Естественные технологии биологических систем - Уголев Александр Михайлович - Страница 45

Итак, в состав ядов змей, насекомых, амфибий и многих других организмов входят известные ферменты и физиологически активные вещества, выполняющие регуляторные или функциональные нагрузки. В этом случае одни и те же сигналы, переходя из одной системы в другую, участвуют в реализации не только

разных, но подчас совершенно экзотических функций. Это же справедливо для перемещения одних и тех же гормонов из желудочно-кишечного тракта в мозг, железы внутренней секреции и т.д. При новой локализации гормон может выполнять роль нейротрансмиттера, а нейротрансмиттер — гормона.

Функционально неполяризованные и неспециализированные клетки характеризуются равномерным распределением каналов и насосов, благодаря чему создается наиболее равномерный и экономичный поток веществ из клетки в клетку. Однако в специализированных клетках, реализующих всасывание, наблюдается поляризация и распределение каналов и насосов так, что первые обращены в полость, из которой происходит всасывание, а вторые взаимодействуют с внутренней средой. По мнению многих исследователей, этого достаточно для обеспечения однонаправленного потока воды, натрия, нутриентов и т.д. В секреторных клетках насосы и каналы сосредоточены в области базолатеральной мембраны, которая осуществляет нутритивные функции.

Можно представить, что разные типы функциональной сцециализации в ходе эволюции или индивидуального развития связаны с транспозицией каналов в пределах клетки. Существуют данные о возможности перемещения блоков, характерных для одного типа внутриклеточных органелл, в другие органеллы. Например, Са²⁺, Мg²⁺-АТФаза — типичный насос эндоплазматической сети — может быть обнаружена в клеточной мембране. При сохранении функциональной топографии клетки, например кишечной, достаточно включения механизмов секреции Сl^- на апикальной мембране, чтобы превратить механизм, обеспечивающий всасывание воды и солей, в механизм их выделения. Изменение направления потоков воды и солей, которое, в частности, наблюдается при диарее различной этиологии, имеет место также в органах, реализующих удаление избытка солей, а именно в солевых железах и жабрах.

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.

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: