Náhrada aminokyselin - Amino acid replacement
Náhrada aminokyselin je změna od jedné aminokyselina na jinou aminokyselinu v proteinu v důsledku bodové mutace v odpovídající sekvenci DNA. Je to způsobeno nonsynonymem missense mutace který mění kodonovou sekvenci tak, aby kódovala jinou aminokyselinu místo původní.
Konzervativní a radikální nahrazení
Ne všechny náhrady aminokyselin mají stejný účinek na funkci nebo strukturu bílkovin. Velikost tohoto procesu se může lišit v závislosti na tom, jak podobné nebo odlišné jsou nahrazené aminokyseliny, stejně jako na jejich poloze v sekvenci nebo struktuře. Podobnost mezi aminokyselinami lze vypočítat na základě substituční matice, fyzikálně-chemická vzdálenost nebo jednoduché vlastnosti, jako je velikost aminokyseliny nebo náboj[1] (viz také chemické vlastnosti aminokyselin ). Aminokyseliny se obvykle dělí na dva typy:[2]
- Konzervativní náhrada - aminokyselina je vyměněna za jinou, která má podobné vlastnosti. Očekává se, že tento typ náhrady málokdy povede k dysfunkci odpovídajícího proteinu[Citace je zapotřebí ].
- Radikální náhrada - aminokyselina je vyměněna za jinou s různými vlastnostmi. To může vést ke změnám ve struktuře nebo funkci proteinu, což může potenciálně vést ke změnám fenotypu, někdy patogenním. Dobře známým příkladem u lidí je srpkovitá anémie kvůli mutaci v beta globinu, kde je v poloze 6 kyselina glutamová (záporně nabitý) je vyměněn s valin (není účtováno).
Fyzikálně-chemické vzdálenosti
Fyzikálně-chemická vzdálenost je míra, která hodnotí rozdíl mezi nahrazenými aminokyselinami. Hodnota vzdálenosti je založena na vlastnostech aminokyselin. Existuje 134 fyzikálně-chemických vlastností, které lze použít k odhadu podobnosti mezi aminokyselinami.[3] Každá fyzikálně-chemická vzdálenost je založena na jiném složení vlastností.
Dvoustavové znaky | Vlastnosti |
1-5 | Přítomnost: β ― CH2, γ ― CH2, δ ― CH2 (prolin hodnoceno jako pozitivní), ε ― CH2 skupina a ― CH3 skupina |
6-10 | Přítomnost: ω ― SH, ω ω COOH, ω ― NH2 (základní), ω ― CONH2 a ―CHOH skupiny |
11-15 | Přítomnost: benzenový kruh (počítaje v to tryptofan jako pozitivní), rozvětvení v postranním řetězci skupinou CH, druhou skupinou CH3 skupina, dvě, ale ne tři skupiny ―H na koncích postranního řetězce (prolin hodnocený jako pozitivní) a skupina C ― S ― C |
16-20 | Přítomnost: guanido skupina, α ― NH2, α ― NH skupina v kruhu, δ ― NH skupina v kruhu, ―N = skupina v kruhu |
21-25 | Přítomnost: ―CH = N, indolylová skupina, imidazolová skupina, C = O skupina v postranním řetězci a konfigurace v α ― C potenciálně měnící směr peptidového řetězce (pozitivní je pouze prolin) |
26-30 | Přítomnost: atom síry, primární alifatická skupina ―OH, sekundární alifatická skupina ―OH, fenolická skupina ―OH, schopnost tvořit můstky S ― S |
31-35 | Přítomnost: imidazolu ―NH skupiny, indolylu ―NH skupiny, ―SCH3 skupina, druhé optické centrum, skupina N = CR ― NH |
