Естественные технологии биологических систем - Александр Уголев

Однако «функциональные» соображения и данные относительно локализации некоторых насосов, использующих энергию АТФ, в апикальной мембране позволяют предположить, что в последней также будет обнаружен П-3. Особенно большое количество этого белка скорее всего может быть выявлено в обкладоч-ных клетках желудка, в апикальной мембране которых находятся мощные протонные насосы, обеспечивающие выделение в полость этого органа соляной кислоты. Ясно также, что П-3, первоначально интерпретированный как специфический белок мембраны эритроцитов, в действительности представляет собой универсальный блок, как эго было показано в прямых экспериментах.

Следующая важная функция внутриклеточного домена П-3 — связывание с белком 4.1 (полоса 4.1 при электрофорезе) и анкирином. Оба эти белка служат посредниками во взаимодействии основных элементов цитоскелета — актина и спектрина с клеточной мембраной. Эта функция определяет многие функциональные и структурные свойства клетки, в частности ее форму.

Наконец, для понимания функций эритроцитов существенна способность П-3 заякоривать вблизи мембраны молекулы гемоглобина. При этом сродство окисленного и восстановленного гемоглобина к П-3 различно. В целом наличие якорной функции у П-3 значительно меняет представления о многих свойствах клеток и в особенности о свойствах внутренней поверхности клеточной мембраны.

Наконец, уже давно обращалось внимание на то обстоятельство, что адсорбция и десорбция ферментов с клеточных структур — один из механизмов регуляции свойств клетки. Теперь ясно, что существуют специальные функциональные блоки, способные специфически контролировать адсорбцию и десорбцию ферментов. Открытие блоков, подобных П-3, часто служит причиной пересмотра многих устоявшихся взглядов.

Вопрос. Как формирование сложных молекулярных машин, которые состоят из нескольких частей, или доменов (например, ионные насосы — АТФазы), объясняется в свете концепций универсальных функциональных блоков и теории физиологической эволюции?

Ответ. Существование сложных молекулярных, точнее, надмолекулярных машин находит объяснение. Оно зависит от тех случаев, при которых сочетание элементарных операций дает важный биологический эффект. Этот эффект не достигается простым суммированием эффектов элементарных операций, осуществляемых независимо. Например, можно упомянуть, что почти все элементы цикла Кребса — главного энергетического «котла» организмов, использующих кислород, существовали уже у анаэробов, у которых они выполняли другие функции. Сочетание таких элементов в виде цикла Кребса обеспечило поразительно высокую эффективность аэробного дыхания и постепенную аккумуляцию свободной энергии в виде макроэргической связи в АТФ. На определенном этапе цикл Кребса стал эволюировать как единое целое. По-видимому, мутации, которые могли бы модифицировать его, были чрезвычайно невыгодны.

Точно так же сформировавшиеся ион-транспортирующие АТФазы (ионные насосы) настолько связаны с их интегральным эффектом, что сохранились как единое целое. В то же время составляющие их элементы в ходе эволюции были элиминированы. Может быть, в будущем будут обнаружены древние функциональные блоки, вошедшие в состав различных насосов.

Вопрос. Складывается впечатление, что в свете концепции универсальных функциональных блоков эволюция происходит исключительно на основе их рекомбинации, а не эволюции. Так ли это?

Ответ. Лишь на первый взгляд кажется, что идея эволюции на основе рекомбинации универсальных функциональных блоков отрицает эволюцию вообще. Это неверно, ибо неизменность элементов не означает отсутствие изменений более сложных систем, в которые эти элементы входят как составные части. Кроме того, нельзя полностью исключить, что в ходе длительной эволюции может происходить некоторое изменение и самих функциональных блоков (или их частей), что приводит к формированию новых функциональных блоков. Так, несомненный интерес представляют недавно полученные данные о гомологии β-лактоглобулина, ретинолсвязывающего белка плазмы крови и белка НС (Science. 1985. Vol. 228. P. 335-337). Эти белки, различные по локализации, имеют большое сходство в первичной структуре и осуществляют сопряженные функции. Так, ретинолсвязывающий белок крови участвует в транспорте витамина А, β-лактоглобулин молока облегчает всасывание этого витамина, а белок НС принимает участие в экскреции метаболитов ретинола.

