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