Текст книги "Естественные технологии биологических систем"

Автор книги: Александр Уголев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 22 страниц)

6.1. Основные принципы эволюции в свете концепции универсальных функциональных блоков

В какой степени закономерности и принципы функционирования организмов, органов и клеток справедливы для молекулярных и близких к ним структурно-функциональных систем, какими являются функциональные блоки? По этому поводу нет полного согласия. Некоторые исследователи обращают внимание на определенные различия в эволюции организмов и белков, входящих в их состав. Например, Г. Шульц и Р. Ширмер (1982) указывают, что хотя специализацию белков и можно использовать для изучения эволюции, это еще не означает, что эволюция организмов, заключающаяся в эволюции их структур и функций, протекает параллельно эволюции их белков. В качестве примера они ссылаются на отсутствие корреляции между сравнительно большой изменчивостью белков у амфибий в диапазоне одинаковых таксонов по сравнению с млекопитающими. Вместе с тем отмечается, что специализация белков создает предпосылки для исследования эволюции на более высоких иерархических уровнях. С другой стороны, предполагается, что белки эволюируют как клетки, ткани и органы, подчиняясь тем же закономерностям. В основе такой эволюции на макро– и макроуровнях лежат принципы мультифункциональности, смены, ослабления и расширения функций, интенсификации функций и т.д. Все это связано с тем, что белки – такие же органы организма, но только молекулярные. Я привожу это выражение Б. М. Медникова (1981), которое сочетает удивительную образность и точность. В дальнейшем будет сделана попытка показать, что в биологическом микромире, так же как и в физическом, наряду с универсальными законами действует ряд специфических законов и отсутствуют некоторые закономерности, справедливые для макросистем.

Принято, что основные филогенетические принципы изменения структур и функций являются частными и вытекают из принципа мультифункциональности (см. гл. 8). Базой прогрессивной эволюции служат малодифференцированные структуры, обладающие свойствами, из которых формируются высокоспециализированные системы с немногими характерными функциями. Например, какие-то клетки обладают такими функциями, как питание, выделение, рост, движение, раздражение, возбуждение, размножение и т.д. Впоследствии каждая из этих функций становится все в большей степени свойственной определенной группе клеток, образующих специализированный орган. В пределах каждого органа возникает новый уровень специализации, когда процесс (например, секреция) подразделяется на ряд субпроцессов (например, секреция ферментов, солей, воды, реабсорбция отдельных компонентов первичного секрета и т.д.). В этом случае специализация касается не секреторной функции в целом, а ее определенных разновидностей.

Насколько можно судить, функциональные блоки возникли как специализированные структуры, выполняющие определенную функцию, например обмен натрия на протон в натрий-протонных каналах, укорочение или удлинение актомиозиновых комплексов, эндо-и экзоцитозы и т.д. Таким образом, принцип мультифункциональности реализуется не на уровне блоков, а на уровне органов и клеток и касается комбинаторики блоков, но не их самих. На уровне функциональных блоков и элементарных функций мультифункциональность (или полифункциональность) является скорее исключением, чем правилом. Обычно каждый блок выполняет одну функцию, которая не меняется или мало меняется на протяжении длительных интервалов эволюции, а иногда и всей известной нам эволюции. Так, Na ⁺, К ⁺-АТФаза всегда осуществляет антипорт Na ⁺и К ⁺, причем на всех уровнях филогенетической лестницы выведение трех ионов натрия из клетки сочетается с поступлением двух ионов калия внутрь клетки при гидролизе одной молекулы АТФ. Однако, включаясь в различные функциональные комплексы, этот насос может участвовать в проведении нервного сигнала, мышечном сокращении, защитных, осморегуляторных, секреторных, резорбтивных процессах, процессах рецепции и т.д. Другими словами, будучи монофункциональной, Na ⁺, К ⁺-АТФаза является мультипотентной (или полипотентной). По-видимому, принцип мультипотентности представляет собой такой же важный принцип функционирования и эволюции на микроуровнях, как принцип мультифункциональности на макроуровнях.

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-лактальбумина из предшественника, существовавшего около 300 млн. лет назад, общего с лизоцимом и напоминающего лизоцим как по структуре, так и по функциям (табл. 14).

