Откуда взялся гемоглобин?

Простой механизм может придать соединению сложные свойства

Гемоглобин – основной элемент нашей крови, который жизненно важен для организма. Доказано, что он появился на Земле 400 миллионов лет назад. Но каким образом? Недавно команда биологов из Техасского университета A&M, Университета Небраски-Линкольна и Медицинского центра Чикагского университета (США), а также из Оксфордского университета (Британия) смогла дать на это ответ.

Давайте начнем с того, что такое гемоглобин (буквальный перевод с древнегреческого и латыни – «кровяной шар») и почему без него нельзя обойтись. Он является сложным железосодержащим белком, который встречается у всех животных, имеющих систему кровообращения. Гемоглобин способствует переносу кислорода из легких по всему организму. Одна его молекула может переносить до четырех молекул кислорода. У позвоночных животных (к которым относится и человек) гемоглобин содержится в эритроцитах, у большей части беспозвоночных он растворен в плазме крови (эритрокруорин), а также может присутствовать и в других тканях. Сегодня мы достаточно много знаем о гемоглобине во многом благодаря английскому биохимику австрийского происхождения Максу Фердинанду Перуцу, которому в 1962 году присудили Нобелевскую премию за изучение структуры и функционирования этого вещества.

Если нарушаются процессы, связанные с гемоглобином, возникают различные заболевания – анемия, гипоксемия, ишемия. Как пониженное, так и повышенное количество гемоглобина приводит к патологическим состояниям.

Большинство биологических процессов основано на совместной деятельности нескольких белков. Такая комплексная деятельность приводит к созданию сложных белковых соединений. К ним принадлежит и гемоглобин. Каждая его молекула состоит из четырех компонентов – так называемых субъединиц. При этом если брать каждую субъединицу по отдельности, то в природе их белки никогда не соединяются между собой перекрестно. Почему это произошло в случае гемоглобина, долго оставалось загадкой для науки.
«Структура и функция гемоглобина изучены больше, чем у любой другой молекулы, – рассказал один из участников исследования, аспирант кафедры экологии и эволюции Арвинд Пиллаи. – Но ничего не было известно о том, как он возник во время эволюции».

Ранее было установлено, что гемоглобин возник более чем 400 миллионов лет назад в результате мутаций, и первым, кто его «получил», был общий предок человека и акулы. Да, у нас, оказывается, больше общего с акулами, чем можно было бы предположить! Да и со многими другими биологическими видами тоже… Речь идет, по всей видимости, о девонском периоде эволюции. Это, по научной классификации, четвертый геологический период палеозойской эры, который начался около 420 миллионов лет назад и окончился около 360 миллионов лет назад. Наряду с последующим каменноугольным периодом он являлся одним из самых продолжительных в палеозое – 60 миллионов лет. Девонский период получил название в честь графства Девоншир, расположенного в юго-западной Англии, где были обнаружены геологические породы соответствующей эры. А еще его называют «веком рыб». Дело в том, что в эту геологическую эру возникло огромное разнообразие бесчелюстных и челюстноротых животных, заселивших все морские и пресноводные бассейны планеты. Это и аммониты – головоногие моллюски, и ракоскорпионы – донные хищники, достигавшие 1,5-2 метров в длину…

Как предполагают палеонтологи, легкие первоначально развились у кистеперых рыб, обитающих в болотах. Именно от них появились первые земноводные существа – ихтиостеги и акантостеги. Амфибии унаследовали отдельные признаки рыб, но в то же время обладали уже сформировавшимися конечностями. Эти далекие прародители современных лягушек и жаб по большей части пребывали в воде, но иногда выходили и на сушу. Для того чтобы обитать на суше, требовалось дышать кислородом. Так у амфибий стала развиваться система дыхания и крово­обращения, уже близкая к нашей. Но для полноценного функционирования на суше требовалось наладить распространение кислорода по всему организму. Это и стало предпосылкой для естественного синтезирования гемоглобина.

Группа исследователей решила реконструировать мутации, которые привели к появлению гемоглобина, используя для этого статистические и биохимические методы. Специалисты разработали ретроспективный метод восстановления белковых последовательностей и выяснили, что для образования белковых комплексов, обладающих свойством связывать кислород, понадобилось всего-навсего две мутации!

Оказалось, что сначала появились комплексы из двух компонентов. Однако они слишком сильно связывали кислород, вследствие чего он удерживался в легких, но не мог проникать в другие органы. На втором этапе к ним добавились еще два компонента, и свойства изменились. Проанализировав атомное строение древних белков, ученые пришли к выводу, что комплексы из четырех компонентов получили эволюционное преимущество перед двухкомпонентными комплексами благодаря закреплению на поверхности белка случайных мутаций, позволяющих ему плотно связываться с другим белком, не изменяя структуру последнего. «Это отличная модель, потому что компоненты гемоглобина являются частью большого семейства белков, в котором самые близкие родственники не образуют комплексы, а функционируют в изоляции», – прокомментировал Пиллаи.

«Мы были поражены, когда увидели, что совсем простой механизм может придать соединению такие сложные свойства, – заявляет возглавивший исследование профессор Чикагского университета Джозеф Торнтон. – Это говорит о том, что скачки в сложности могут происходить внезапно и даже случайно во время эволюции, создавая новые молекулярные объекты, которые в конечном итоге становятся необходимыми».

Лада КОВАЛЕНКО