പരിണാമത്തെക്കുറിച്ചു തന്നെ... (ചിത്രങ്ങൾ)

പരിണാമസിദ്ധാന്തത്തിന്‌ ഏറ്റവും വ്യക്തവും ശക്തവുമായ തെളിവുകൾ, ഒരുപക്ഷേ, തന്മാത്ര തലത്തിലാവും കാണാൻ സാധിക്കുക. പ്രോട്ടീൻ ഘടനകളുടെ പഠനത്തിലൂടെ ഉരുത്തിരിയുന്ന, ജീവികളുടെ പരിണാമപരമായ ബന്ധങ്ങളെക്കുറിച്ചാണ്‌ ഈ പോസ്റ്റ്‌. അധികവും ചിത്രങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച്‌, ലളിതമായി പരിണാമത്തെ വിവരിക്കാനൊരു ശ്രമം. തതുല്യമായ മലയാളം വാക്കുകൾ അറിവില്ലാത്തതിനാൽ ഒരുപാട്‌ ഇംഗ്ലീഷ്‌ പദങ്ങൾ ഉൾപ്പെടുത്തേണ്ടി വന്നിട്ടുണ്ട്‌. നിർദ്ദേശങ്ങൾ സ്വീകരിച്ച്‌ പിന്നീടു തിരുത്തുന്നതായിരിക്കും.

ഒരു പ്രോട്ടീനിന്റെ പ്രാഥമികഘടന തീരുമാനിക്കുന്നത്‌ അതിനു വേണ്ടി എൻകോഡു ചെയ്യുന്ന ജീൻ(DNA) ആണ്‌. ഈ ജീനിലുണ്ടാകുന്ന മാറ്റങ്ങൾ താഴെപ്പറയുന്ന വിധം പ്രോട്ടീനിന്റെ ഘടനയിലും പ്രവർത്തനത്തിലും മാറ്റങ്ങൾ വരുത്തിയേക്കാം.

• ഒരേ ജൈവപ്രവർത്തനങ്ങൾ നിർവ്വഹിക്കുന്ന, ഘടനയിൽ മാത്രം വ്യത്യാസമുള്ള മറ്റൊരു പ്രോട്ടീൻ.
• മുൻപു നിർവ്വഹിച്ചിരുന്ന ജൈവപ്രവർത്തനങ്ങൾ വ്യത്യസ്തമായൊരു വേഗത്തിലോ കൃത്യതയിലോ നിർവ്വഹിക്കുന്ന ഒരു പ്രോട്ടീൻ.
• പൂർണ്ണമായും വേറൊരു ധർമ്മം നിർവ്വഹിക്കുന്ന പ്രോട്ടീൻ.
• ഒരു പ്രവർത്തനരഹിതമായ പ്രോട്ടീൻ.
  

അതായത്‌ പ്രോട്ടീനുകളുടെ ഘടനകൾ പരിണമിക്കുന്നത്‌ ജീവികളുടെ പരിണാമത്തിനു സമാന്തരമായി, പോസിറ്റീവോ നെഗറ്റീവോ ആയ തെരഞ്ഞെടുപ്പുകളിലൂടെയാണ്‌.

അമിനോആസിഡുകളുടെ ചങ്ങലയാണു പ്രോട്ടീൻ എന്നറിയാമല്ലോ. വ്യത്യസ്ത ജീവിവർഗങ്ങളിൽ സമാനമായ ജൈവപ്രവർത്തനങ്ങൾ നിർവ്വഹിക്കുന്ന പ്രോട്ടീനുകളിൽ ഓരോ പ്രത്യേക സ്ഥാനങ്ങളിലും ഒരേ അമിനോആസിഡ്‌ തന്നെ നിലനിർത്തുന്നതിന്റെയും മാറ്റങ്ങൾ വരുത്തുന്നതിന്റെയും പാറ്റേണുകൾ പഠിച്ചാൽ, ജൈവപ്രവർത്തനങ്ങൾ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിനും ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നതിനുമുള്ള പ്രകൃതിയുടെ മാർഗ്ഗങ്ങളെക്കുറിച്ച്‌ സൂചനകൾ ലഭിക്കും. ഈ പാറ്റേണുകൾ പഠിക്കാൻ ഒരു മാർഗം വ്യത്യസ്ത ജീവിവർഗങ്ങളിൽ നിന്നും വേർതിരിച്ചെടുത്ത പ്രോട്ടീനുകളെ അവയുടെ അമിനോ ആസിഡുകളുടെ ക്രമമനുസരിച്ച്‌, ഒരുമിച്ച്‌ align ചെയ്യുന്നതായിരിക്കും. ഇതിനെ Sequence alignment എന്നു പറയും. തിമിംഗലം, ലൂപിൻ എന്ന സസ്യം എന്നിങ്ങനെ തികച്ചും വ്യത്യസ്തങ്ങളായ രണ്ടു ജീവികളിൽ നിന്നും വേർത്തിരിച്ചെടുത്ത മയോഗ്ലോബിൻ എന്ന, ഓക്സിജൻ സംഭരിക്കുന്ന പ്രോട്ടീനിന്റെ ഘടനകൾ താരതമ്യം ചെയ്യുന്നതു നോക്കൂ.