36-40 | Přítomnost příslušně: isopropylová skupina, výrazná aromatická reaktivita, silná aromatická reaktivita, terminální pozitivní náboj, negativní náboj při vysokém pH (tyrosin skóroval pozitivně) |
41 | Přítomnost pyrollidinového kruhu |
42-53 | Molekulová hmotnost (přibližná) postranního řetězce, hodnocená ve 12 aditivních krocích (síra se počítá jako ekvivalent dvou atomů uhlíku, dusíku nebo kyslíku) |
54-56 | Přítomnost: plochého 5-, 6- a 9členného kruhového systému |
57-64 | pK v izoelektrickém bodě, aditivní v krocích po 1 pH |
65-68 | Logaritmus rozpustnosti ʟ-izomeru ve vodě v mg / 100 ml., Aditivní |
69-70 | Optická rotace v 5 ɴ-HCl, [α]D 0 až -25, respektive -25 |
71-72 | Optická rotace v 5 ɴ-HCI, [α] 0 až +25 (hodnoty pro glutamin a tryptofan s vodou jako rozpouštědlem a pro asparagin 3,4 ɴ-HCl) |
73-74 | Vodíková vazba postranního řetězce (iontového typu), silný donor a silný akceptor |
75-76 | Vodíkové vazby postranního řetězce (neutrální typ), silný donor a silný akceptor |
77-78 | Vodní struktura bývalá, respektive mírná a silná |
79 | Lámačka vodní konstrukce |
80-82 | Mobilní elektrony málo, střední a mnoho (aditivní) |
83-85 | Tepelná a věková stabilita mírná, vysoká a velmi vysoká (aditivní) |
86-89 | RF v papírové chromatografii fenol-voda v krocích po 0,2 (hodnoceno aditivně) |
90-93 | RF v toluen-pyridin-glykolchlorhydrinu (papírová chromatografie DNP derivátu) v krocích po 0,2 (hodnoceno aditivně: pro lysin di-DNP derivát) |
94-97 | Ninhydrin barva po chromatografii na kolidin-lutidinu a zahřívání 5 minut na 100 ° C, respektive fialová, růžová, hnědá a žlutá |
98 | Konec bočního řetězu zahloubený |
99-101 | Počet substituentů na atomu β-uhlíku, respektive 1, 2 nebo 3 (hodnoceno aditivně) |
102-111 | Průměrný počet elektrony osamělého páru na postranním řetězci (aditivní) |
112-115 | Počet dluhopisů v postranním řetězci umožňující rotaci (aditivní) |
116-117 | Iontový objem v prstencích mírný nebo střední (aditivní) |
118-124 | Maximální moment setrvačnosti pro rotaci na vazbě α ― β (aditivní bodování v sedmi přibližných krocích) |
125-131 | Maximální moment setrvačnosti pro rotaci na vazbě β ― γ (aditivní bodování v sedmi přibližných krocích) |
132-134 | Maximální moment setrvačnosti pro rotaci na vazbě γ ― δ (sčítáno aditivně ve třech přibližných krocích) |
Granthamova vzdálenost
Granthamova vzdálenost závisí na třech vlastnostech: složení, polaritě a molekulárním objemu.[4]
Rozdíl vzdálenosti D pro každý pár aminokyselin i a j se počítá jako:
kde C = složení, p = polarita a proti = molekulární objem; a jsou konstanty čtverců inverzí střední vzdálenosti pro každou vlastnost, respektive rovné 1,833, 0,1018, 0,000399. Podle vzdálenosti Granthama jsou nejpodobnější aminokyseliny leucin a isoleucin a nejvzdálenější jsou cystein a tryptofan.
|
---|
Sneathův index
Sneathův index zohledňuje 134 kategorií činností a struktur.[3] Index odlišnosti D je procentuální hodnota součtu všech vlastností, které nejsou sdíleny mezi dvěma nahrazenými aminokyselinami. Je to procentuální hodnota vyjádřená , kde S je podobnost.