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 их сохранение в течение длительных интервалов времени и, следовательно, сходство со свойствами исходной структуры одноименных блоков в других таксонах. Мною было высказано предположение, что таким механизмом может быть стабилизирующее действие отбора в отношении нескольких функционально и структурно взаимосвязанных признаков, мутирующих независимо. Эта точка зрения получает подтверждение (табл. 15). Как можно видеть, частота эволюционных изменений структуры макромолекул варьирует в пределах трех и более порядков, хотя вероятность мутаций должна быть одинаковой или близкой на протяжении длительных интервалов времени. Различия возникают вследствие действия дополнительных механизмов, из которых хотелось бы уделить внимание связи между стабилизирующим действием естественного отбора и структурно-функциональными интеграциями. Фактором, стабилизирующим свойства функциональных блоков в ходе эволюции, возможно, является стабилизирующий отбор тех признаков, которые сопряжены, во-первых, со стабильностью свойств лиганда и, во-вторых, с высокой вероятностью превращения полезного признака во вредный при взаимодействии двух функциональных блоков или комплексов, контролируемых независимо мутирующими генными структурами.

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 β-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

привела бы к возникновению несоответствия между рецептором и гормоном. Во многих случаях это означало бы появление генетической болезни, результатом которой было бы снижение вероятности выживания ее носителей или их гибель (при тяжелой форме заболевания). С нашей точки зрения, подобные феномены в ходе эволюции происходили постоянно, но не оставляли следов, так как последствия таких мутаций, нарушавших жизненно важные взаимодействия между гормоном и рецептором, между субъединицами олигомеров и т.д., были элиминированы. Я предположил, что о правильности такого построения свидетельствовало бы существование заболевания эволюционным, или генетическим, диабетом, в частности с точечными значимыми мутациями в А– и В-цепях инсулина. Недавно это предположение получило подтверждение.

Несколько лет назад был выделен структурно-аномальный инсулин из сыворотки крови и поджелудочной железы человека, страдающего диабетом. Позднее обнаружено еще два случая диабета со сходными клиническими проявлениями. У всех трех больных имела место типичная для диабетических больных гипергликемия и выраженная гиперинсулинемия, характерная для инсулярной резистентности, но в то же время гормональная толерантность к экзогенному инсулину. Анализ показал, что инсулин сыворотки крови состоит из аномального инсулина, обладающего лишь 1—2% активности нормального гормона, а также нормального инсулина в молярном отношении 95 :5 соответственно. Высокий общий уровень инсулина в сыворотке больных объясняется медленным удалением аномального гормона из системы циркуляции. Авторы указывают, что различные варианты инсулина при таких формах диабета могут быть результатом мутаций в различных местах в пределах гена инсулина и приводить к многочисленным замещениям аминокислот.

Точечная мутация в гене, контролирующем синтез какого-либо пептидного гормона, например инсулина, может приводить к формированию лиганда, плохо взаимодействующего со своим рецептором. В терминах клинической эндокринологии после такой мутации будет формироваться эволюционный, или генетический, диабет. По крайней мере некоторые формы диабета, реально обнаруженного в настоящее время, являются результатом нарушенного соответствия между лигандом и рецептором и отражают одно из самых значимых эволюционных ограничений. В этом отношении важны данные А. И. Клиорина, показавшего, что в крови детей в начальной фазе заболевания сахарным диабетом инсулин содержится в значительных количествах, но он малоэффективен.

Исходя из концепции универсальных функциональных блоков, следует предположить, что подобно эволюционному диабету должны существовать некоторые другие формы эволюционной патологии, в частности связанной с мутациями в генах, контролирующих синтез соматотропного гормона и некоторых других регуляторных пептидов.