ഈ ചിത്രത്തിൽ അക്കങ്ങൾ കാണുന്നത്‌ അമിനോആസിഡുകളുടെ സ്ഥാനത്തെയും ഇംഗ്ലീഷ്‌ അക്ഷരങ്ങൾ വ്യത്യസ്ത അമിനോ ആസിഡുകളെയും സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ഇതിൽ ഒരേപോലെയുള്ള (conserve ചെയ്യപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന) അമിനോ ആസിഡുകൾ 25% മാത്രമാണ്‌ (കളറിൽ കൊടുത്തിരിക്കുന്നത്‌). ഇനി, മാറ്റങ്ങൾ കാണുന്നതിൽ തന്നെ സമാന-രാസസ്വഭാവമുള്ള അമിനോആസിഡുകളാണ് ഒരേ സ്ഥാനത്തു വരുന്നത്. പ്രോട്ടീനിന്റെ ഫംഗ്‌ഷനുമായി നേരിട്ടു ബന്ധമുള്ള അമിനോ ആസിഡുകൾ മാറിയിട്ടില്ല എന്നു കാണാം. ഉദാ: position 100-ലുള്ള Histidine.



ഇൻസുലിൻ


A,B,C എന്നിങ്ങനെ മൂന്നു ചങ്ങലകളുള്ള പ്രോഇൻസുലിൻ ആയാണ് ഇൻസുലിൻ ശരീരത്തിൽ നിർമ്മിക്കപ്പെടുന്നത്. പിന്നീട് സി ചെയിൻ മുറിഞ്ഞുപോയി A,B ചെയിനുകൾ തമ്മിൽ Disulfide ബോണ്ടുകൾ(ചിത്രത്തിൽ മഞ്ഞനിറത്തിൽ കാണുന്നത്‌) ഉണ്ടാകുന്നു. ഇതിൽ C ചെയിന്, ഇൻസുലിന്റെ ജൈവപ്രവർത്തനത്തിൽ പങ്കില്ല. ഇനി, വ്യത്യസ്ത ജീവികളിൽ നിന്നുള്ള ഇൻസുലിലിന്റെ ഘടന താരതമ്യം ചെയ്താൽ ഏറ്റവും വ്യത്യാസം കാണുക ഇൻസുലിന്റെ ഫംഗ്‌ഷനുമായി ബന്ധമില്ലാത്ത C ചെയിനിലായിരിക്കും. ഫംഗ്‌ഷൻ നിർവ്വഹിക്കുന്ന A,B ചെയിനുകൾ ഏകദേശം ഒരേപോലെയാണെന്നു കാണാം.

സമീപകാലത്ത്‌ ഇൻസുലിനുള്ള മനുഷ്യജീൻ ക്ലോൺ ചെയ്യുന്നതു വരെ ഡയബീറ്റീസ്‌ രോഗികൾക്ക്‌ Porcine insulin നൽകിയിരുന്നതിന്റെ കാരണം ഈ ചെയിൻ നോക്കിയാൽ മനസ്സിലാകും. ഓരോ മരുന്നും മനുഷ്യരിൽ പരീക്ഷിക്കുന്നതിനും മാർക്കെറ്റിലെത്തുന്നതിനും മുൻപ്‌ ക്ലിനിക്കൽ ട്രയലുകളുടെ ഭാഗമായി എലി, മുയൽ, ഗിനി പന്നി തുടങ്ങിയ ജീവികളിൽ പരീക്ഷിക്കുന്നത്‌ ഈ ജീവിവർഗങ്ങൾക്ക്‌ മനുഷ്യനുമായുള്ള പരിണാമപരമായ സാമ്യങ്ങളെ മുൻനിർത്തിയാണ്‌.