|
---|
Epsteinův koeficient rozdílu
Epsteinův koeficient rozdílu je založen na rozdílech v polaritě a velikosti mezi nahrazenými páry aminokyselin.[5] Tento index, který rozlišuje směr výměny mezi aminokyselinami, popsaný 2 rovnicemi:
když je menší hydrofobní zbytek nahrazen větším hydrofobním nebo polárním zbytkem
když je polární zbytek vyměněn nebo větší zbytek je nahrazen menším
|
---|
Miyatova vzdálenost
Mijatova vzdálenost je založena na 2 fyzikálně-chemických vlastnostech: objemu a polaritě.[6]
Vzdálenost mezi aminokyselinami Ai a Aj se počítá jako kde je hodnota rozdílu polarity mezi nahrazenými aminokyselinami a a je rozdíl pro objem; a jsou standardní odchylky pro a
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Experimentální zaměnitelnost
Experimentální zaměnitelnost vymysleli Yampolsky a Stoltzfus.[7] Jde o měřítko průměrného účinku výměny jedné aminokyseliny za jinou aminokyselinu.
Je založen na analýze experimentálních studií, kde bylo pro účinek na aktivitu proteinů srovnáváno 9671 aminokyselinových náhrad z různých proteinů.
|
---|
Typické a idiosynkratické aminokyseliny
Aminokyseliny lze také klasifikovat podle toho, kolik různých aminokyselin lze vyměnit pomocí jediné nukleotidové substituce.
- Typické aminokyseliny - existuje několik dalších aminokyselin, na které se mohou přeměnit pomocí jediné nukleotidové substituce. Typické aminokyseliny a jejich alternativy mají obvykle podobné fyzikálně-chemické vlastnosti. Leucin je příkladem typické aminokyseliny.
- Idiosynkratické aminokyseliny - existuje jen málo podobných aminokyselin, na které mohou mutovat pomocí jediné nukleotidové substituce. V tomto případě bude většina náhrad aminokyselin rušit funkci proteinů. Tryptofan je příkladem idiosynkratické aminokyseliny.[8]
Tendence podstoupit náhradu aminokyselin
Je pravděpodobné, že některé aminokyseliny budou nahrazeny. Jedním z faktorů, který ovlivňuje tuto tendenci, je fyzikálně-chemická vzdálenost. Příkladem míry aminokyseliny může být Graurův index stability.[9] Předpoklad tohoto opatření je, že rychlost náhrady aminokyselin a vývoj proteinu závisí na aminokyselinovém složení proteinu. Index stability S aminokyseliny se vypočítá na základě fyzikálně-chemických vzdáleností této aminokyseliny a jejích alternativ, které mohou mutovat pomocí jediné nukleotidové substituce a pravděpodobnosti jejich nahrazení těmito aminokyselinami. Na základě vzdálenosti Granthamu je nejvíce neměnnou aminokyselinou cystein a nejpravděpodobnější k výměně je methionin.
Alternativní kodony | Alternativní aminokyseliny | Pravděpodobnosti | Granthamovy vzdálenosti[4] | Průměrná vzdálenost |
---|---|---|---|---|
AUU, AUC, AUA | Isoleucin | 1/3 | 10 | 3.33 |
ACG | Threonin | 1/9 | 81 | 9.00 |
AAG | Lysin | 1/9 | 95 | 10.56 |
AGG | Arginin | 1/9 | 91 | 10.11 |
UUG, CUG | Leucin | 2/9 | 15 | 3.33 |
GUG | Valine | 1/9 | 21 | 2.33 |
Index stability[9] | 38.67 |
Vzory nahrazování aminokyselin
Vývoj proteinů je pomalejší než u DNA, protože pouze nesynonymní mutace v DNA mohou vést k nahrazení aminokyselin. Většina mutací je neutrální, aby udržovala funkci a strukturu bílkovin. Čím více podobných aminokyselin je, tím je pravděpodobnější, že budou nahrazeny. Konzervativní náhrady jsou častější než radikální náhrady, protože mohou vést k méně důležitým fenotypovým změnám.[10] Na druhou stranu, prospěšné mutace, zvyšující funkce bílkovin, jsou s největší pravděpodobností radikálními náhradami.[11] Rovněž fyzikálně-chemické vzdálenosti, které jsou založeny na vlastnostech aminokyselin, negativně korelují s pravděpodobností substitucí aminokyselin. Menší vzdálenost mezi aminokyselinami naznačuje, že je u nich pravděpodobnější náhrada.
