Изменчивость

Белки

Белки (протеины, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку аминокислот. Белки – главные «рабочие лошадки». ДНК хранит и передает из поколения в поколение наследственную информацию, а белки выполняют почти всю «работу», необходимую для выживания, роста и размножения организма.

Функции белков. Обратите внимание на разнообразие этих функций. Белки могут все.

1) Каталитическая (ферменты) – пожалуй, главная. Эффективный катализ чуть ли не любых реакций. Если мы научимся...

2) Структурная (цитоскелет, коллаген, кератин…)

4) Рецепторная. Одно из потрясающих свойств белков – способность распознавать практически любые вещества и избирательно связываться с ними. Отчасти этим свойством обладают и молекулы РНК.

3) Защитная (антитела…). Тесно связана с рецепторной.

4) Регуляторная. а) протеинкиназы: взаимная активация. б) регуляторы транскрипции (транскрипционные факторы). Эта функция основана на способности белков распознавать участки молекул ДНК или РНК с определенной последовательностью нуклеотидов. Молекулы РНК справляются с этим еще лучше (на основе принципа комплементарности), поэтому часто белки-регуляторы образуют комплексы с маленькими молекулами РНК (рибонуклеопротеины).

5) Сигнальная (белковые гормоны, белки- регуляторы развития…). Для каждого сигнального вещества есть свой рецептор – тоже белок.

6) Транспортная (трансмембранные каналы, переносчики, гемоглобин…)

7) Моторная (двигательная)

Остальные базовые сведения о белках, надеюсь, вы получили в процессе работы над домашним заданием. Первичная структура – последовательность аминокислот.

«Белковая вселенная»

Количество возможных белков – невообразимо велико. Пептидов длиной в 20 аминокислот существует 20²⁰≈10²⁶. Нормальный белок состоит из нескольких сотен аминокислот. 200 аминокислот – это считается небольшой белок. Таких белков существует примерно 10²⁶⁰. По сравнению с этим числом число элементарных частиц во вселенной – неизмеримо ничтожно. Громадная «белковая вселенная», многомерное пространство всех возможных аминокислотных последовательностей.

Это значит, что «найти» в этом пространстве какую-то одну конкретную аминокислотную последовательность методом случайного поиска – абсолютно нереально. Это неизмеримо труднее, чем найти во вселенной, двигаясь наугад, какой-то один конкретный электрон.

Данное обстоятельство иногда используется креационистами – людьми, которые отрицают эволюцию – в качестве аргумента против естественного происхождения всего живого. Они утверждают, что, поскольку вероятность случайно наткнуться на нужный белок методом слепого поиска неизмеримо мала, следовательно, жизнь была преднамеренно сотворена Богом.

В этом рассуждении 2 ошибки.

· Первая ошибка: Не нужно искать конкретную последовательность, потому что одну и ту же функцию может успешно выполнять огромное множество разных белковых молекул.

· Вторая ошибка: Эволюция - не случайный поиск. Случайны только мутации, однако отбор – направленный процесс, представляющий собой прямую противоположность слепому случаю.

Мы должны оба этих положения разобрать в деталях и очень хорошо понять.

На этом слайде – изображение нашей физической вселенной, но давайте представим, что эта белковая вселенная, пространство всех возможных белков.

Можно представить себе области белковой вселенной, где находятся полезные функциональные белки, в виде светящихся точек, островков, или облаков.

ДЕМОНСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ Positive_selection.mdb «Отбор может найти любую точку в белковой вселенной». Показать:

1) что существует оптимальная скорость мутирования, при которой отбор создает «идеальную» последовательность быстрее всего.

2) Если она выше оптимума, отбор не может добраться до «идеальной» последовательности. Результат: хаотические блуждания на некотором удалении от «идеала» (нет неуклонного удаления, но нет и приближения). Если она ниже оптимума, достижение «идеала» занимает больше времени.

Уроки модели:

· В отличие от алгоритма случайных блужданий, алгоритм «мутации + отбор» (или «избирательное размножение удачных вариаций») позволяет найти любую точку в «белковой вселенной»

· Необходимое условие: поиск должен начинаться из такой области «вселенной», в которой уже чувствуется «притяжение» данного оптимума приспособленности (т.е. функция, для выполнения которой лучше всего подходит данная «идеальная» последовательность, должна хоть чуть-чуть выполняться всеми белками, находящимися в этой области). В пределах этой области приближение к «идеалу» поддерживается отбором, удаление – карается.

