Аминокислотная замена - это замена одной аминокислоты на другую в белке из-за точечной мутации в соответствующей последовательности ДНК. Это вызвано несинонимичной миссенс-мутацией, которая изменяет последовательность кодона, чтобы кодировать другую аминокислоту вместо исходной.
Консервативные и радикальные замены
Не все замены аминокислот одинаково влияют на функцию или структуру белка. Величина этого процесса может варьироваться в зависимости от того, насколько похожи или отличны замененные аминокислоты, а также от их положения в последовательности или структуре. Сходство между аминокислотами можно рассчитать на основе матриц замещения , физико-химического расстояния или простых свойств, таких как размер или заряд аминокислоты [1] (см. Также химические свойства аминокислот ). Обычно аминокислоты подразделяются на два типа: [2]
- Консервативная замена - замена одной аминокислоты на другую со схожими свойствами. Этот тип замены , как ожидается, редко приводит к дисфункции соответствующего белка [ править ] .
- Радикальная замена - замена одной аминокислоты на другую с другими свойствами. Это может привести к изменениям в структуре или функции белка, что потенциально может привести к изменениям фенотипа, иногда патогенного. Хорошо известным примером у людей является серповидно-клеточная анемия из-за мутации бета-глобина, где в положении 6 глутаминовая кислота (отрицательно заряженная) обменивается на валин (не заряжается).
Физико-химические расстояния
Физико-химическое расстояние - это мера, позволяющая оценить разницу между замененными аминокислотами. Значение расстояния основано на свойствах аминокислот. Есть 134 физико-химических свойства, которые можно использовать для оценки сходства между аминокислотами. [3] Каждое физико-химическое расстояние основано на разном составе свойств.
Персонажи с двумя состояниями | Характеристики |
1-5 | Наличие соответственно: бета-CH 2 , γ-СН 2 , δ-СН 2 ( пролин оценивали как положительные), ε-СН 2 группу и -СН 3 группы |
6-10 | Наличие соответственно: ω ― SH, ω ― COOH, ω ― NH 2 (основной), ω ― CONH 2 и ―CHOH групп |
11-15 | Наличие соответственно: бензольного кольца (включая триптофан как положительный), разветвления боковой цепи группой CH, второй группы CH 3 , двух, но не трех групп ―H на концах боковой цепи (пролин оценивается как положительный) и C ― S ― C группа |
16-20 | Присутствие соответственно: гуанидогруппы , α ― NH 2 , α ― NH группы в кольце, δ ― NH группы в кольце, ―N = группы в кольце |
21-25 | Присутствие соответственно: CH = N, индолильной группы, имидазольной группы, группы C = O в боковой цепи и конфигурации при α ― C, потенциально изменяющей направление пептидной цепи (только пролин дает положительный результат) |
26-30 | Наличие соответственно: атома серы, первичной алифатической группы OH, вторичной алифатической группы OH, фенольной группы OH, способность образовывать мосты S b S. |
31-35 | Наличие, соответственно: имидазольной группы ―NH, индолильной группы ―NH, группы SCH 3 , второго оптического центра, группы N = CR ― NH. |
36-40 | Присутствие соответственно: изопропильной группы, отчетливой ароматической реакционной способности, сильной ароматической реакционной способности, концевого положительного заряда, отрицательного заряда при высоком pH (тирозин имеет положительную оценку) |
41 год | Наличие пироллидинового кольца |
42-53 | Молекулярный вес (приблизительный) боковой цепи, рассчитанный за 12 дополнительных этапов (сера рассчитывается как эквивалент двух атомов углерода, азота или кислорода) |
54-56 | Наличие, соответственно: плоской 5-, 6- и 9-членной кольцевой системы |
57–64 | pK в изоэлектрической точке, оценивается аддитивно с шагом 1 pH |
65–68 | Логарифм растворимости в воде ʟ-изомера в мг / 100 мл, подсчитанный аддитивно |
69-70 | Оптическое вращение в 5 ɴ-HCl, [α] D от 0 до -25 и более -25 соответственно |
71-72 | Оптическое вращение в 5 ɴ-HCl, [α] от 0 до +25, соответственно (значения для глутамина и триптофана с водой в качестве растворителя и для аспарагина 3 · 4 ɴ-HCl) |
73-74 | Боковая водородная связь (ионный тип), сильный донор и сильный акцептор соответственно |
75-76 | Боковая водородная связь (нейтральный тип), сильный донор и сильный акцептор соответственно |
77-78 | Структура воды прежняя, соответственно умеренная и сильная |
79 | Разрушитель структуры воды |
80-82 | Подвижных электронов мало, умеренно и много соответственно (оценивается аддитивно) |
83-85 | Устойчивость к нагреванию и старению умеренная, высокая и очень высокая соответственно (оценивается по аддитивной оценке) |