സൈറ്റോക്രോം സി

104 അമിനോആസിഡുകളുടെ ഒറ്റച്ചങ്ങലയാണു സൈറ്റോക്രോം സി എന്ന പ്രോട്ടീൻ. ഓക്സിജന്റെ സാനിധ്യമുള്ള ഇടങ്ങളിൽ നിലനിൽക്കുവാനും വളരുവാനും കഴിവുള്ള എല്ലാ ജീവികളിലും (Aerobic organism) കണ്ടുവരുന്ന ഈ പ്രോട്ടീൻ ഊര്‍ജ്ജ സംശ്ലേഷണത്തിൽ(mitochondrial electron transport) സുപ്രധാന പങ്കു വഹിക്കുന്നു. ഓൿസിജൻ ട്രാൻസ്‌പോർട്ടുമായി ബന്ധപ്പെട്ട എല്ലാ പ്രോട്ടീനിലുമെന്നതു പോലെ ഇതിലും ഒരു ഹീം യൂണിറ്റ്‌ ഉണ്ട്‌. വ്യത്യസ്ത ജീവി വർഗങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള സൈറ്റോക്രോം പ്രോട്ടീനുകളിലെ അമിനോ ആസിഡുകളുടെ പ്രാഥമികഘടന നിരയായി എഴുതിയിരിക്കുന്നതു നോക്കൂ.


ഈ സ്വീകൻസുകളെല്ലാം തമ്മിൽ അസാധാരണമായ സാമ്യം കാണാം. പ്രത്യേകിച്ചും ചില വിശേഷസ്ഥാനങ്ങളിൽ. ഉദാഹരണത്തിന്‌ position 10ൽ ഉള്ള Phenylalanine, position 30ൽ ഉള്ള Proline, position 80ൽ ഉള്ള Methionine. പരിണാമം വഴി ജീവികളുടെ ജീനുകളിലും അതുവഴി സ്വഭാവം, രൂപം എന്നിവയിലെല്ലാം വളരെ മാറ്റങ്ങൾ ഉണ്ടാകുമ്പോഴും, ഒരു പ്രോട്ടീനിന്റെ ഫംഗ്‌ഷനുമായി നേരിട്ടു ബന്ധമുള്ള അമിനോആസിഡുകളിൽ മാറ്റം വന്നാൽ ആ ജീവിവർഗത്തിന്റെ നിലനിൽപ്പു തന്നെ അപകടത്തിലാകും എന്നതിനാൽ ഈ സ്ഥാനങ്ങളിൽ മാറ്റങ്ങൾ വരാതെ പ്രകൃതി സംരക്ഷിക്കുന്നു. ഇനി മാറ്റങ്ങൾ കാണപ്പെടുന്ന സ്ഥാനങ്ങളിൽ പോലും സമാന രാസസ്വഭാവമുള്ള അമിനോആസിഡുകൾ ആണ്‌ പകരം വരുന്നത്‌. ഉദാഹരണത്തിന്‌ position 98ൽ leucine, isoleucine, valine എന്നീ lipophilic ആയ അമിനോആസിഡുകൾ മാത്രമേ വരുന്നുള്ളൂ. അതുപോലെ, ഹീം യൂണിറ്റിലെ ഇരുമ്പുമായി നേരിട്ട്‌ ബോണ്ട്‌ ഉള്ള position 18-ലെ Histidine എല്ലാ ജീവികളിലും സംരക്ഷിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നതായി കാണാം.