· Существует оптимальная скорость мутирования.

· Если скорость мутирования выше оптимума, эволюционирующая последовательность будет блуждать на некотором (примерно постоянном) расстоянии от «идеала». Расстояние зависит от баланса (соотношения) темпов мутирования и эффективности отбора.

· Если скорость мутирования ниже оптимума, эволюционирующая последовательность достигнет «идеала», но ей потребуется на это больше времени.

Итак, мы поняли, что алгоритм «мутации + отбор» - очень мощный. Осталось выяснить, выполняется ли условие, отмеченное на слайде.

Белковая Вселенная. Напомню: мы представляем себе функциональные белки в виде светлых точек, бессмысленные, нефункциональные последовательности – в виде черных. Насколько точно нужно подобрать аминокислотную последовательность белка, чтобы белок пусть плохо, но все-таки справился с той или иной полезной функцией? Иначе говоря, насколько часто в гигантском пространстве белковой вселенной встречаются белки, способные выполнять какие-то полезные (для живых организмов) функции, и насколько велики облака света, соответствующие разным функциям?

Если бы «островки функциональности» встречались очень редко и были бы очень маленькими и изолированными, если бы они были отделены друг от друга бескрайними темными пространствами, то жизнь на белковой основе, скорее всего, оказалась бы невозможной.

Однако реальная белковая вселенная не такова.

Есть два серьезных аргумента в пользу того, что в «белковой вселенной» очень много света и светлые отровки велики и не изолированны друг от друга.

1) Аргумент первый: синтез случайных коротких пептидов (по неск. дестяков аминокислот) – практически все основные функциональные группы, соответствующие так называемым «надсемействам» белков. В том числе - все базовые типы каталитической активности. Эффективность этих «микроферментов» мала, но это уже не важно: механизм естественного отбора прекрасно умеет постепенно доводить до совершенства любую существующую функцию.

2) Аргумент второй: практически все известные функциональные белки допускают оргомную вариабельность своей аминокислотной последовательности. Иными словами, чтобы хорошо выполнять какую-то функцию, белку не нужно иметь какую-то строго определенную последовательность аминокислот. Мы можем в этом убедиться, сравнив белки с одинаковой функцией, взятые у разных организмов.

Рассказать про ГЕНБАНК и БЛАСТ. Цитохром С. Человек и бык, человек и растение, человек и бактерия

Вывод: чтобы быть функциональным, рабочим цитохромом С, белку вовсе не обязательно иметь какую-то строго определенную аминокислотную последовательность. Достаточно иметь некий небольшой и довольно расплывчатый аминокислотный «мотив», определяющий структуру активного центра. В пределах сверхгромадной белковой вселенной существует меньшая, но все равно громадная область, соответствующая функциональным цитохромам С.

Пересадки: Может быть, эти разные цитохромы С приспособлены к своим организмам, к своему молекулярному окружению? Отчасти – да, но многочисленные опыты по пересадкам показывают, что этим можно объяснить лишь небольшую часть вариабельности. Как правило, пересаженные белки нормально работают в других организмах.

Пример 1: PAX6 (мышиный ген пересадили в мушиный эмбрион, и он сработал: вызвал развитие глаза).

Пример 2: Антифризы пересадили из рыб в помидоры.

Таким образом, аминокислотную последовательность белка можно менять в очень широких пределах, не нарушая его функции. Это означает, что белки толерантны к мутациям. Многие мутации, меняющие белок, не вредят его функциональности (или вредят лишь слабо).

В этом проявляется одно из важнейших свойств биологических систем: помехоустойчивость, способность противостоять всевозможным помехам.

Существует два главных типа помех, с которыми живым существам приходится сталкиваться постоянно. Это, во-первых, помехи внутренние – мутации, во-вторых, помехи внешние – изменения среды. Ни того, ни другого невозможно избежать.

Неустойчивые системы обязательно будут отсеиваться отбором. Рост помехоустойчивости живых систем – одно из абсолютно неизбежных следствий естественного отбора.

Важно, что, повысив устойчивость к какому-то одному типу помех, мы, как правило, автоматически повышаем устойчивость и к другим видам помех. Простейший пример: плотные кожные покровы защищают от высыхания, делая организм устойчивым к перепадам влажности. Но они одновременно защищают и от паразитов и патогенных микробов, проникающих через покровы, и от физических повреждений. Что касается белков, то про них, например, известно что устойчивость к мутациям тесно связана с устойчивостью к перепадам температур. Для белка «устойчивость» - это прежде всего устойчивость его пространственной конфигурации (того, как цепочка аминокислот сворачивается в рабочую трехмерную структуру). Если эта структура устойчива к мутациям, то она, скорее всего, будет устойчива и к перепадам температуры, и наоборот. Таким образом. вырабатывая частное приспособление для защиты от каких-то одних помех, живая система, как правило, автоматически приобретает более универсальную защиту от более широкого круга помех.

------------------------------------------------

В связи с помехоустойчивостью уместно обсудить еще одно важнейшее свойство живых систем – изменчивость. Очень важная логическая связка: от помехоустойчивости к изменчивости, от изменчивости – к эволюционной пластичности, к способности организмов приспосабливаться к новым условиям.

· Изменчивость - основополагающее свойство живых систем. За редкими исключениями, все живые организмы – разные, в том числе генетически, по своим наследственным свойствам (об этом важно помнить, потому что без этого не понять, как все устроено в жизни. Этого обычно не понимают по психологическим причинам).

· Основной источник изменчивости – мутации, не отсеиваемые немедленно отбором, то есть нейтральные или слабовредные (слабополезные встречаются намного реже).

· Изменчивость логически тесно связана с помехоустойчивостью. Благодаря помехоустойчивости многие мутации не приносят большого вреда, то есть являются нейтральными. Отбор их не отсеивает, и они могут накапливаться. Помехоустойчивость способствует накоплению нейтральной изменчивости, в том числе так называемой «скрытой» изменчивости. То есть изменчивости, которая в данных условиях не влияет на приспособленность, но если условия изменятся, эта изменчивость может оказаться важной для выживания и размножения.

· Выход из строя специальных механизмов поддержания помехоустойчивости может привести к взрывообразному росту видимой изменчивости.

· Накопленная изменчивость делает организмы «эволюционно пластичными», то есть способными быстро приспосабливаться к новым условиям.

Нужно пояснить пункт о «механизмах» поддержания устойчивости.

Под действием отбора развиваются специальные адаптации (приспособления) для повышения помехоустойчивости. Мы рассмотрим два примера таких адаптаций – регуляторные контуры с отрицательной обратной связью и белки-шапероны.

Это пример регуляторного контура с отрицательной обратной связью.

ШАПЕРОНЫ. У всех живых организмов есть особые белки – шапероны, функция которых состоит в том, что они помогают другим белковым молекулам принять «правильную» трехмерную конфигурацию. Трехмерная структура белков может быть нарушена из-за мутаций в генах, кодирующих эти белки, или, например, из-за перегрева (теплового шока). Шапероны одинаково эффективно справляются с обоими видами помех: и с мутационными, и с температурными. Ведь результат у них один и тот же: неправильная трехмерная конфигурация белковых молекул.

Как шапероны опознают не свернутые или неправильно свернутые белковые молекулы? Они опознают их, в частности, по торчащим наружу гидрофобным участкам. У большинства правильно «упакованных» белков гидрофобные участки находятся внутри глобулы. Это основной принцип их сворачивания. Но если из-за мутации или перегрева белок не смог сам свернуться в правильную глобулу, шапероны узнают их по торчащим гидрофобным участкам. Шаперон присоединяется к таким белковым молекулам и сжимает их, как тисками, используя для этого энергию АТФ. Во многих случаях это приводит к тому, что даже мутантный белок, не способный самостоятельно принять нужную конфигурацию, в итоге оказывается свернутым правильно и может выполнять свою функцию. Таким образом, нормально работающие шапероны не дают проявиться многим потенциально вредным (а иногда и потенциально полезным) мутациям других белков.

Существование шаперонов не дает многим мутациям проявится, и такие мутации накапливаются, формируя запас «скрытой изменчивости».

