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 (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 1Oxidoreductases

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 2Transferases

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 3Hydrolases

Formation of two products from a substrate by hydrolysiss

AB + H2O → AOH + BH

EC 4Lyases

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 5Isomerases

Intramolecule rearrangement, i.e. isomerization changes within a single molecule

AB → BA

EC 6Ligases

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

Три свойства белка. Как они связаны?

ПоследовательностьПоследовательность

ФункцияФункция3D3D

структураструктура

? ?

?

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

Сход

ство

стр

укту

р

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

ФункцияФункция3D3D структураструктура

ПоследовательностьПоследовательность

?

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

• ЕС 4.2.1.1• Карбангидраза H2CO3 = CO2 + H2O

CAH_METTECAH5_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

С00047 - лизинK04527 – инсулиновый рецепторhsa5210 – путь возникновения рака простаты

KEGG PATHWAY91,564 пути на основе 345 «reference pathways»

KEGG: биологические процессы

Reference pathway Homo sapiens