Gdy myślimy o ewolucyjnym powiązaniu między białkami o podobnych sekwencjach a różnych strukturach przestrzennych, natrafiamy na problem. Z jednej strony pomiędzy takimi białkami powinien istnieć szereg możliwych funkcjonalnych białek pośrednich, z drugiej - białek o pośrednich strukturach, a któreś z takich białek musiałoby być rozplątane (bo z punktu widzenia termodynamiki nie wszystkie struktury są dozwolone), a więc nie spełniające żadnej funkcji.
Struktura przestrzenna białek (podobnie jak małych cząsteczek chemicznych, np. metanu, wody itd.) musi pozostawać w zgodzie z termodynamicznymi prawami rządzącymi światem wchodzących w ich skład atomów. Tak więc dla danego białka (które ma określony skład i ułożenie atomów), różne możliwe do wyobrażenia struktury przestrzenne ("konformacje") będą w różnym stopniu prawdopodobne w zależności od tego, jak korzystnie pod względem energetycznym są w nich ułożone atomy. Można nawet przypuścić, że w wąskim zakresie warunków (temperatury, ciśnienia itp.), w jakim dane białko jest spotykane normalnie wewnątrz komórki, będzie ono posiadało jedną konkretną strukturę. Taką właśnie hipotezę wysunął w 1970 r. Christian Anfinsen (1916-1995), noblista z 1972 r., stąd też zwana jest ona "hipotezą Anfinsena". Hipoteza ta przeniknęła do potocznej wiedzy biologicznej: już chyba w gimnazjum po raz mówi się o tym, że każde białko ma określoną formę przestrzenną, która
pośredniczy pomiędzy sekwencją (określoną kompozycją atomową) białka, a jego funkcją (bo to, co białko robi, zależy od jego budowy). Oczywiście wiadomo również, że białka są dość dynamiczne, że mogą się otwierać bądź zamykać, trochę rozciągać lub kurczyć, że ich różne części mogą się ruszać, niemniej jednak podstawowe zręby ich budowy rzeczywiście wydają się być - tak długo, jak białko jest funkcjonalne, nie zdenaturowane - stałe. Potwierdzają to wyniki badań nad strukturą białek metodą krystalografii rentgenowskiej - wystarczy wejść na stronę bazy danych "Protein Data Bank" i zobaczyć którąś z dziesiątków tysięcy szczegółowych wizualizacji budowy przestrzennej białek na poziomie atomowym, by przekonać się, że rzeczywiście białka mają określone struktury, które w dodatku możemy poznać, albo przynajmniej bardzo dokładnie oszacować. Powiązanie pomiędzy sekwencją a strukturą wydaje się do tego stopnia ścisłe, że jeśli dwa białka mają w 40% taką samą sekwencję (tzn. taki procent aminokwasów jest taki sam na odpowiadających sobie pozycjach), to można założyć, że maja one z grubsza taką samą budowę przestrzenną (równocześnie można przypuszczać, że ich geny są powiązane ze sobą historycznie).Struktura przestrzenna białek (podobnie jak małych cząsteczek chemicznych, np. metanu, wody itd.) musi pozostawać w zgodzie z termodynamicznymi prawami rządzącymi światem wchodzących w ich skład atomów. Tak więc dla danego białka (które ma określony skład i ułożenie atomów), różne możliwe do wyobrażenia struktury przestrzenne ("konformacje") będą w różnym stopniu prawdopodobne w zależności od tego, jak korzystnie pod względem energetycznym są w nich ułożone atomy. Można nawet przypuścić, że w wąskim zakresie warunków (temperatury, ciśnienia itp.), w jakim dane białko jest spotykane normalnie wewnątrz komórki, będzie ono posiadało jedną konkretną strukturę. Taką właśnie hipotezę wysunął w 1970 r. Christian Anfinsen (1916-1995), noblista z 1972 r., stąd też zwana jest ona "hipotezą Anfinsena". Hipoteza ta przeniknęła do potocznej wiedzy biologicznej: już chyba w gimnazjum po raz mówi się o tym, że każde białko ma określoną formę przestrzenną, która