У животных и растений один из главных шаперонов называется Hsp-90 (от heat shock protein). Установлено, что мутации, нарушающие работу Hsp90, приводят к дестабилизации развития у животных и растений, что проявляется в многочисленных аномалиях и уродствах. В основном эти аномалии представляют собой проявления «скрытой изменчивости», то есть мутаций, которые уже существовали в данной популяции, но не проявлялись, пока Hsp90 работал нормально. Благодаря нормальной работе Hsp90 эти мутации не подпадали под действие отбора и могли спокойно накапливаться.

---------------------------------------------------

Еще один пример исследования, в котором было продемонстрировано дейстиве механизмов устойчивости к мутациям. Шведские генетики в 2005 году создали генно-модифицированных бактерий – сальмонелл, у которых скорость мутагенеза можно было искусственно увеличить, просто добавляя в среду совершенно безвредное вещество – сахар арабинозу.

Кстати, как это можно сделать? – вставить в геном бактерии ген склонной к ошибкам ДНК-полимеразы и присоединить к нему энхансер, регуляторную последовательность, чувствительную к какому-то веществу, например, арабинозе.

После этого следили за накоплением мутаций в геномах этих бактерий и за тем, как эти мутации сказываются на приспособленности. Приспособленность у бактерий обычно определяют просто по скорости размножения. Вредных мутаций всегда возникает больше, чем полезных, поэтому бесконтрольное накопление мутаций у бактерий с повышенной скоростью мутагенеза должно вести к снижению приспособленности. Поначалу так оно и было: первые несколько десятков мутаций вели к быстрому снижению приспособленности. Но потом произошла удивительная вещь: мутации продолжали накапливаться, а вот снижение приспособленности очень резко замедлилось. Как будто вновь возникающие мутации вдруг перестали быть вредными. В чем дело? Оказалось, что бактерия, отягощенная большим количеством вредных мутаций, в какой-то момент начинает производить в большом количестве... ВОПРОС К ЗАЛУ: догадайтесь, что начинает бактерия производить в больших количествах, когда груз вредных мутаций становится значительным?

- белки-шапероны. Шапероны помогают мутантным белкам правильно свернуться и тем самым компенсируют, сглаживают вредный эффект многих мутаций. Бактерии начинают вырабатывать много шаперонов, и дальнейшее накопление потенциально вредных мутаций перестает приводить к такому быстрому снижению приспособленности, как вначале. Это пример экспериментальной демонстрации роли шаперонов в повышении устойчивости организма к мутациям.

-------------------------------------------------

Повторение тезисов по помехоустойчивости и изменчивости

Живые существа в целом и отдельные их блоки (подсистемы), как правило, обладают высокой «помехоустойчивостью». Это значит, что многие случайные «помехи» (внутренние — мутации, или внешние — колебания условий среды) тем или иным способом компенсируются и не приводят к снижению приспособленности, то есть не вредят организму. Естественный отбор поддерживает развитие адаптаций (приспособлений), повышающих устойчивость организма к «помехам», в частности, к потенциально вредным мутациям.

Помехоустойчивость ведет к тому, что в популяции свободно накапливаются мутации, которые до поры до времени не оказывают заметного влияния на приспособленность (остаются «нейтральными») или даже вовсе не проявляются в фенотипе, то есть в строении организма. Но если какой-то из механизмов, обеспечивающих помехоустойчивость, выйдет из строя, вся эта накопленная скрытая изменчивость может внезапно «выйти наружу», и тогда в популяции произойдет всплеск видимой (явной) изменчивости.

Скрытая изменчивость может играть важную роль в эволюции, помогая популяциям приспосабливаться к новым условиям. Некоторые мутации, бывшие нейтральными в прежних условиях, могут оказаться полезными при изменении среды. Чем больше таких мутаций накопилось в генофонде популяции, тем больше шансов, что хоть какие-то из них «пригодятся» в новых условиях.

Таким образом, отбор, «пытаясь» сделать организмы устойчивыми, делает их пластичными.

------------------------------------------------

Домашнее задание: Доделать словарь из 30 слов; сегодня мы разберем вкратце те термины, которые еще не разбирали на лекциях. Глава 7 «Управляемые мутации» из кн. «Рождение сложности».

Дата добавления: 2014-11-29