Современный функциональный подход дает возможность глубже понять эволюцию вообще и прогрессивную эволюцию в частности, а также качественные скачки – ароморфозы по терминологии А. Н. Северцова. Еще недавно допускалось, что ароморфоз на молекулярном и близком к нему уровнях организации живых систем связан с повышением эффективности деятельности молекулярных машин. Например, ряд крупных биохимиков Советского Союза и других стран полагали, что в ходе эволюции эффективность ферментативно активных белков увеличивается. В настоящее время принято, что ферменты, участвующие во взаимодействиях с внешней средой, более изменчивы, чем ферменты, реализующие различные этапы собственно клеточных процессов. Для того чтобы рассмотреть этот вопрос более подробно, наиболее подходящими кажутся пищеварительные ферменты, например амилаза. Этот фермент характерен как для млекопитающих, так и для бактерий и обнаружен у всех промежуточных форм.

Анализируя совокупность приведенных в литературе и собственных экспериментальных данных, еще в 1961 г. я пришел к выводу, что нет оснований говорить о совершенствовании этого фермента в ходе эволюции. В 1986 г., наконец, появились обобщающие результаты, полученные при изучении первичной структуры слюнной и панкреатической амилаз различных млекопитающих, а также амилазы ряда низших организмов. Анализ последовательности аминокислот показал несомненную гомологичность этих ферментов. Несмотря на то что условия функционирования амилазы и способы регулирования ее синтеза в ходе эволюции менялись неоднократно, принципиальных изменений в структуре этого фермента обнаружено не было. Эти результаты – чрезвычайно важный аргумент в пользу идеи относительно большой эволюционной устойчивости функциональных блоков. Не менее важно, что следствием такой устойчивости является не прекращение эволюции, а ее ускорение за счет различных пространственных сочетаний и комбинаций одних функциональных блоков с другими. Вместе с тем существует возможность использования организмом регуляторных путей. Теоретически ясно, что многие мутации в исполнительных системах связаны не только с изменением их эффекторных свойств, но и регуляторных характеристик, т.е. с выходом из-под контроля имеющихся в организме регуляторных систем.

Интересно, что дупликация гена, уход его из некоторого функционального комплекса, с которым он взаимодействовал, нередко приводит к потере стабилизирующего действия естественного отбора и в конечном итоге – к формированию многих существенных различий. Слюнная амилаза, по всей вероятности, является таким продуктом дуплицированного гена, имеющего ряд принципиальных отличий от гена панкреатической амилазы. В то же время все другие амилазы организма, в том числе амилаза печени, практически полные генетические копии панкреатической амилазы.

6.3. Функциональные блоки и механизмы эволюции

Концепция универсальных функциональных блоков дает возможность проанализировать некоторые стороны эволюционного процесса, так как функциональный блок является тем элементом, из которого построена вся система функций любой сложности, подобно тому как ген или кодон служат элементам, из которых построена информационная система организма. Попытаемся показать некоторые особенности эволюции на основе универсальных функциональных блоков.

6.3.1. Примеры эволюции функций на основе общих регуляторных блоков

Работа с ограниченным числом блоков обеспечивает более устойчивую регуляцию и более быстрые перестройки. Поиск нужных деталей и сборка машин из стандартных деталей являются, по-видимому, более простым актом при реализации естественных технологий. В пределах не только одного типа, но часто и одного класса организмов возможны резкие перестройки, что было проиллюстрировано на примере пищеварения. В пределах лишь одного типа плоских червей можно найти примеры эктодермального пищеварения и его исчезновения. Это означает заметную ограниченность закона Долло о необратимости эволюции на уровне функциональных блоков.

Еще одна закономерность проявляется в перемещении регуляторных блоков, например рецепторов и взаимодействующих с ними лигандов. Недооценка этого феномена служит причиной многочисленных ошибок, которые первоначально воспринимались как крупнейшие достижения научной мысли и несомненно были таковыми (см. гл. 7). Например, кальмодулин обнаружен в клетках множества видов как позвоночных, так и беспозвоночных организмов, а также высших и низших растений (табл. 16). Далее, система циклических нуклеотидов рассматривалась как новый эволюционный инструмент, возникший у сложных организмов и выполняющий функцию вторичных посредников. Однако, как отмечено выше, система циклических нуклеотидов развита уже у простейших, у которых нет ни внутренней среды, ни интегрированных частей сложного многоклеточного организма. У простейших цАМФ выполняет функции не вторичного, а первичного мессенжера. У простейших обнаружены и многие гормоны, которые действуют параллельно, а затем образуют последовательную цепь сигналов и ретрансляторов. Это справедливо также для основных нейротрансмиттеров. Так, ацетилхолин, норадреналин и вновь открытые нейротрансмиттеры, такие, как аминокислоты, АТФ и др., используются как совершенной, так и примитивной нервной системой, включая нервную систему плоских червей и кишечнополостных. Даже такие медиаторы, как ацетилхолин и катехол-амины, давно признаны универсальными и показаны у всех животных, имеющих нервную систему.

