ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА АМИНОКИСЛОТНЫХ ЗАМЕН

РАЗДЕЛ 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА АМИНОКИСЛОТНЫХ ЗАМЕН
2.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Характер аминокислотных замен определяется степенью их консервативности и радикальности.
Консервативной заменой аминокислоты называется мутационная замена,
не приводящая к значительным изменениям структуры и функции белка. В
процессе эволюции консервативные замены аминокислот происходят чаще, чем
радикальные. Эти замены преимущественно встречаются в функционально
важных участках белковой молекулы (например, сайтах связывания лигандов).
Радикальные замены аминокислот, напротив, существенно меняют структуру и
функции белка.
Для определения характера замен аминокислот применяются различные методы (физико-химическая дистанция Грэнтсема, индекс Танга, показатель функциональной близости аминокислот Бачинского, коэффициенты Снита и др.). Одним из наиболее простых среди них является расчет физико-химической дистанции. Для ее вычисления Р. Грэнтсем предложил формулу, учитывающую 3
параметра взаимозаменяемых аминокислотных остатков: полярность, объем и
состав, определяемый как соотношение атомных масс неуглеродных атомов,
входящих в концевые группы или кольца, к атомным массам углеродов боковых радикалов.
Полученные Р. Грэнтсемом физико-химические дистанции представлены
в таблице 2. При значении физико-химической дистанции большем 57,9, замена
считается консервативной, а в обратном случае радикальной.
Таблица 2
Матрица физико-химических дистанций Р. Грэнтсема для аминокислотных замен
A
C
D
E
F
G
H
I
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
V W Y
A 100 9
41 50 45 73 59 54 50 54 59 45 86 54 45 54 73 68 32 45
C
100 27 23
4
27 18
9
4
9
9
36 23 27 18 45 32
9
0
9
D
100 77 18 54 59 23 50 18 27 86 50 68 54 68 59 27 14 27
E
100 36 54 82 36 73 36 41 77 54 86 73 64 68 41 27 41
F
100 27 54 86 50 86 86 27 45 45 54 27 50 77 82 86
G
100 54 36 41 36 41 64 77 59 41 73 73 50 14 32
H
100 54 82 54 59 68 64 86 86 59 77 59 45 59
I
100 50 95 95 32 54 50 54 32 59 86 68 82
K
100 50 54 54 50 73 86 41 64 54 50 59
L
100 91 27 54 45 50 32 54 82 68 82
M
100 32 59 50 54 36 59 86 68 82
N
100 54 77 59 77 68 36 18 32
P
100 64 50 64 82 68 32 50
Q
100 77 68 77 54 41 54
R
100 50 64 54 50 64
S
100 73 41 18 32
T
100 68 41 54
V
100 59 73
W
100 82
Y
100
Известно, что происходящие в процессе эволюции замены аминокислот
могут быть обусловлены заменой одного (одношаговая замена), двух (двухшаговая замена) или трех (трехшаговая замена) нуклеотидов в кодоне ДНК и, следовательно, соответствующей иРНК. Установлено, что многошаговые замены
аминокислот происходят в ходе эволюции реже, поскольку являются более радикальными.
Все замены нуклеотидов можно разделить на 2 группы: синонимичные и
несинонимичные. Синонимичные замены (молчащие) — это замены нуклеотидов, не приводящие к изменению кодируемой аминокислоты. Например, замена
У на Ц в третьем положении кодонов иРНК УУУ→УУЦ является синонимичной. Она не приводит к изменению аминокислоты, поскольку оба этих кодона
соответствуют фенилаланину.
Несинонимичные замены — это замены нуклеотидов, в результате которых происходит изменение кодируемых аминокислот. Например, при мутации
У на Ц в первом положении кодонов иРНК УУУ→ЦУУ фенилаланин в полипептидной цепи кодируемого белка заменится на пролин.
2.2. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
1. Определите число консервативных и радикальных замен аминокислот
в выровненных участках каталитических доменов М-изоферментов креатинкиназ человека (Н.s) и собаки (C.f.):
H.s.EKEQQQLIDDHFLFDKPVSPLLLASGMARDWPDARGIWHNDNKSFLVWVNEEDHLRVISM
C.f.EQEQQQLIDDHFLFDKPVSPLLLASGMARDWPDARGIWHNDNKTFLVWVNEEDHLRVISM
Р е ш е н и е . При сравнении данных последовательностей наблюдается 2
аминокислотных различия (К и Q, S и T). Для 1-й замены дистанция Грэнсема
составляет 73, это значение больше 57,9, поэтому эта замена является консервативной. Для 2-й замены дистанция Грэнсема также равна 73, что больше 57,9,
поэтому эта замена тоже является консервативной.
О т в е т : 2 консервативные замены, радикальные замены отсутствуют.
2. Какие замены аминокислот (радикальные или консервативные) преобладают в выровненных последовательностях:
AGHTRDSGGL
CGNSRRSGGL
Р е ш е н и е . В данных последовательностях наблюдаются замены А-С
(дистанция Грэнтсема равна 9, что меньше 57,9, замена — радикальная), H-N
(дистанция Грэнтсема равна 68, что больше 57,9, замена — консервативная), T-S
(дистанция Грэнтсема равна 73, что больше 57,9, замена — консервативная), D-R
(дистанция Грэнтсема равна 54, что меньше 57,9, замена — радикальная).
О т в е т : в данных последовательностях количество консервативных и радикальных замен равны.
3. Какие из возможных замен глицина на другие аминокислоты являются
консервативными, а какие радикальными?
О т в е т : согласно таблице физико-химических дистанций, радикальными
(значения дистанции меньше 57,9) будут замены глицина на цистеин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты, фенилаланин, гистидин, изолейцин, лизин,
лейцин, метионин, аргинин, валин, триптофан, тирозин, а консервативными
(значения дистанции больше 57,9) — на аланин, аспарагин, пролин, глутамин,
серин и треонин.
4. Какая из замен взаимных аминокислот (согласно физико-химической
дистанции) является наиболее радикальной, а какая наиболее консервативной?
Р е ш е н и е . Для консервативных замен характерны значения дистанции
Грэнтсема более 57,9, следовательно, наиболее консервативной будет замена с
максимальным значением физико-химической дистанции. Это замены изолейцина на лейцин и метионин (дистанция Грэнтсема равна 95). Наиболее радикальным заменам аминокислот, напротив, свойственно минимальное значение
физико-химической дистанции. Это замена цистеина на триптофан (дистанция
Грэнтсема равна 0).
О т в е т : наиболее радикальной является замена цистеина на триптофан,
наиболее консервативной — изолейцина на лейцин и метионин.
5. Определите число одношаговых замен в выровненных последовательностях иРНК:
АUGUUCGGCАCUАGА
АUGUUUGCCGCUCGC
Р е ш е н и е . Разделим выровненные последовательности по кодонам:
АUG-UUC-GGC-АCU-АGА
АUG-UUU-GCC-GCU-CGC
Одношаговые замены наблюдаются во втором кодоне (замена C на U в
третьем положении), в третьем кодоне (замена G на C во втором положении) и
в четвертом кодоне (замена А на G в первом положении). В первом кодоне замен нуклеотидов нет, а в пятом кодоне произошла двухшаговая замена (А на C
в первом и третьем положениях).
О т в е т : 3 одношаговые замены.
6. Какой вид замен нуклеотидов (одношаговые или многошаговые) преобладает в выровненных участках иРНК:
АUGGGCАGUCCGGGААААААC
АUGGGАGGUCCАААА–––UUC
Р е ш е н и е . Разделим выровненные последовательности по кодонам:
АUG-GGC-АGU-CCG-GGА-ААА-ААC
АUG-GGА-GGU-CCА-ААА- – – – -UUU
Одношаговые замены наблюдаются во 2-м кодоне (C на А в 3-м положении), в 3-м кодоне (А на G в 1-м положении), в 4-м (G на А в 3-м положении).
Многошаговые замены обнаружены в 5-м (G на А во 2-м и 3-м положении)
и 7-м кодонах (А на U в 1-м и 2-м положениях, C на U в 3-м положении).
О т в е т : одношаговые замены.
7. Чему равно количество синонимичных и несинонимичных замен в данных участках последовательностей иРНК?
АUG-UUC-GGC-АCU-АGА
АUG-UUU-GCC-GCU-CGC
Р е ш е н и е . Замены нуклеотидов наблюдаются во 2-м, 3-м, 4-м и 5-м кодонах. Используя таблицу генетического кода (табл. 3), соотнесем кодоны
иРНК с кодируемыми аминокислотами:
АUG(Мет)-UUC(Фен)-GGC(Гли)-АCU(Тре)-АGА(Арг)
АUG(Мет)-UUU(Фен)-GCC(Ала)-GCU(Ала)-CGC(Арг)
Таблица 3
У
Ц
А
Г
У
фен
фен
лей
лей
лей
лей
лей
лей
иле
иле
иле
мет
вал
вал
вал
вал
Второе азотистое основание
Ц
А
Г
сер
тир
цис
сер
тир
цис
сер
non
non
сер
три
non
про
гис
арг
про
гис
арг
про
глн
арг
про
глн
арг
тре
асн
сер
тре
асн
сер
тре
лиз
арг
тре
лиз
арг
ала
асп
гли
ала
асп
гли
ала
глу
гли
ала
глу
гли
У
Ц
А
Г
У
Ц
А
Г
У
Ц
А
Г
У
Ц
А
Г
Третье азотистое основание
Первое азотистое основание
Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам
Замены во 2-м и 5-м кодонах являются синонимичными, так как они не
приводят к изменению кодируемой аминокислоты. Замены в 3-м и 4-м кодонах
несинонимичны, поскольку они изменяют кодируемую аминокислоту.