I tu pierwsza niespodzianka. W numerze 7. periodyku PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA) z 2008 r. zespół Mathew H. J. Cordesa z Uniwersytetu w Arizonie opisał dwa białka bakteryjne z rodziny Cro (białko Pfl6, pochodzące z organizmu Pseudomonas fluorescens, oraz białko Xfaso1 z organizmu Xylella fastidiosa), które mają właśnie 40% wspólnej sekwencji, a jednocześnie dość znacząco różne struktury. Skoro geny kodujące te białka powiązane są historycznie, to można przypuszczać, że istniał/istnieje cały szereg genów pośrednich między jednym białkiem a drugim. Jaką strukturę mają białka kodowane przez te geny pośrednie? Czy - podobnie jak w przypadku sekwencji - struktury kolejnych stanów różnią się między sobą nieznacznie, tworząc cały szereg struktur pośrednich? Nie, bo struktury nie mogą być aż do tego stopnia "pośrednie". Z punktu widzenia termodynamiki dozwolone są tylko niektóre konformacje. Jeśli białko Pfl6 posiada helisy tam, gdzie Xfaso1 - beta harmonijkę, to białka pośrednie musiałyby częściowo składać się na tym odcinku z helis, częściowo stanowić harmonijkę, a taka mieszanka nie byłaby stabilna i po prostu by się rozplątała (i najprawdopodobniej w ogóle nie rozpuszczała się w wypełniającej komórkę cytoplazmie, a w każdym razie straciła swoją funkcję). Istnienie takich rozplątanych stanów pośrednich jest trudne do wyobrażenia z punktu widzenia teorii ewolucji - żeby gen podlegał selekcji, musi odpowiadać za jakąś funkcję. Powstaje więc paradoks: z jednej strony pomiędzy dwoma białkami powinien istnieć szereg funkcjonalnych białek pośrednich, z drugiej - białek o pośrednich strukturach, a któreś z takich białek musiałoby być rozplątane, a więc nie spełniające żadnej funkcji (pomijam tutaj kwestię tzw. białek wewnętrznie zaburzonych, które są właściwie rozplątane i jednocześnie spełniają funkcję, bo to dość specyficzne przypadki o nietypowej sekwencji). Jak wyjść z tego paradoksu?
Pierwszy sposób: obalając tezę Afinsena. Jeśli mogą istnieć białka posiadające dwie dość różne struktury naraz (tzn. mogące w miarę płynnie przechodzić z jednej w drugą w warunkach fizjologicznych - tak jak cykloheksan może przechodzić z konformacji "krzesłowej" w "łódkową"), to wtedy takie właśnie białka mogłyby stanowić punkty pośrednie między Pfl6 i Xfaso1. Ścieżkę od jednego białka do drugiego można by wtedy wyobrazić sobie jako przejście od białka posiadającego w 100% (albo przynajmniej 99%) strukturę numer 1 do stanu pośredniego, przyjmującego w 50% strukturę 1 i w 50% strukturę 2, i następnie do białka reprezentującego w 99-100% strukturę 2. To przejściem mogłoby być płynne, albo - co bardziej prawdopodobne - bardziej skokowe. Niemniej jednak w takiej sytuacji musiałoby istnieć przynajmniej jedno białko, albo powiedzmy kilka, przyjmujące dwie struktury naraz. Ale czy takie białka rzeczywiście istnieją? Przynajmniej teoretycznie (tzn. z punktu widzenia podstawowych praw fizyki) nic nie stoi na przeszkodzie, żeby istniały: może być kilka stanów porównywalnie korzystnych energetycznie, zwłaszcza przy tak ogromnej liczbie kombinacji (przecież w białku jest takie mnóstwo wiązań!). Ktoś mógłby zaoponować, że aminokwasy przecież z reguły preferują konkretny typ stuktury drugorzędowej (bo w zależności od posiadanego łańcucha bocznego, lubią różne kąty wiązań), więc wydawałoby się, że dana sekwencja aminokwasów może być stabilna tylko w jednej strukturze drugorzędowej - a to dramatycznie ogranicza strukturę trzeciorzędową, tzn. kształt całego białka. Niemniej jednak znane są przypadki fragmentów białek o długości 5, 6, 7 aminokwasów, które w jednym białku mają powiedzmy strukturę helisy, a w innym - wstęgi, więc to również nie musi być problem. Można więc powiedzieć: teoretycznie takie stany pośrednie są możliwe.
Ale przejdźmy do faktów. Choć znamy struktury kilku innych białek Cro należących do tego samego co Xfaso1 i Pfl6 "drzewa genealogicznego", wszystkie one wyglądają albo podobnie do Xfaso1, albo do Pfl6, nie ma zaś białek o dwóch strukturach. To jednak oczywiście nie znaczy, że takich białek nie ma/nie było. Jak wspomniałem, wyniki badań krystalograficznych zdają się potwierdzać, że każde białko ma tylko jedną strukturę - trzeba pamiętać jednak, że ta metoda po pierwsze bada tylko te białka, które można wykrystalizować (a nie wszystkie można - wśród takich opornych białek mogłyby znajdować się te o więcej niż jednej dozwolonej konformacji przestrzennej, bo to prawdopodobnie nie sprzyjałoby tworzeniu regularnej sieci krystalicznej), a po drugie określa taką strukturę białka, jaką posiada jego krystaliczna forma, która może się różnić od rozpuszczalnej (mogłoby się zdarzyć tak, że białko ma w roztworze kilka dozwolonych kształtów, ale jeden z nich najlepiej krystalizuje).
Również w 2008 roku i również w PNAS (nr 13), Brian F. Volkman z Medical College w Wisconsin i jego współpracownicy opisali chemokinę (białko pobudzające receptory znajdujące się w błonach komórkowych) o nazwie limfotaktyna i skrócie Ltn, która spełnia w organizmie człowieka dwie funkcje: po pierwsze wiąże się z receptorem XCR1 i aktywuje go, po drugie wiąże się z glikozyaminoglikanem heparyną - mniejsza o to, jakie te dwie funkcje mają znaczenie, ważne że są. Okazało się, że Ltn jest białkiem metamorficznym - czyli właśnie posiada dwie zdecydowanie różne struktury, nazwane przez autora Ltn10 i Ltn40. W normalnych warunkach fizjologicznych roztwór białka Ltn zawiera równą ilość form Ltn10 i Ltn40 (tzn. są one w równowadze o stałej równej 1). Co ciekawe, po wprowadzeniu jednej mutacji (zamianie tryptofanu 55 na asparaginian), Ltn przyjmuje wyłącznie konformację Ltn40. Podobnie wprowadzenie jednego dodatkowego mostka siarczkowego tworzy białko posiadające wyłącznie strukturę Ltn10. Otrzymanie tych form pozwoliło ustalić, że każda z nich odpowiada za inną funkcję limfotaktyny w organizmie człowieka. Jest to niezwykle ciekawe samo w sobie, ale jednocześnie sugeruje możliwy mechanizm ewolucji: gdyby nagle tylko jedna z tych funkcji była potrzebna, białko mogłoby ulec mutacji, która uczyniłaby z białka metamorficznego białko o jednej konformacji - tak, jak to się dzieje po zamianie tryptofanu 55. Można więc wyobrazić sobie Ltn jako stan pośredni, albo innymi słowy - wspólnego przodka, dwóch białek o odmiennych strukturach i funkcjach, a podobnych sekwencjach. Być może analogiczne białko było wspólnym przodkiem Pfl6 i Xfaso1.
Wspomniane przeze mnie artykuły są dostępne za darmo na stronie PNAS:
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz