Занятие 3.

Объяснение кода фермента USHA_ECOLI.

ЕС код: 3.6.1.45
Расшифровка кода:
1. EC 3 Hydrolases (гидролазы, класс ферментов, катализирующий гидролиз ковалентной связи)
2. EC 3.6 Acting on acid anhydrides (действует на ангидриды кислот, т.е. на соединения, состоящие из двух кислотных остатков (например, карбоновых или фосфиновых кислот, т.е. фосфорсодержащих органических соединений с общей формулой R2POOH, где R - органический радикал), соединенных через атом кислорода)
3. EC 3.6.1 In phosphorus-containing anhydrides (на ангидриды, содержащие фосфор)
4. EC 3.6.1.45 UDP-sugar diphosphatase (UDP-сахарная дифосфатаза, фермент, который дефосфорилирует субстрат в результате гидролиза сложноэфирной связи фосфорной кислоты.)

Другие названия:

nucleosidediphosphate-sugar pyrophosphatase (нуклеозиддифосфат-сахарная пирофосфатаза);

nucleosidediphosphate-sugar diphosphatase (нуклеозиддифосфат-сахарная дифосфатаза);

UDP-sugar hydrolase (UDP-сахарная гидролаза);

UDP-sugar pyrophosphatase (UDP-сахарная пирофосфатаза).


Данная UDP-дифосфатаза катализирует следующую реакцию:

UDP-sugar + H2O = UMP + ?-D-aldose 1-phosphate




Определение метаболических путей, в которых участвует фермент UDP-sugar diphosphatase (UDP-сахарная дифосфатаза).

В БД KEGG был проведен поиск гена фермента UDP-sugar diphosphatase (UDP-сахарная дифосфатаза) по названию его локуса (b0480). По результатам поиска было найдено 4 метаболических пути, ассоциированных с изучаемым геном USHA_ECOLI:

eco00230  Purine metabolism 
          (метаболизм пуринов)
eco00240  Pyrimidine metabolism 
          (метаболизм пиримидинов)
eco00760  Nicotinate and nicotinamide metabolism
          (никотиновый и никотинамидный метаболизм)
eco01100  Metabolic pathways 
          (общий метаболический путь)

Карта метаболизма пуринов

Поиск в KEGG структурных формул глицерата и пирувата.

Поиск проводился в базе химических соединений KEGG LIGAND.
1) глицерат


Русское название: глицерат
Английские название: Glycerate
Идентификатор соединения: C00258 
Структурная формула:


2) пируват


Русское название: пируват
Английские название: Pyruvate
Идентификатор соединения: C00022
Структурная формула:




Метаболический путь от пирувата к глицерату

В БД KEGG Pathway был проведен поиск метаболического пути между пируватом и глицератом с помощью инструмента "Color objects in pathways". По результатам поиска была выбрана следующая цепочка ферментативных реакций:

путь: метаболизм глицина, серина и треонина
цепочка: пируват → глицерат и глицерат → пируват.

Карта метаболического пути между пируватом и глицератом

Был выбран наиболее короткий путь между пируватом и глицератом. Зеленым обозначены пируват и глицерат (т.к. выбранная реакция не имеет направления), желтым - промежуточные соединения. Все реакции обратимы.


Сравнение метаболических путей у разных организмов

Был проведен поиск полученной цепочки ферментативных реакций пируват → глицерат и глицерат → пируват в различных организмах. Результаты представлены в виде таблицы:

Возможность цепочки: пируват → глицерат и глицерат → пируват - в разных организмах с известными полными геномами.

Организм	Возможна ли цепочка реакций (да/нет/неизвестно)	Обоснование
Escherichia coli K-12 MG1655	Нет	Неизвестны гены большинства (2 из 3) ферментов, необходимых для осуществления цепочки реакций.
Archaeoglobus fulgidus	Нет	Нет ни одного фермента, необходимого для осуществления цепочки реакций. (Точнее, гены этих ферментов неизвестны)
Arabidopsis thaliana	Нет	Нет большинства ферментов, катализирующих процесс.
Homo sapiens	Нет	Для 2 из 3 ферментов, катализирующих обратимый путь от пирувата к глицерату, гены неизвестны.


Как видно, обратимая цепочка пируват → глицерат полностью не представлена во всех выбранных организмах.

Однако если посмотреть более длинный путь с 4 промежуточными соединениями, то в организме Escherichia coli K-12 MG1655 можно осуществить синтез пирувата из глицерата. Карта метаболического пути между пируватом и глицератом в организме Escherichia coli K-12 MG1655 (красным отмечен глицерат, зеленым-пируват, желтым-промежуточные соединения).
Но и этот более длинный путь представлен не во всех организмах (в Archaeoglobus fulgidus и Arabidopsis thaliana не представлен, а в Homo sapiens представлен).

Сравните ферменты из далеких организмов

Был выдан EC-код: 4.2.1.75

Accepted name: uroporphyrinogen-III synthase

Reaction: hydroxymethylbilane = uroporphyrinogen III + H2O


С помощью одного запроса к SRS нашли ферменты с заданным EC-кодом у человека и археи Archaeoglobus fulgidus (окончание имени "_ARCFU").

Опция использования маски (Use wildcards) была снята, чтобы находились только ферменты с кодом 4.2.1.75, а не 4.2.1.75*, так как теоретически возможны (хотя, мне кажется, это маловероятно) порядковые номера вида 75X, где X - еще какая-то цифра.


([uniprot-ECNumber:4.2.1.75*] & ([uniprot-ID:*_human*] |  [uniprot-ID:*_ARCFU*])) 

Нашлось 2 белка, один из которых принадлежат археям, а один - человеку.

HEM4_ARCFU
HEM4_HUMAN

Сравнение доменной организации найденных белков

ID	Pfam AC	Изображение	Координаты домена
HEM4_ARCFU	PF02602		13-219
HEM4_HUMAN	PF02602		17-253

Нетрудно заметить, что находки имеют похожую доменную организацию.

Только длина домена у архей составляет 207 аминокислотных остатка, а у человека - 237 аминокислотных остатка.

Для дальнейшего анализа были выбраны оба белка: HEM4_ARCFU и HEM4_HUMAN.


Поиск ортологов

Для белка HEM4_ARCFU имя локуса его гена - afu:AF0116. С помощью инструментов KEGG для выбранного архейного белка (HEM4_ARCFU, поиск в KEGG осуществлялся по afu:AF0116) был найден лучший ортолог из эукариот. Им оказался белок из Xenopus laevis (African clawed frog) - xla:447178.
Процент совпадения: 31.1% Длина выравнивания: 262 аминокислотных остатка

Аналогичные операции проводились для человеческого белка HEM4_HUMAN (ген hsa:7390). Лучший ортолог для человеческого белка HEM4_HUMAN - mvn:Mevan_1381 из Methanococcus vannielii
Процент совпадения: 23.9% Длина выравнивания: 246 аминокислотных остатка

Оба ортолога сохранили ферментативную функцию исходных белков (EC 4.2.1.75).

Оба эти белка стоят на первом месте в десятке лучших ортологов друг друга.