Различные организмы, у которых изолирован кальмодулин

Животные
Простейшие	Членистоногие
Амеба	Рак
Эвглена	Рыбы
Парамеция	Электрический скат
Тетрахимена	Амфибии
Кишечнополостные	Шпорцевая лягушка
Морской анемон	Птицы
Морские анютины глазки	Цыпленок
Нематоды	Млекопитающие
Кольчатые черви	Человек
Земляной червь	Корова
Моллюски	Овца
Осьминог	Свинья
Гребешок	Кролик
Иглокожие	Крыса
Морской еж	Хомяк
Морская звезда	Мышь
Растения
Покрытосемянные	Грибы
Ячмень	Слизевики
Хлопок	Физарум
Орех	Зеленые водоросли
Шпинат	Xламидомонада

Современный уровень знаний позволяет думать, что на всех этапах эволюции в качестве медиаторов могут выступать молекулы различных типов, в том числе аминокислоты, их производные – адреналин и норадреналин, пептиды, а также некоторые нуклеотиды, эфиры и т.д. К медиаторам могут быть отнесены углеводы, медиирующие феномен узнавания в различных клетках организмов разных видов, начиная с вирусов и бактерий и кончая млекопитающими. Однако роль медиаторов в ходе эволюции меняется, хотя законы, по которым значимость разных нейротрансмиттеров увеличивается или уменьшается, остаются неизвестными. Даже если ограничиться нервно-мышечной передачей, то трудно ответить на вопрос, почему у некоторых беспозвоночных (в частности, ракообразных и насекомых) столь важную роль в качестве нейротрансмиттеров играют аминокислоты, а у млекопитающих – ацетилхолин? Точно так же широкое распространение имеют пептидные гормоны, первоначально обнаруженные у высших организмов, а затем у многих низших позвоночных и беспозвоночных. Интересно, что у позвоночных, насекомых и ракообразных, несмотря на отсутствие истинной гомологии, наблюдается поразительное сходство не только функций, но и организации эндокринной системы. При этом химическая структура гормонов у этих организмов обладает значительным сходством.

Важно, что процессы осморегуляции у костистых рыб находятся под контролем гормонов, которые известны у других животных, в том числе у млекопитающих. Однако у рыб они выполняют другую функцию. В частности, кортизол, как и NaCl, вызывает дифференциацию и пролиферацию хлоридных клеток, пролактин – их дифференциацию, глюкагон и ВИП оказывают преимущественно стимулирующий эффект. Таким образом, осморегуляция контролируется гормонами, которые у высших организмов мало связаны с водносолевым обменом.

Для организмов различных групп, естественно, общими являются не только химические сигналы, но и воспринимающие их рецепторы и, наконец, системы, связанные с переработкой и ретрансляцией сигналов. Например, универсальна система циклических нуклеотидов. Такие гормоны, как адреналин, глюкагон, парат-гормон, антидиуретический и тиреотропный гормоны, кортикотропин, лютеинизирующий гормон, гипотала-мические рилизинг-факторы и меланоцитстимулирующий гормон стимулируют в клетках-мишенях мембранносвязанную аденилатциклазу. В результате этого количество цАМФ внутри клетки удваивается. Образующийся в клетках цАМФ вызывает гормональный эффект, действуя в качестве вторичного мессенжера. Этот механизм у позвоночных и беспозвоночных организмов весьма сходен. Так, при действии серотонина на мышечную ткань печеночной двуустки посредником служит цАМФ. Существуют также сведения об участии цАМФ в гормональных эффектах у насекомых, а при действии хроматофоротропинов – у ракообразных. У большинства клеток эукариотов токсин холеры активирует аденилатциклазу.