О т в е т : 2 синонимичные и 2 несинонимичные замены.
8. Охарактеризуйте замену нуклеотидов иРНК GUU→GCU с точки
зрения числа мутационных шагов, синонимичности и консервативности.
Р е ш е н и е . Данная замена обусловлена одношаговой мутацией U на C во
втором положении кодона. Она является несинонимичной, поскольку сопровождается изменением кодируемой аминокислоты GUU (Вал)→GCU (Ала). Физико-химическая дистанция между аланином и валином составляет 68, что
больше 57,9, замена консервативная.
О т в е т : одношаговая, несинонимичная, консервативная.
9. Охарактеризуйте замену нуклеотидов ДНК GТТ→ТТC с точки зрения
числа мутационных шагов, синонимичности и консервативности.
Р е ш е н и е . Произошедшая замена является двухшаговой, она обусловлена мутациями в 1-м (G на Т) и 3-м (Т на С) положениях кодона. Для определения синонимичности и консервативности следует предварительно определить
кодоны иРНК по принципу комплементарности:
ДНК GТТ→ ТТC
иРНК СAA→AAG
Согласно таблице генетического кода кодон САА соответствует глутамину, а кодон AAG — лизину. Поэтому данные замены нуклеотидов являются несинонимичными. Физико-химическая дистанция между данными аминокислотами составляет 73, что больше 57,9 (замена консервативная).
О т в е т : двухшаговая, несинонимичная, консервативная.
10. Какая замена менее опасна (согласно физико-химической дистанции)
для сохранения структуры и функции белка: аргинина на аспарагиновую кислоту или аспарагин?
Р е ш е н и е . Дистанция Грэнтсема для аргинина и аспарагиновой кислоты
равна 54 (меньше 57,9, замена радикальная), аргинина и аспарагина — 59 (больше 57,9, замена консервативная). Более консервативная замена менее опасна
для сохранения структуры и функции белка.
О т в е т : аргинина на аспарагин.
2.3. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1. Дайте характеристику (с точки зрения консервативности и радикальности) возможных замен цистеина на другие аминокислотные остатки.
2. Чему равно количество консервативных и радикальных замен в выров-
ненных участках последовательностей АТФаз 6 человека (H.s.) и рыбы (D.r.).
Н.s.KIKNALAHFL
D.r.QPTIALGHLL
3. Определите аминокислотные последовательности, закодированные в
данных иРНК, а также количество консервативных и радикальных замен аминокислот.
АUGUGUCUUGUGАGC
АUGUGGUUUGUАGGC
4. Какие из возможных замен триптофана на другие аминокислотные остатки являются консервативными?
5. Сколько радикальных замен аминокислот произошло на участке выровненных последовательностей алкогольдегидрогеназ классов 1С и 3 человека:
1С RVTQGKGLMP
3 DLGNPRGTLQ
6. Определите последовательность аминокислот, число одно-, двух- и
трехшаговых замен в выровненных участках последовательностей иРНК, кодирующих субъединицу 4L НАДН-дегидрогеназы человека (H.s.) и мыши (M.m.):
Н.s. AUGCCCCUCAUUUACAUAAAUAUUAUACUAGCA
M.m. AUGCCAUCUACCUUCUUCAACCUCACCAUAGCC
7. Сколько синонимичных и несинонимичных замен наблюдается на
участке последовательностей мРНК, приведенных в задаче № 6?
8. Охарактеризуйте замену нуклеотидов иРНК АGА→CGU с точки
зрения числа мутационных шагов, синонимичности и консервативности.
9. Определите число мутационных шагов, синонимичность и консервативность для замены нуклеотидов ДНК GGG→GCА.
10. Каковы последовательности аминокислот, закодированные в данных
участках иРНК? Сколько несинонимичных замен в них являются одношаговыми по
первому положению кодона? Являются ли они радикальными?
AUGGGUCAGCCUCAAACGAUGAUUGGCCCA
AUGGAACACGCCAAAACAAUGAUAGGUCAG