6.3.5. Транспозиция функциональных блоков между клетками и органами
Гормоны, продуцируемые клетками желудочно-кишечного тракта, могут также выделяться клетками центральной нервной системы, где они выполняют функции нейромедиаторов и нейромодуляторов. У амфибий некоторые гормоны выделяются клетками кожи и играют роль ядов. Это служит одним из примеров того, как область, где синтезируются вещества, может сужаться и расширяться в ходе эволюции. Рядом исследователей, в том числе в нашей лаборатории, показано, что активный транспорт глюкозы у новорожденных крысят доминирует в дистальном отделе тонкой кишки, а у взрослых животных в этом же отделе он полностью отсутствует и наиболее выражен в проксимальном. Имеются также существенные видовые различия в распределении ферментативных и транспортных активностей вдоль тонкой кишки.
Распределение функциональных блоков между клетками и органами или изменение их соотношения — важный путь эволюции биологических систем, хотя свойства самих блоков могут меняться мало или совсем не меняться.
6.3.6. Рекомбинация функциональных блоков
Один из путей эволюции — объединение функциональных блоков в уникальные по своим свойствам ансамбли, примером которых могут служить транспортные АТФазы. Однако до сих пор неясно, какие функции выполняли блоки, ставшие обязательными компонентами этих сложных молекулярных машин. Другой впечатляющий пример роли сочетаний функциональных блоков представляет собой система, осуществляющая цикл Кребса. Компоненты этой системы возникли в анаэробный период, хотя вся система в целом является наиболее эффективным инструментом использования кислорода. Наконец, как упоминалось, недавно нами получены факты в пользу того, что Nа+-зависимый транспорт глюкозы реализуется с помощью устройства, в котором сочетаются два транспортера — натриевый, выполняющий функцию вторичного энергизатора, и глюкозный, выполняющий трансмембранный перенос глюкозы, а также функцию акцептора энергии. Предполагается, что натриевый энергизатор служит общим блоком для всех видов трансмембранного Na+зависимого переноса, появление которого обеспечило переход от облегченной диффузии на транспортерах к активному транспорту. В пользу такого предположения свидетельствует также то обстоятельство, что Nа+-зависимый транспорт органических веществ в том виде, в каком он существует у высших организмов, имеется лишь у эукариотов. По всей вероятности, формирование новых надмолекулярных комплексов в ходе эволюции представляет собой более редкое событие, чем внутри-или межклеточное перемещение.
Фундаментальная роль рекомбинаций не означает отрицания эволюции функциональных блоков. Наиболее разумным представляется допущение, что в ходе эволюций важны оба механизма эволюции функций:
1) рекомбинация стабильных функциональных блоков;
2) эволюция этих блоков. Введение представлений о коррелятивных ограничениях изменчивости функциональных блоков позволяет понять, в каких случаях действует первый, а в каких — второй механизмы. Если данный признак связан с многими взаимодействиями, его изменения вероятнее всего приводят к нарушению гармоничной системы. Тогда отбор действует как стабилизирующий- фактор и компоненты комплекса в ходе эволюции меняются мало.
При довольно широко распространенном процессе дупликации гена, кодирующего какой-либо функциональный блок, он может выходить из-под контроля стабилизирующего отбора. Так, блок, выведенный за пределы системы, может оказаться ценным по производимым им эффектам (например, по гидролизу определенного типа связей) независимо от того, включен он во взаимодействие с другими компонентами комплекса или нет. Другим примером этой закономерности может служить эволюция различных кислых (карбоксильных) протеаз, которые, мало меняясь в ходе эволюции, участвуют в качестве блоков в реализации различных функций (рис. 40).
Рис. 40. Схема генетических событий в эволюции карбоксильных протеаз.
Размер анцестрального гена, по-видимому, составляет 1/4 настоящего. После дупликации первого гена и слияния, примитивная карбоксильная протеаза, вероятно, содержала две субъединицы. В результате дупликации второго гена и слияния образовался одноцепочечный фермент. Эти гипотетические события обобщены на основе структурной информации, которая показала, что карбоксильные протеазы содержат сходные структурные единицы, организованные в две отчетливо гомологичные доли.
Вероятно, после дупликации гена, контролирующего синтез трипсина (точнее, трипсиногена), мог происходить ряд мутаций. В результате этого свойства образующегося нового продукта в отличие от трипсиногена могли не зависеть от активации энтерокиназой или от способности трипсина активировать химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы и т.д. Судя по всему, благодаря подобным дупликациям гена и следующим за ними мутациям могло возникнуть большое количество сериновых протеаз, выполняющих самые разнообразные функции.
Таким образом, в ходе эволюции сочетаются рекомбинации стабилизированных функциональных блоков и эволюция, подчас быстрая, тех блоков, на которые уменьшается стабилизирующее действие естественного отбора. По всей вероятности, дело не сводится к простой дивергенции исходного и дуплицированного гена. Дивергенция является скорее кажущейся, так как основной ген, включенный в определенную систему, стабилизирован, а меняется чаще всего ген, вырванный из системы.
К сожалению, генетические и физиологические аспекты эволюционного процесса характеризуются неоднозначностью. Имея в виду эти обстоятельства, попытаемся обобщить физиологические аспекты проблемы, опираясь на интерпретацию генетических закономерностей. По-видимому, физиологи должны базироваться на наиболее надежных законах генетики и эволюционной теории. К числу таких законов или закономерностей относятся следующие:
1) эволюция реализуется в результате случайных точечных мутаций, которые осуществляются с определенной частотой;
2) предполагается, что мутации приводят к изменению функциональных характеристик в генных экспрессиях или в собственных мутирующих структурах;
3) нейтральные мутации служат молекулярногенетической основой формирования новых побочных эффектов, которые могут стать материалом последующей селекции.
Частота замещения аминокислот может быть способом измерения времени возникновения двух родственных белков из общего предшественника. Частота замещения аминокислот, с одной стороны, определяется вероятностью мутаций, а с другой — закреплением возникающего замещения в ходе эволюции.
Ряд авторов отметили ограничения в мутационной изменчивости некоторых белков. Так, физиологически значимые участки одних и тех же белков, например инсулина и проинсулина, могут обладать различной эволюционной стабильностью, отличающейся во много раз (табл. 18). Схематизированная структура проинсулина и инсулина представлена на рис. 41.
Средние скорости замещения аминокислот на участок за год у позвоночных
Кожа Кишка Мозг Тахикинины Субстанция Р Субстанция Р (эледозин, физалемин) Физалеминподобные пептиды Физалеминподобные пептиды Церулеин Xолецистокинин/гастрины Xолецистокинин-8 Брадикинины ? Брадикининподоб-ная иммунореактивность Боыбезины Бомбезинподобные пептиды Бомбезинподобные пептиды Ксенопсин Нейротензин Нейротензпн Ангиотензин Ангиотензины Ангиотензины Гормон, освобождающий тиреотропин Гормон, освобождающий тиреотропин Гормон, освобождающий тиреотропин ВИП ВИП ВИП Саувагин ? ? Дерморфин Опиоидные пептиды Опиоидные пептиды