаткам. Что же касается цитохромов с курицы и индейки, то они имеют идентичные аминокислотные последовательности. Идентичны также цитохромы с свиньи, коровы и овцы. Сведения о числе различий в аминокислотных последовательностях гомологичных белков из разных видов используют для построения эволюционных карт, отражающих последовательные этапы возникновения и развития различных видов животных и растений в процессе эволюции (рис. 6-14). [c.155]

Можно думать, что белки различной природы действовали как биокатализаторы, причем функции активной группы выполнялись сравнительно простыми сочетаниями атомов, включенными в пептидные цепи первичные белки (протобелки), вероятно, не обладали разнообразными каталитическими функциями, но наиболее активные из них были отобраны в процессе эволюции. Нельзя недооценивать роль металлов в генезисе сложных активных групп ферментов. Уже в ранних стадиях биоэволюции металл (ион) играл роль того центра, к которому тяготели группы атомов в органических молекулах, способные образовывать комплексы. Результатом этого было, во-первых, сближение различных молекул, во-вторых, изменение их электронного состояния, затем разнообразные ре-докс-процессы с участием центрального иона и, наконец, синтез новых типов биокатализаторов с высокой активностью, в которых ион оставался включенным в прочный комплекс. [c.50]

Строгое пространственное соответствие между молекулой субстрата и химическим рельефом молекулы фермента, выработанное ходом эволюции биокатализаторов, иллюстрирует возрастающую роль кодовых взаимоотношений в развитии форм жизни. Г. Кастлер [11] близко подошел к этой проблеме, указав, что в каждом процессе происходит взаимодействие объектов — передача информации, причем для узнавания объекта требуется не все количество информации, содержащееся в объекте, а лишь часть, которую Кастлер называет сигнатурой. Ферменты распознают субстрат при помощи набора аминокислот аминокислоты, ответственные за данную функцию фермента, и составляют его сигнатуру. Высокой степени совершенства кодовые процессы достигли в механизмах синтеза белка, т. е. в рибосомном аппарате. Относительно небольшие энергетические эффекты, связанные с синтезом пептидных цепей, отвечают коду необыкновенной сложности. [c.96]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология