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

Функции.
Ферменты. Метаболические пути.
А.Б.Рахманинова, 2010
Вопросы
• 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?
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
(http://www.iupac.org/)
IUPAC-IUBMB: International Union of Biochemistry and Molecular Biology
(http://www.iubmb.unibe.ch/)
Классификация ферментов:
Enzyme Nomenclature
(http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/)
Классификация основана на “EC number” (например, EC 1.1.1.1)
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).
Group
Reaction catalyzed
Typical 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
hydrolysiss
AB + H2O → 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 + CO2
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 1.1.1 With NAD or NADP as acceptor
EC 1.1.1.1 alcohol dehydrogenase
…
EC 1.1.1.3 homoserine dehydrogenase
EC 1.1.2 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 2.1.1 Methyltransferases
EC 2.1.1.1 nicotinamide N-methyltransferase
EC 3
EC 4
EC 5
ЕC 6
Hydrolases
Lyases
Isomerases
Ligases
Три свойства белка. Как они связаны?
Последовательность
?
?
3D
структура
Функция
?
Пространственные структуры более
консервативны, чем последовательности.
Высокое сходство структур свидетельствует о гомологии
Гемоглобин свиньи и
миоглобин кита
Сходство структур
Внутри одного класса 3Dструктур можно найти белки с
seq. id 20%.
Сходство последовательностей
Фермент – это не белок, а свойство белка
CYSG_ECOLI
Бывают ли в одном гомологичном семействе
белки с разной функцией?
190 семейств
EC versus Id
Последовательность
структуры
практически
одинаковы, если Id>20%
При Id>40% функция ферментов
сохраняется в 90% случаев
3D
структура
Функция
?
Дивергентная эволюция функции на базе одной
структуры
(пример из статьи Hegyi H, Gerstein M. J Mol Biol. 1999 Apr 23;288(1):147-64 )
1 Оксидоредуктазы EC 1.*.*
3 Гидролазы EC 3.*.*
4 Лиазы EC 4.*.*
5 Изомеразы EC 5.*.*
Конвергентная эволюция функции: аналогичные
ферменты
CAH5_MOUSE
• ЕС 4.2.1.1
• Карбангидраза
H2CO3 = CO2 + H2O
CAH_METTE
Конвергентная эволюция
ферментов встречается часто
Наблюдение:
1,8 функции на один тип структуры( folds),
но 2,5 фолдов на одну функцию
Вопросы
• Один белок – один фермент?
(нет)
• Гомологичные белки – одинаковые EC
коды? (при Id>40%, скорее, да
• Одинаковые EC коды – гомологичные
белки? Часто, но далеко не всегда!)
Метаболические пути. БД KEGG
Метаболический путь
Метаболический путь – сеть
ферментативных реакций,
таких, что продукт одной
реакции является
субстратом другой. Принято
изображать в виде графа,
вершинами которого
являются идентификаторы
реактантов.
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
С00047 - лизин
K04527 – инсулиновый рецептор
hsa5210 – путь возникновения рака простаты
KEGG: биологические процессы
KEGG PATHWAY
91,564 пути на основе 345 «reference pathways»
Reference pathway
Homo sapiens