Reference
- ^ Dagan, Tal; Talmor, Yael; Graur, Dan (červenec 2002). „Poměry náhrady radikální a konzervativní aminokyseliny jsou ovlivněny mutačními a kompozičními faktory a nemusí svědčit o pozitivním darwinovském výběru“. Molekulární biologie a evoluce. 19 (7): 1022–1025. doi:10.1093 / oxfordjournals.molbev.a004161. PMID 12082122.
- ^ Graur, Dan (01.01.2015). Molekulární a genomová evoluce. Sinauer. ISBN 9781605354699.
- ^ A b C d Sneath, P. H. (01.11.1966). "Vztahy mezi chemickou strukturou a biologickou aktivitou v peptidech". Journal of Theoretical Biology. 12 (2): 157–195. doi:10.1016/0022-5193(66)90112-3. ISSN 0022-5193. PMID 4291386.
- ^ A b C Grantham, R. (06.06.1974). "Vzorec rozdílu aminokyselin, který pomáhá vysvětlit vývoj bílkovin". Věda. 185 (4154): 862–864. Bibcode:1974Sci ... 185..862G. doi:10.1126 / science.185.4154.862. ISSN 0036-8075. PMID 4843792. S2CID 35388307.
- ^ A b Epstein, Charles J. (1967-07-22). „Nenáhodnost změn ammo-kyselin ve vývoji homologních proteinů“. Příroda. 215 (5099): 355–359. Bibcode:1967Natur.215..355E. doi:10.1038 / 215355a0. PMID 4964553. S2CID 38859723.
- ^ A b Miyata, T .; Miyazawa, S .; Yasunaga, T. (1979-03-15). "Dva typy substitucí aminokyselin ve vývoji bílkovin". Journal of Molecular Evolution. 12 (3): 219–236. Bibcode:1979JMolE..12..219M. doi:10.1007 / BF01732340. ISSN 0022-2844. PMID 439147. S2CID 20978738.
- ^ A b Yampolsky, Lev Y .; Stoltzfus, Arlin (01.08.2005). „Vyměnitelnost aminokyselin v bílkovinách“. Genetika. 170 (4): 1459–1472. doi:10.1534 / genetika.104.039107. ISSN 0016-6731. PMC 1449787. PMID 15944362.
- ^ Xia, Xuhua (2000-03-31). Analýza dat v molekulární biologii a evoluci. Springer Science & Business Media. ISBN 9780792377672.
- ^ A b C Graur, D. (01.01.1985). "Složení aminokyselin a vývojové rychlosti genů kódujících proteiny". Journal of Molecular Evolution. 22 (1): 53–62. Bibcode:1985JMolE..22 ... 53G. doi:10.1007 / BF02105805. ISSN 0022-2844. PMID 3932664. S2CID 23374899.
- ^ Zuckerkandl; Pauling (1965). "Evoluční divergence a konvergence v proteinech". New York: Academic Press: 97–166.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
- ^ Dagan, Tal; Talmor, Yael; Graur, Dan (01.07.2002). „Poměry radikálových a konzervativních náhrad aminokyselin jsou ovlivněny mutačními a kompozičními faktory a nemusí svědčit o pozitivním darwinovském výběru.“. Molekulární biologie a evoluce. 19 (7): 1022–1025. doi:10.1093 / oxfordjournals.molbev.a004161. ISSN 0737-4038. PMID 12082122.