Experimentální doklad evoluční historie proteinů  
Mutace jedné aminokyseliny změní desaturázu na peroxidázu, což potvrzuje evoluční vznik desaturáz z oxidáz.

 

Zvětšit obrázek
Peroxidáza rubrerythrin.

Občas se najdou lidé, co mají problém se vznikem evolučních novinek na molekulární úrovni. Ve skutečnosti vznikají zcela nové záležitosti úplně dětsky snadno. Triky na molekulární úrovni v současné přírodě dělají většinou proteiny. Každý takový protein je vlastně skládačka 20 běžných a několika nestandardních stavebních dílků - aminokyselin, které mají rozličné vlastnosti. Konkrétní uspořádání aminokyselin vytváří funkci dotyčného proteinu. Zároveň se proteiny vyrábí molekulárním mechanismem s pamětí, který není neomylný a občas dělá chyby.

 


Když tohle dáme dohromady, tak by bylo šíleně divné, kdyby žádné novinky na molekulární úrovni nevznikaly. Byl by to nesmysl. Každá změna řetězce aminokyselin, jeho prodloužení, zkrácení nebo výměna jedné či většího počtu aminokyselin pochopitelně změní podobu a tím i funkci výsledného proteinu. Někdy je ta změna jenom nepatrná, protože některé aminokyseliny jsou si svými vlastnostmi hodně podobné. Někdy je ta změna likvidační a protein je k ničemu. Anebo se stane, že se nějak změní funkce stávajícího proteinu a tím pádem vznikne protein nový. Často k tomu dojde u proteinu, jehož gen se někdy předtím namnožil. Změna tak lišácky postihne jen kopii a původní funkce se může zachovat.

 


Je jasné, že taková evoluční novinka, zcela nová informace, která tu nikdy předtím nebyla, představuje „jenom“ novou kombinaci stavebních aminokyselin, často jen velmi málo odlišnou od rodičovského proteinu, ze kterého vznikla. Je to ale naprosto v pořádku, jinak to nejde, proteiny jsou pouhé skládačky aminokyselin. Vzhledem k tomu, že veškerý život na Zemi má společného předka, který vlastnil omezený počet proteinů, je zřejmé, že dnes známé proteiny by mělo být možné pospojovat do příbuzenských linií.

 

Zvětšit obrázek
Ricinová desaturáza.

U proteinů se stejnou funkcí to není nic těžkého. Jak ale jdeme hlouběji do minulosti a pokoušíme se určit příbuzenského vztahy méně podobných proteinů, tak se pochopitelně objevují obtíže. Informaci o příbuzenských vztazích uloženou v DNA totiž neustále přemazávají náhodné mutace. Naštěstí existují i jiné molekulární znaky, než prostá sekvence bází genu pro dotyčný protein. Předvádí je švédsko-americký tým molekulárních biologů vedený Johnem Shanklinem, který svým výzkumem experimentálně potvrdil příbuzenský vztah mezi dvěmi rodinami proteinů – desaturázami a oxidázami.

 

Když před 2,5 miliardami let začaly první sinice vypouštět do atmosféry kyslík, způsobily tím strašlivou globální katastrofu. Kyslík je ve skutečnosti nebezpečné reaktivní svinstvo a tehdejší bakterie na něj nebyly zvyklé. Ve zmatku divokého vymírání se ale našly bakterie, co šťastnými mutacemi vytvořily z nějakých obdobných stávajících proteinů jednoduché oxidázy. Oxidázy dovedou zkrotit reaktivní formy kyslíku pomocí protonů za vzniku vody. To byla naprostá evoluční trefa a dotyčné bakterie se s podporou přírodního výběru pekelně rozšířily. Jejich potomky jsme koneckonců z určité části i my.

 

V moderních organismech řídí chemii kyslíku složité biosyntetické proteiny, jenž mají s jednoduchými oxidázami jen pramálo společného. Jejich celková sekvence DNA je dost odlišná. Přesto se již déle vědělo, že v oblasti aktivního centra, kde dochází k příslušným katalyzovaným chemických reakcím, sdílejí určité podobnosti v sekvenci DNA a struktuře. Oba typy enzymů mají v aktivním centru dva atomy železa ukotvené obdobným způsobem.
Autoři v předcházející studii provedli krystalografické analýzy aktivních center jednoduché peroxidázy a moderní ricinové desaturázy, která ve skočci (Ricinus communis) lstivě používá lapené kyslíkové radikály k odštěpení dvou protonů z mastných kyselin.

Zvětšit obrázek
Skočec, Ricinus communis. Krom jiného biologická zbraň pro začátečníky.

Jejich srovnání ukázalo, že jsou si překvapivě velmi podobné, až na jednu nápadnou záležitost. Peroxidáza má v jedné konkrétní pozici - poblíž místa vázání kyslíku - kyselou aminokyselinu - kyselinu glutamovou (Glu), kdežto ricinová desaturáza má v tom místě threonin (Thr), čili aminokyselinu s hydroxylem na postranním řetězci. Kyselina glutamová v peroxidáze poskytuje protony pro syntézu vody, threonin nic takového nedělá.

 

Situace dozrála k zajímavému experimentu. Badatelé zmutovali desaturázu, přičemž ji na příslušné pozici 199 nahradili threonin kyselinou asparagovou (Asp).

Zvětšit obrázek
Aktivní centrum mutantního proteinu T199D. Dvě větší oranžové kuličky jsou atomy železa, dvě .malé červené kuličky jsou vody, zmutovaná aminokyselina ční od nich nalevo dole.

Tato jediná mutace měla přesně dle předpokladů dramatický účinek. Mutantní protein T199D má v porovnání s původní ricinovou desaturázou 2000krát horší desaturázovu aktivitu a naopak 31krát lepší aktivitu oxidázovou. Následné krystalografické analýzy ukázaly, že kyselina asparagová sedí v ideální pozici pro poskytování protonů při vázání kyslíku.

 

Fakt, že pouhá jedna změna v sekvenci několika set aminokyselin dramaticky mění funkci jednoho proteinu na druhý, výrazně odkazuje na jejich společný původ. Tímto je experimentálně potvrzeno, že desaturázy velmi pravděpodobně vznikly evolucí z oxidáz. Postupně bude možné, při omezeních daných fylogenetickou informací, která nám zbyla do dneška, zrekonstruovat příbuzenské vztahy všech dalších proteinů.

 

Zmíněné oxidázy pochopitelně nevznikly ze vzduchu, ale evoluce je uvařila obdobným způsobem z jiných proteinů. Tak se postupně táhne historie jednotlivých rodin proteinů až do společného předka všeho živého. A od něho ještě dále, až do chvíle, kdy život najel na používání prvních, tehdy jednoduchých a nešikovných proteinů.


Pramen: PNAS

 

Datum: 07.11.2006 08:44
Tisk článku

Transevoluce - Scholastická evoluce druhů a člověka - Hájek Tomáš
 
 
cena původní: 220 Kč
cena: 191 Kč
Transevoluce - Scholastická evoluce druhů a člověka
Hájek Tomáš
Související články:

Podle geologů žijeme v období slepicénu     Autor: Stanislav Mihulka (15.12.2018)
Může být „evoluční lenost“ výhodou? Za řady podmínek ano.     Autor: Jaroslav Flegr (03.08.2018)
Motýli se vyvinuli až když na Zemi byly květiny. A nebo to bylo jinak?     Autor: Josef Pazdera (14.01.2018)
Ankylosaurus reloaded     Autor: Vladimír Socha (19.10.2017)
Proč ptáci nemají zuby?     Autor: Josef Pazdera (04.10.2017)



Diskuze:

Drobná změna sekvence kódu

Ccecil,2006-11-08 08:16:29

Jo, pěkný článek. A když jsme u toho, tak si vzpomínám, jak jako programátor blahé paměti cca před 12 lety jsem se účastnil jednoho blíže nespecifikovaného projektu pro jedno ministerstvo. Potřebovali jsme naprogramovat co nejrychleji jednu vlastnost. Komise už byla na cestě a bylo na to jen pár hodin. Kolega vzal již hotový programový blok, pominul většinu jeho částí a poměrně drobnou změnou v jeho kódu úplně změnil jeho vlastnosti tak aby vyhovoval našim pořebám. Vše fungovalo ke spokojenosti všech. Ještě, že ta evoluce existuje, protože jinak nevím, co bychom si počali.

Odpovědět


...

Pan Býček,2006-11-08 17:43:35

Pane kolego programátore, jestli vy nás trochu nehoupete :-D
Těžko byste udělal -řekněme- engine nějaké počítačové hry změnou jediného příkazu v programu na vedení účetnictví ;-)

Odpovědět


Jejda, to se snad dalo takto pochopit?

Ccecil,2006-11-08 21:46:22

Opravdu pane kolego programátore, neustále mne dokáže překvapovat, co si kdo dokáže za co dosadit, že. A pak se divíme, proč je na světě toliko nepochopení.
Jen tak pro pořádek, nejednalo se ani vzdáleně o účetnictví a pokud jste to takto pochopil, pak... na čem že to nyní pracujete? ;o)))

Ostatně programátoři si rádi ušetří čas a proč by programovali něco, co už je naprogramováno? Ruku na srdce, to jste nikdy neudělal? Není mnohem jednodušší vzít celou knihovnu, jednu funkci upravit a celé dokompilovat i s balastem? Místa je dost a nějaký kompaktní kód není zapotřebí. Jak prosté a jak účinné. A z oxidázy je náhle reduktáza, kteréžto se nikterak diametrálně neliší, až na ty účinky. Prostě je to evoluce.

Odpovědět


...

Pan Býček,2006-11-09 10:30:07

Pane kolego, když vy se vyjadřujete tak nejasně, že vás každý chápe úplně jinak. Tady na oslu jsem si toho všiml už několikrát.
Já třeba z vašich příspěvků mám dojem, že vůbec nechápete jak taková evoluce probíhá. V tomhle článku od pana Mihulky to máte popsané dost výstižně a pochopitelně. Život nikdo "neprogramuje" s nějakým cílem. Každý živý tvor je trochu odlišný, s nějakými unikátními vlastnostmi, a teprve v konfrontaci s přírodním výběrem se ukáže, která vlastnost je výhodná, která méně a která vůbec.

Odpovědět


Co je nejasného?

Ccecil,2006-11-09 13:22:56

Co je nejasného na tom, co jsem napsal? S prominutím pochopit to tak, že změnou jedné instrukce se z účetnictví stane engine na hry.....to vyžaduje opravdu notnou dávku nepochopení. Ale já spíš předpokládám záměr a pokus vše zesměšnit. Moc se vám to nepovedlo. Je tohle dost jané?

Odpovědět


špatný pokus ...

SM,2006-11-10 11:01:28

Směšný je tu Ccecil svým zoufalým pokusem zesměšňovat. Evoluce by ten váš problém vyřešila takhle: Namnožila by stávající program a jednotliví potomci prográmci by mírně lišili. Pak by namnožila ty z nich, kteří by nejlépe řešili daný problém a tak pořád dokola. Předem by nešlo odhadnout, jaké řešení to bude.
Celý můj text ukazuje, že když se dva proteiny liší funkcí, ale zároveň vlastně maličkou změnou, tak k tomu v tomhle konkrétním případě mohlo dojít velmi snadno a rychle.
Ale je mi jasný, že s biblí v krku se špatně dejchá :)

Odpovědět


SM

Ccecil,2006-11-11 09:32:05

ty jsi to nepochopil. ;o)))))) To je ale úplně normální.

Odpovědět


Nechtělo se mi, ale přece..

Ccecil,2006-11-11 10:03:41

SM, v tvém pojetí evoluce totiž narážíš na několik problémů, o kterých se tak trochu nemluví, nebo se bagatelizují. Jde o to, že ta slepá evoluce nemá dostatek času ani prostoru, aby vygenerovala dostatečný počet variant a ty se pak zúčastnily evoluční soutěže. Ani to většinou v reálu nedělá. Ostatně to nemá zapotřebí. Kupodivu se těchto evolučních soutěží velmi často zúčastňují varianty, které mají celkem slušnou pravděpodobnost vyhrát a zároveň nejsou destruktivní k mateřské variantě. Jistě, vznikají i ony, ale je jich reálně mnohem méně, než by statisticky odpovídalo celému spektru možností.

Evoluční soutěž existuje, to nikdo nepopírá. U nových jedinců je zachována kontinuita. Ale evoluční soutěže se neúčastní všechny možné varianty. Nějaký mechanizmus dělá předsoutěžní selekci. Já osobně nevím, je-li to nějaký Bůh, zpětná vazba molekulárních mechanizmů, tarenského samoorganizační pole nebo zelení mužíčkové. Rozdíl mezi námi je pouze v tom, že ty ho nevidíš a bojíš se byť jen náznakem připustit jeho existenci, protože ho nedokážeš uspokojivě vysvětlit. Takže tento efekt raději neexistuje.

Odpovědět

pěkný

ditom,2006-11-07 12:21:42

Moc povedený článek, hodnotím 1. Ten závěr celého experimentu (drastická změna proteinu po mutaci jediného kodónu) je celkem fascinující...

Odpovědět

No vida

Jirka,2006-11-07 09:00:20

Vida, ze tu propagandu jde drzet na uzde. Pekny clanek. I kdyz treba posledni odstavec asi moc podlozeny neni. Presto se mi to libi.

Odpovědět


propaganda :)

SM,2006-11-10 10:50:52

Pokud myslite takovou tu propagandu, že dvě a dvě jsou čtyři, tak to jste se špatně díval, té tam mám plno.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace