Занятие 8. Ферменты и метаболические пути

Код фермента.

Белок ALR1_ECOLI имеет EC 5.1.1.1.
Расишифровка кода:
5 - Isomerases (изомеразы);
5.1 - Racemases and epimerases (рацемазы и эпимеразы);
5.1.1. - Acting on amino acids and derivatives (рацемазы, действующие на аминокислоты и их производные);
5.1.1.1 - Alanine racemase (аланин-рацемаза).
Фермент катализирует следующую реакцию:


 L-alanine <=> D-alanine 


Графическое изображение реакции:




Mетаболические пути.

Имя локуса гена белка ALR1_ECOLI - b4053.
Проведем поиск гена по названию его локуса (eco:b4053) в БД KEGG .
Метаболические пути, ассоциированных с геном белка PGM_ECOLI:


    eco00473  D-Alanine metabolism (метаболизм D-аланина)
    eco01100  Metabolic pathways (метаболические пути) 


Графическая карта метаболизма D-аланина лежит здесь . Реакция, катализируемая исследуемым ферментом, обведена красной линией.

Структурные формулы по БД KEGG .

1. L-глутамат (L-glutamate).
KEGG ID = С00025.
Структурная формула:

2. L-гистидин (L-histidine).
KEGG ID = C00135
Структурная формула:


Метаболический путь от одного заданного вещества к другому

С помощью БД KEGG Pathway было найдено несколько метаболических путей между L-глутаматом и L-гистидином. Среди них была выбрана одна цепочка ферментативных реакций:
путь : ko00340 Histidine metabolism (метаболизм гистидина);
цепочка : L-гистидин (на карте отмечен красным) -> L-глутамат (отмечен зеленым).
Этот путь осуществляется через 4 промежуточных соединения, которые отмечены на карте желтым цветом.



Можно было выбрать более короткий путь, который состоит из трех пролмежуточных соединений и четрыех реакций, при этом последняя реакция идет в обе стороны. Таким образом, не совсем корректно говорить о направлении путь. Исходя из этих воображений был выбран путь на одну реакицию длиннее, но зато с напралением стрелок только в одну сторону.

Сравнение метаболических путей у разных организмов

Возможность выбранной цепочки ферментативных в разных организмах с известными полными геномами.

Организм	Возможна ли цепочка реакций	Обоснование
Escherichia coli K-12 MG1655	нет	из пяти ферментов не известен ни один
Archaeoglobus fulgidus	нет	из пяти ферментов не известен ни один
Arabidopsis thaliana	нет	из пяти ферментов не известен ни один
Homo sapiens	нет	неизвестны гены ферментов, катализирующие 3, 4 и 5 стадии

Сравнение ферментов из далеких организмов

Заданный EC-код - 2.3.1.1. Для того, чтобы найти в SRS белки с таким кодом, маску использовать не стоит, поскольку нам не нужны EC-коды 2.3.1.11, 2.3.1.12 и так далее.
Для нахождения белков археи Archaeoglobus fulgidus и человека используем0 запрос ([uniprot-ECNumber:2.3.1.1] & ([uniprot-ID:*_HUMAN*] | [uniprot-ID:*_ARCFU*])) . С помощью него было найдено два белка, один из них (Q8N159) найден у человека , второй (O29118) - у археи. Белок Q8N159 (NAGS_HUMAN) - это N-ацетилглутаматсинтаза, белок O29118 (ARGJ_ARCFU) - бифункциональный белок, участвующий в биосинтезе аргинина.

Доменная организация белка Q8N159 (NAGS_HUMAN) по данным PFAM:


Для этого домена функция неизвестна.

Доменная организация белка O29118 (ARGJ_ARCFU) по данным PFAM:


Данный домен участвует в катализе первой и пятой стадии биосинтеза аргинина.
Проведя выравнивание аминокислотных последоватльностей этих доменов, увидим, что процент совпадения составляет всего 8,5%, что очень немного. Выравнивание, выполненное с помощью программы needle - aln.needle .

Воспользуемся инструментами KEGG, чтобы для человеческого белка найти лучшего ортолога из архей, а для архейного - лучшего ортолога у эукариот.

Ген, соответствующий белку Q8N159 (NAGS_HUMAN) - NAGS, ID в KEGG - hsa:162417.
Ген, соответствующий белку O29118 (ARGJ_ARCFU) - argJ, ID в KEGG - afu:AF1147.

Для белка NAGS_HUMAN лучшим ортологом из архей стал NP2852A, фосфомевалонат киназа. UniProt ID находки - Q3IQS7_NATPD, организм Natronomonas pharaonis. Процент идентичности - 25,4%, длина выравнивания - 243. Найденный предполагаемый ортолог имеет EС-код 2.7.4.2.
Для белка ARGJ_ARCFU лучшим ортологом из эукариот оказался CMS424C, глутамат N-ацетилтрансфераза из организма Cyanidioschyzon merolae. Процент идентичности - 41,8%, длина выравнивания - 516. найденный предполагаемый ортолог имеет EC-код 2.3.1.1, как и сам белок ARGJ_ARCFU.

Человек и археи находятся на огромном эволюционном растоянии, поэтому их белки имеют небольшой процент сходства и выполняют разные функции.
Между белком из археи Archaeoglobus fulgidus и белком из красной водоросли Cyanidioschyzon merolae больше сходства и они выполняют одинаковые функции. Это связано с тем, что они эволюционно ближе, чем человек и археи.