86-89 | R F в фенол-водной бумажной хроматографии с шагом 0,2 (оценивается аддитивно) |
90-93 | R F в толуол-пиридин-гликольхлоргидрине (бумажная хроматография производного DNP) с шагом 0 · 2 (оценивается аддитивно: для лизина, производного ди-DNP) |
94-97 | Цвет нингидрина после хроматографии на коллидин-лутидине и нагревания в течение 5 мин при 100 ° C, соответственно фиолетовый, розовый, коричневый и желтый |
98 | Конец боковой цепи с развилками |
99-101 | Количество заместителей у β-атома углерода, соответственно 1, 2 или 3 (оценивается аддитивно) |
102-111 | Среднее количество неподеленных парных электронов в боковой цепи (оценивается аддитивно) |
112-115 | Количество связей в боковой цепи, допускающих вращение (оценивается аддитивно) |
116-117 | Ионный объем внутри колец небольшой или умеренный (оценивается аддитивно) |
118–124 | Максимальный момент инерции для вращения в связи α ― β (оценивается аддитивно за семь приблизительных шагов) |
125–131 | Максимальный момент инерции для вращения на связи β ― γ (оценивается аддитивно за семь приблизительных шагов) |
132–134 | Максимальный момент инерции вращения на связи γ ― δ (оценивается аддитивно за три приблизительных шага) |
Расстояние Грантема
Расстояние Грантема зависит от трех свойств: состава, полярности и молекулярного объема. [4]
Разность расстояний D для каждой пары аминокислот i и j рассчитывается как:
где c = состав, p = полярность и v = молекулярный объем; и - константы квадратов обратных значений среднего расстояния для каждого свойства, соответственно равные 1,833, 0,1018, 0,000399. Согласно расстоянию Грэнтэма, наиболее похожими аминокислотами являются лейцин и изолейцин, а наиболее отдаленными - цистеин и триптофан.
|
---|
Индекс Сниса
Индекс Снита учитывает 134 категории деятельности и структуры. [3] Индекс несходства D представляет собой процентное значение суммы всех свойств, не общих между двумя замененными аминокислотами. Это процентное значение, выраженное как, где S - подобие.
|
---|
Коэффициент разности Эпштейна
Коэффициент различия Эпштейна основан на различиях полярности и размера между замененными парами аминокислот. [5] Этот индекс, который различает направление обмена между аминокислотами, описывается двумя уравнениями:
когда меньший гидрофобный остаток заменяется более крупным гидрофобным или полярным остатком
когда полярный остаток заменяется или более крупный остаток заменяется более мелким
|
---|
Расстояние Мияты
Расстояние Мияты основано на двух физико-химических свойствах: объеме и полярности. [6]
Расстояние между аминокислотами a i и a j рассчитывается как где значение разности полярностей замененных аминокислот и а это разница по объему; а также стандартные отклонения для а также
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Экспериментальная заменяемость
Экспериментальная возможность обмена была изобретена Ямпольским и Штольцфусом. [7] Это мера среднего эффекта замены одной аминокислоты на другую аминокислоту.
Он основан на анализе экспериментальных исследований, в которых 9671 замена аминокислот из разных белков сравнивалась по влиянию на активность белка.
|
---|
Типичные и идиосинкразические аминокислоты
Аминокислоты также можно классифицировать по количеству различных аминокислот, которыми они могут быть заменены посредством замены одного нуклеотида.
- Типичные аминокислоты - есть несколько других аминокислот, в которые они могут превращаться путем замены одного нуклеотида. Типичные аминокислоты и их альтернативы обычно имеют сходные физико-химические свойства. Лейцин является примером типичной аминокислоты.
- Идиосинкразические аминокислоты - существует несколько похожих аминокислот, в которые они могут мутировать путем замены одного нуклеотида. В этом случае большинство замен аминокислот нарушит функцию белка. Триптофан является примером идиосинкразической аминокислоты. [8]
Склонность к замене аминокислот
Вероятность замены некоторых аминокислот выше. Одним из факторов, влияющих на эту тенденцию, является физико-химическая дистанция. Примером меры аминокислоты может быть индекс стабильности Граура. [9] Предполагается, что этот показатель состоит в том, что скорость замены аминокислот и эволюция белка зависят от аминокислотного состава белка. Индекс стабильности S аминокислоты рассчитывается на основе физико-химических расстояний этой аминокислоты и ее альтернатив, которые могут мутировать посредством замены одного нуклеотида, и вероятностей замены на эти аминокислоты. Судя по расстоянию Грэнтэма, наиболее неизменной аминокислотой является цистеин, а наиболее подверженной обмену - метионин.
