Функции. Ферменты. Метаболические пути. А.Б.Рахманинова, 2010

Сколько всего разных функций бывает? А сколько клетке нужно? Генов с какими функциями больше всего в геноме? Зачем? Насколько отличаются наборы функций у разных организмов? Можно ли предсказать функцию по структуре или последовательности? Вопросы

Пробуем выделить классы белков по функции Молекулярные машины – рибосома, АТФ-синтетаза Ферменты - РНК-зависимая РНК-полимераза Регуляторные белки – регулируют биологические процессы, например, активность ферментов – TetR Хранение и транспорт (ионов, маленьких молекул) – гемоглобин Транспорт через мембраны – TetA Секреторные взаимодействие с другими клетками – инсулин Структурные Другие ……….

Классификация ферментов сделана лучше, чем классификации всех белков Организации: IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry ( IUPAC-IUBMB: International Union of Biochemistry and Molecular Biology ( Классификация ферментов: Enzyme Nomenclature ( Классификация основана на EC number (например, EC ) Классифицируются не белки, а катализируемые ими реакции!

EC (Enzyme Commission) number определяет иерархическую классификацию ферментов

Шесть основных классов ферментов ЕС 1 – оксидоредуктазы (oxidoreductases). ЕС 2 – трансферазы (transferases). ЕС 3 – гидролазы (hydrolases). ЕС 4 – лиазы (lyases). ЕС 5 – изомеразы (isomerases) ЕС 6 – лигазы (ligases).

GroupReaction catalyzedTypical reaction EC 1 Oxidoreductases To catalyze oxidation/reduction reactions; transfer of H and O atoms or electrons from one substance to another AH + B A + BH (reduced) A + O AO (oxidized) EC 2 Transferases Transfer of a functional group from one substance to another. The group may be methyl-, acyl-, amino- or phosphate group AB + C A + BC EC 3 Hydrolases Formation of two products from a substrate by hydrolysisss AB + H 2 O AOH + BH EC 4 Lyases Non-hydrolytic addition or removal of groups from substrates. C-C, C-N, C-O or C-S bonds may be cleaved RCOCOOH RCOH + CO 2 EC 5 Isomerases Intramolecule rearrangement, i.e. isomerization changes within a single molecule AB BA EC 6 Ligases Join together two molecules by synthesis of new C-O, C-S, C-N or C-C bonds with simultaneous breakdown of ATP X + Y+ ATP XY + ADP + Pi

Общепринятая иерархическая классификация ферментативных реакций EC 1 Oxidoreductases EC 1.1 Аcting on the CH-OH group of donors EC With NAD or NADP as acceptor EC alcohol dehydrogenase … EC homoserine dehydrogenase EC With a cytochrome as acceptor EC 1.2 Acting on the aldehyde or oxo group of donors EC 2 Transferases EC 2.1 Transferring one-carbon groups EC Methyltransferases EC nicotinamide N-methyltransferase EC 3 Hydrolases EC 4 Lyases EC 5 Isomerases ЕC 6 Ligases

Три свойства белка. Как они связаны?Последовательность Функция 3Dструктура ? ? ?

Пространственные структуры более консервативны, чем последовательности. Высокое сходство структур свидетельствует о гомологии Внутри одного класса 3D- структур можно найти белки с seq. id 20%. Гемоглобин свиньи и миоглобин кита Сходство последовательностей Сходство структур

CYSG_ECOLI Фермент – это не белок, а свойство белка

Бывают ли в одном гомологичном семействе белки с разной функцией? 190 семейств

EC versus Id

структуры практически одинаковы, если Id>20% При Id>40% функция ферментов сохраняется в 90% случаев Функция 3Dструктура Последовательность ?

Дивергентная эволюция функции на базе одной структуры (пример из статьи Hegyi H, Gerstein M. J Mol Biol Apr 23;288(1): ) 1 Оксидоредуктазы EC 1.*.* 3 Гидролазы EC 3.*.* 4 Лиазы EC 4.*.* 5 Изомеразы EC 5.*.*

Конвергентная эволюция функции: аналогичные ферменты ЕС Карбангидраза H 2 CO 3 = CO 2 + H 2 O CAH_METTE CAH5_MOUSE Конвергентная эволюция ферментов встречается часто Наблюдение: 1,8 функции на один тип структуры( folds), но 2,5 фолдов на одну функцию

Один белок – один фермент? Гомологичные белки – одинаковые EC коды? Одинаковые EC коды – гомологичные белки? Вопросы (нет) (при Id>40%, скорее, да Часто, но далеко не всегда!)

Метаболические пути. БД KEGG

Метаболический путь – сеть ферментативных реакций, таких, что продукт одной реакции является субстратом другой. Принято изображать в виде графа, вершинами которого являются идентификаторы реактантов. Метаболический путь

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

KEGG: 16 основных БД

KEGG: система идентификаторов KEGG PATHWAY KEGG GENOME KEGG GENES KEGG ENZYME KEGG COMPOUND KEGG REACTION KEGG ORTHOLOGY KEGG GLYCAN KEGG RPAIR KEGG BRITE KEGG DRUG KEGG MODULE KEGG DISEASE map number organism code (T number) locus_tag/NCBI GeneID EC number C number R number K number G number A number br number D number M number H number С лизин K04527 – инсулиновый рецептор hsa5210 – путь возникновения рака простаты

KEGG PATHWAY 91,564 пути на основе 345 «reference pathways» KEGG: биологические процессы Reference pathway Homo sapiens