Следовательно, из общего предшественника возникло семейство родственных функциональных блоков. Вместе с тем рекомбинация блоков чувствуется и в этом случае. По-видимому, одним из важных путей эволюции является вариабельность так называемых функционально незначимых участков белков. Эти участки на определенных этапах эволюции могут приобретать неожиданное функциональное значение, что интерпретируется как преадаптация. Имеет значение еще один путь эволюции функциональных блоков — их первичная транспозиция с экспрессией в другом органе и далее быстрая вариабельность дуплицированного гена.

Вопрос. Существуют ли механизмы, обеспечивающие тонкие адаптивные перестройки на основе универсальных функциональных блоков?

Ответ. Изменение соотношений различных функциональных блоков уже само по себе обеспечивает возможность широкого спектра адаптивных перестроек системы, состоящей из таких блоков. Например, при изменении распределения нескольких блоков в различных частях клетки ее функции могут меняться от секреторной к всасывательной; клетка может обеспечивать увеличение избирательного транспорта одних веществ на фоне уменьшения других и т.д. Однако в настоящее время очевидно, что существует несколько дополнительных механизмов, которые позволяют получать эффекты «подгонки» молекулярных машин. Один из таких механизмов — система процессингов уже готовых синтезированных функциональных блоков. Это достигается несколькими путями. Один из наиболее распространенных — введение в белковые структуры углеводных цепей, которое осуществляется в аппарате Гольджи. Именно от углеводных компонентов белка зависят многие особенности, в том числе видовые и органные. Это было продемонстрировано, в частности, для мембранных ферментов клеток почечных канальцев, а также для щеточнокаемных ферментов тонкой кишки новорожденных и взрослых животных.

Вопрос. Существуют ли различия между представлениями о функциональных блоках, доменах, модулях, функциональных единицах, структурно-функциональных единицах и т.д.?

Ответ. Ранее неоднократно отмечалось, что в основе организации функций и процессов в живых системах лежит фундаментальный принцип блочности. Естественно, что этот принцип так или иначе проявляется в различных исследованиях и описывается под разными терминами, в частности под упомянутыми выше. Функциональные блоки универсальны, но могут участвовать в различных процессах. Например такие, казалось бы, далекие процессы, как осморегуляция у рыб и проведение нервного импульса у млекопитающих, реализуются идентичными функциональными блоками.

Принцип блочности справедлив как для субклеточного и клеточного уровней, так и для более высокого уровня организации, например для организма или надорганизменных систем. Можно говорить о функциональных блоках различных порядков, но можно давать им различные названия. Так, относительно недавно было продемонстрировано, что фермент состоит из блоков или, как их часто называют, модулей, или доменов (см. гл. 2).

Вопрос. Обязательны ли побочные эффекты лекарственных препаратов в свете новейших достижений фармакологии?

Ответ. Побочные эффекты лекарственных веществ — крайне неприятное следствие универсальности функциональных блоков. Побочные эффекты, например, сердечных препаратов на почки, пищеварительный аппарат или нервную систему отражают тот простой факт, что сходные функциональные блоки в больших или меньших количествах локализованы в клетках всех типов. Новые находки подтверждают эту точку зрения. Так, недавно (Science. 1985. Vol. 228. P. 337—339) было показано, что циклоспорин А, один из наиболее мощных иммуносупрессивных агентов, необходимых для предупреждения отторжения пересаженных органов (сердца, почек, печени и т.д.), служит одновременно чрезвычайно эффективным средством против многих заболеваний. К таким заболеваниям относятся не только аутоиммунные, но и инфекционные болезни, например малярия и шистосомиаз. Последнее затрагивает около 1 млрд. человек. В основе такого широкого спектра действия циклоспорина А лежит его взаимодействие с кальмодулином. Если это так, то ясно, что указанный агент действует не только на лимфоциты, но и на все клетки и ткани организмов самых различных групп, поскольку присутствие у них кальмодулина доказано (см. гл. 5). Однако чувствительность к этому агенту у разных организмов, тканей и клеток отличается во много раз или даже порядков.