Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Аминокислоты
Эмпирические аналогии между аминокислотными остатками

Биологическое разнообразие облегчает анализ. Существующее множество биологических видов, наверное, никогда не сможет быть объяснено. Особенность каждого из них зависит от столь, большого числа случайных событий (событий, которые мы не знаем и полагаем случайными), что в биологии приобрел большое значение чисто исторический подход. Хотя на первый взгляд такой подход выглядит весьма неподходящим для объяснения основных принципов, тем не менее на практике он оказался чрезвычайно полезным.

Частота замен выявляет сходство. В отношении боковых цепей, например, можно найти аналогию при анализе частоты замен аминокислот в последовательностях соответствующих белков гомологичных организмов. Для получения более точной меры подобия наблюдаемые частоты нормируют, т. е. относят к частоте замен, которые могут возникнуть случайно. Из-за неравномерного распределения аминокислот в природе последние характеристики специфичны для каждой замены: замена Ala-Leu в 13,0 ∙ 7,8/3,3 ∙ 2,2 = 14 раз более вероятна, чем замена Phe-Tyr (см. графу «Относительное содержание в белках Е. coli» в табл. 1.1).

Таблица 1.2 Матрица частот взаимных замещении на эволюционном пути в 256 точечных мутациях на 100 остатков (РАМ)^а

^а Данные взяты из работы [20]; единица РАМ определена в разд. 9.1. Каждая величина, есть отношение вероятности того, что данная пара аминокислот может находиться в данном месте белков данного рода, к вероятности того, что это может произойти случайно. Все величины умножены на 10. Например, в двух последовательностях на эволюционном расстоянии в 256 РАМ можно найти Leu и Met в 2,1 раза чаще, чем это могло бы произойти случайно. Пара Asp и Туr встречается всего в 0,1 раза чаще, чем случайно, т. е. для данной свернутой, цепи замещение Asp → Туr или Туr → Asp весьма невыгодно, а значит запрещено. Аминокислоты расположены так, что величина ∑mij (t — j)² минимальна. Таким образом, сближены аминокислоты, которые часто замещают друг друга в данном положении свернутой цепи.

Группы взаимозаменяемых остатков. Наблюдаемые вероятности замен даны в табл. 1.2. Аминокислоты расположены таким образом, чтобы второй момент относительно диагонали, ∑mij(j—i)², был минимален. Такое расположение выявляет обменивающиеся группы. Замена одной аминокислоты на другую происходит преимущественно внутри таких групп. Поэтому эти аминокислоты большей частью похожи одна на другую в отношении их общего влияния на структуры белков.

Эмпирические характеристики остатков в табл. 1.2 показывают, что ароматические аминокислоты Phe, Туr и Тгр образуют группу взаимозаменяемых остатков и что их роли близки. Кроме того, аналогичную группу образуют положительно заряженные остатки Lys, Arg и His. Отметим, что отрицательно заряженные остатки Glu и Asp заметно удалены от положительно заряженных остатков. Таким образом, замещения между противоположно заряженными остатками редки. Высокую частоту замещений следовало бы ожидать, если бы заряженные остатки всегда находились на поверхности молекулы и не выполняли бы иных функций, кроме увеличения растворимости белка.

Важен размер боковой цепи. Очевидно, что крупные алифатические неполярные остатки Val, Leu и Ile (но не Pro!) образуют труппу взаимозаменяемых аминокислот, которая включает также слабополярные Met и Cys. Все малые остатки (Ser, Thr, Asp, Asn, Gly, Ala, а также Glu, Gln и Pro) образуют отдельную группу. Таким образом, оказываются объединенными такие не похожие остатки, как неполярный Pro и сильнополярный Asp. Следовательно, создается впечатление, что для белковых структур размер боковой цепи почти так же важен, как и ее химическая природа.