Естественные технологии биологических систем - Александр Уголев

Недавно появилось сообщение о существовании молекул специального типа, направляющих развитие клеточных структур в пространстве. Интересно, что технологический анализ биологических процессов позволяет высказать правдоподобное предположение относительно участия функциональных блоков определенного типа в анализе процесса и далее проверить такое предположение экспериментально.

Вопрос. Может ли открытие неизвестных в настоящее время функциональных блоков существенно изменить представления о технологии и структурнофункциональной организации биологических систем?

Ответ. Как было отмечено ранее, некоторые недавно открытые функциональные блоки представляют собой комбинации блоков уже известных типов. Но нельзя исключить, что открытие неизвестных до сих пор функциональных блоков повлияет на понимание процессов, реализуемых живыми системами. Ярким примером служит белок мембраны эритроцитов, получивший на основании электрофоретических характеристик название «полоса 3» (П-3). Недавно сделан детальный обзор структуры и функций этого белка (Biochim. biophys. acta. 1986. Vol. 864. P. 145—167). Такой функциональный блок привлек внимание прежде всего в связи с тем, что он составляет около 25 % общего количества белка мембраны эритроцитов и присутствует в одной клетке в виде миллионов копий. Он обладает молекулярной массой 90 000—100 000 дальтон, пронизывает мембрану и имеет сложную внутриклеточную часть, или домен (рис. 47 и 48). Недавно стали понятны его основные функции, точнее, группы функций. Так, трансмембранная часть этого блока катализирует обмен неорганических анионов (особенно Сl- и НСО3-) через мембрану, а также участвует в транспорте воды. Далее, этот блок содержит антигенные детерминанты, в том числе в группах кровп А, В и О, а также резус-антиген. По всей вероятности, ой важен для опознавания стареющих и ненормальных клеток. Наконец, еще одна исключительно важная функция — связывание различных цитоплазматических белков, в том числе белков клеточного скелета.

Рис. 48. Схема цитоплазматической части, или домена, белка «полоса 3» мембраны эритроцита человека.

1 — мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — белок «полоса 3»; 4 — цистеиновый кластер; 5 — регулируемая область; 6 — участок связывания анкирина; 7 — участок (участки) связывания иммуноглобулина G; 8 — триптофановый кластер; 9 — ферменты, тельца Хейнца, участок связывания гемоглобина.

Мы обратили внимание лишь на некоторые стороны этой принципиально важной группы функций, которую можно было бы обозначить как цепторную функцию, а функциональный блок, выполняющий ее, отнести к группе цепторов.

Внутриклеточный домен белка П-3 благодаря функции связывания обеспечивает пространственную организацию многих функций мембраны и клетки в целом, структурные связи внутри нее и т.д. В частности, П-3, по-видимому, связывает многие ферменты, участвующие в гликолитическом цикле, и тем самым обеспечивает: 1) пространственную организацию цикла, 2) взаимодействие с субстратами, поступающими через мембрану, 3) эффективную передачу АТФ на АТФ-энергизируемые насосы. Все это крайне важно, так как ранее считалось, что большинство ферментов гликолитической системы пространственно не организовано. Точно так же до сих пор не было ясно, почему именно энергия гликолиза особенно необходима для реализации активного транспорта. Теперь можно полагать, что такая связь обусловлена пространственной и функциональной интеграцией гликолитических ферментов с мембранными АТФазами. Поэтому уже не кажется удивительным, что в клетках почечных канальцев П-3 локализован в базолатеральной мембране.

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.