Альтернативные кодоны | Альтернативные аминокислоты | Вероятности | Расстояния Грэнтэма [4] | Среднее расстояние |
---|---|---|---|---|
AUU, AUC, AUA | Изолейцин | 1/3 | 10 | 3,33 |
АЧГ | Треонин | 1/9 | 81 год | 9.00 |
AAG | Лизин | 1/9 | 95 | 10,56 |
AGG | Аргинин | 1/9 | 91 | 10.11 |
UUG, CUG | Лейцин | 2/9 | 15 | 3,33 |
GUG | Валин | 1/9 | 21 год | 2.33 |
Индекс стабильности [9] | 38,67 |
Паттерны замены аминокислот
Эволюция белков происходит медленнее, чем ДНК, поскольку только несинонимичные мутации в ДНК могут приводить к заменам аминокислот. Большинство мутаций нейтральны для поддержания функции и структуры белка. Следовательно, чем больше схожих аминокислот, тем больше вероятность их замены. Консервативные замены более распространены, чем радикальные, поскольку они могут привести к менее важным фенотипическим изменениям. [10] С другой стороны, полезные мутации, улучшающие функции белков, скорее всего, будут радикальными заменами. [11] Кроме того, физико-химические расстояния, которые основаны на свойствах аминокислот, отрицательно коррелируют с вероятностью замен аминокислот. Меньшее расстояние между аминокислотами указывает на то, что они с большей вероятностью претерпят замену.
Рекомендации
- ^ Даган, Таль; Талмор, Яэль; Граур, Дэн (июль 2002 г.). «Соотношение замены радикальных и консервативных аминокислот зависит от мутационных и композиционных факторов и может не указывать на положительный дарвиновский отбор» . Молекулярная биология и эволюция . 19 (7): 1022–1025. DOI : 10.1093 / oxfordjournals.molbev.a004161 . PMID 12082122 .
- ^ Граур, Дэн (01.01.2015). Молекулярная и геномная эволюция . Синауэр. ISBN 9781605354699.
- ^ а б в г Снит, PH (1966-11-01). «Связь между химической структурой и биологической активностью в пептидах». Журнал теоретической биологии . 12 (2): 157–195. DOI : 10.1016 / 0022-5193 (66) 90112-3 . ISSN 0022-5193 . PMID 4291386 .
- ^ а б в Грэнтэм, Р. (1974-09-06). «Формула разницы аминокислот, помогающая объяснить эволюцию белка». Наука . 185 (4154): 862–864. Bibcode : 1974Sci ... 185..862G . DOI : 10.1126 / science.185.4154.862 . ISSN 0036-8075 . PMID 4843792 . S2CID 35388307 .
- ^ а б Эпштейн, Чарльз Дж. (1967-07-22). «Неслучайность аммокислотных изменений в эволюции гомологичных белков». Природа . 215 (5099): 355–359. Bibcode : 1967Natur.215..355E . DOI : 10.1038 / 215355a0 . PMID 4964553 . S2CID 38859723 .
- ^ а б Miyata, T .; Miyazawa, S .; Ясунага, Т. (1979-03-15). «Два типа аминокислотных замен в эволюции белка». Журнал молекулярной эволюции . 12 (3): 219–236. Bibcode : 1979JMolE..12..219M . DOI : 10.1007 / BF01732340 . ISSN 0022-2844 . PMID 439147 . S2CID 20978738 .
- ^ а б Ямпольский, Лев Ю .; Штольцфус, Арлин (1 августа 2005 г.). «Обмениваемость аминокислот в белках» . Генетика . 170 (4): 1459–1472. DOI : 10.1534 / genetics.104.039107 . ISSN 0016-6731 . PMC 1449787 . PMID 15944362 .
- ^ Ся, Сюйхуа (31 марта 2000 г.). Анализ данных в молекулярной биологии и эволюции . Springer Science & Business Media. ISBN 9780792377672.
- ^ а б в Граур, Д. (1 января 1985 г.). «Аминокислотный состав и скорость эволюции генов, кодирующих белок». Журнал молекулярной эволюции . 22 (1): 53–62. Bibcode : 1985JMolE..22 ... 53G . DOI : 10.1007 / BF02105805 . ISSN 0022-2844 . PMID 3932664 . S2CID 23374899 .
- ^ Цукеркандль; Полинг (1965). «Эволюционная дивергенция и конвергенция белков». Нью-Йорк: Academic Press : 97–166.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Даган, Тал; Талмор, Яэль; Граур, Дэн (01.07.2002). «Соотношение радикальной и консервативной аминокислотной замены зависит от мутационных и композиционных факторов и может не указывать на положительный дарвиновский отбор» . Молекулярная биология и эволюция . 19 (7): 1022–1025. DOI : 10.1093 / oxfordjournals.molbev.a004161 . ISSN 0737-4038 . PMID 12082122 .