വിവിധ ജീവജാലങ്ങളിൽ പ്രോട്ടീനിന്റെ ധർമ്മവും ഘടനയുമായി നേരിട്ടുബന്ധമുള്ള അമിനോആസിഡുകൾ സംരക്ഷിക്കപ്പെടുമ്പോൾ പ്രാധാന്യം കുറഞ്ഞ മറ്റു സ്ഥാനങ്ങളിൽ മാറ്റങ്ങൾ വരുന്നതു കാണാം. ഇതിൽ മനുഷ്യന്റെയും ചിമ്പാൻസിയുടെയും സീക്വൻസുകൾ ഒരേപോലെയാണെന്നതു ശ്രദ്ധിക്കുക. അതു പോലെ macaque, spider എന്നീ കുരങ്ങുവർഗ്ഗങ്ങളുടെ സീക്വൻസ്‌ മനുഷ്യൻ/ചിമ്പാൻസി സീക്വൻസുമായി വളരെ സാമ്യമുള്ളതും ശ്രദ്ധിക്കുക. ഇത്‌ സൂചിപ്പിക്കുന്നത്‌, താരതമ്യേന സമീപകാലത്ത്‌ ഉണ്ടായ പരിണാമപരമായ വ്യതിയാനങ്ങളാണ്‌.


ഇനി കുതിരയിലും ട്യൂണ എന്ന മത്സ്യത്തിലുമുള്ള സൈറ്റോക്രോം സി Backbone alignment ചെയ്തിരിക്കുന്നത്‌ ശ്രദ്ധിക്കുക.

ചിത്രത്തിൽ പച്ച നിറത്തിൽ കാണുന്നത് കുതിരയുടെ സൈറ്റോക്രോം സി പ്രോട്ടീനും ചുവപ്പ് നിറത്തിൽ കാണൂന്നത് ട്യൂണയിലെ അതേ പ്രോ‍ട്ടീനും. രണ്ട് ചിത്രങ്ങളും വ്യത്യസ്ത ആംഗിളിൽ നിന്നുള്ളത്. പ്രോട്ടീനിലെ അമിനോആസിഡുകൾ അടുക്കിയിരിക്കുന്ന ക്രമം (പ്രാഥമിക ഘടന)യിൽ മാത്രമല്ല secondary, tertiary ഘടനയിൽ പോലുമുള്ള സാമ്യം ഇവിടെ വ്യക്തമാണ്‌.

പരിണാമവൃക്ഷത്തിന്റെ ചിത്രം.

വിവിധ ജീവിവർഗങ്ങളിലെ പ്രോട്ടീനുകളുടെ പ്രാഥമികഘടനയിലുള്ള വ്യത്യാസം കണക്കിലെടുത്താണ്‌ ഈ ചിത്രം രൂപപ്പെടുത്തിയിട്ടുള്ളത്‌. Morphological Data ഉപയോഗിച്ച്‌ പരിണാമജീവശാസ്ത്രകാരൻമാർ ഉണ്ടാക്കിയിട്ടുള്ള പരിണാമവൃക്ഷത്തിന്റെ ചിത്രവുമായുള്ള സാമ്യം ഇവിടെ ശ്രദ്ധേയമാണ്‌.

കുറിപ്പ്:

ആദ്യത്തെ ചിത്രത്തിൽ 1mbd എന്നത് തിമിംഗലത്തിന്റെ മയോഗ്ലോബിനെ സൂചിപ്പിക്കുന്ന PDB Code ആണ്. 2gdm എന്നത് ലൂപിൻ എന്ന സസ്യത്തിലെ സമാനമായ പ്രോട്ടീനിന്റേതും. ഈ പോസ്റ്റ് തയ്യാറാക്കുന്നതിന് BioEdit, Swiss PDB Viewer, RasMol തുടങ്ങിയ പ്രോഗ്രാമുകൾ ആണ് ഉപയോഗിച്ചിരിക്കുന്നത്. സൌജന്യമായി ലഭിക്കുന്ന ഈ പ്രോഗ്രാമുകൾ ഉപയോഗിച്ച് സമാനമായ പഠനങ്ങൾ ആർക്കും നടത്താവുന്നതാണ്. പ്രോട്ടീനുകളുടെ ക്രിസ്റ്റൽ ഡാറ്റ Protein Data Bank-ൽ നിന്നും ലഭിക്കുന്നതാണ്. അവസാനത്തെ രണ്ടു ചിത്രങ്ങൾ ക്ലിക്കിയാൽ വലുതായി കാണാം.

Ref: Schwartz and Dayhoff, Science, 1978, 199, 395