El reemplazo de aminoácidos es un cambio de un aminoácido a un aminoácido diferente en una proteína debido a una mutación puntual en la secuencia de ADN correspondiente. Es causada por una mutación de sentido erróneo no sinónimo que cambia la secuencia del codón para codificar otro aminoácido en lugar del original.
Reemplazos conservadores y radicales
No todos los reemplazos de aminoácidos tienen el mismo efecto sobre la función o estructura de la proteína. La magnitud de este proceso puede variar dependiendo de cuán similares o diferentes sean los aminoácidos reemplazados, así como de su posición en la secuencia o estructura. La similitud entre los aminoácidos se puede calcular basándose en matrices de sustitución , distancia físico-química o propiedades simples como el tamaño o la carga de los aminoácidos [1] (ver también propiedades químicas de los aminoácidos ). Por lo general, los aminoácidos se clasifican en dos tipos: [2]
- Reemplazo conservador : un aminoácido se intercambia por otro que tiene propiedades similares. Se espera que este tipo de reemplazo raramente resulte en una disfunción en la proteína correspondiente [ cita requerida ] .
- Reemplazo radical: un aminoácido se intercambia por otro con diferentes propiedades. Esto puede conducir a cambios en la estructura o función de las proteínas, lo que puede provocar potencialmente cambios en el fenotipo, a veces patógenos. Un ejemplo bien conocido en humanos es la anemia de células falciformes , debido a una mutación en la beta globina donde en la posición 6 el ácido glutámico (cargado negativamente) se intercambia con valina (sin carga).
Distancias fisicoquímicas
La distancia fisicoquímica es una medida que evalúa la diferencia entre los aminoácidos reemplazados. El valor de la distancia se basa en las propiedades de los aminoácidos. Hay 134 propiedades fisicoquímicas que pueden usarse para estimar la similitud entre los aminoácidos. [3] Cada distancia fisicoquímica se basa en una composición diferente de propiedades.
Personajes de dos estados | Propiedades |
1-5 | Presencia respectivamente de: β-CH 2 , γ-CH 2 , δ-CH 2 ( prolina anotó como positiva), ε-CH 2 grupo y a-CH 3 grupo |
6-10 | Presencia respectivamente de: grupos ω ― SH, ω ― COOH, ω ― NH 2 (básico), ω ― CONH 2 y ―CHOH |
11-15 | Presencia respectivamente de: anillo de benceno (incluido el triptófano como positivo), ramificación en la cadena lateral por un grupo CH, un segundo grupo CH 3 , dos pero no tres grupos ―H en los extremos de la cadena lateral (prolina puntuada como positiva) y una Grupo C ― S ― C |
16-20 | Presencia respectivamente de: grupo guanido , α ― NH 2 , α ― grupo NH en el anillo, δ ― grupo NH en el anillo, ―N = grupo en el anillo |
21-25 | Presencia respectivamente de: ―CH = N, grupo indolilo, grupo imidazol, grupo C = O en la cadena lateral y configuración en α ― C potencialmente cambiando la dirección de la cadena peptídica (solo la prolina puntúa como positiva) |
26-30 | Presencia respectivamente de: átomo de azufre, grupo OH alifático primario, grupo OH alifático secundario, grupo OH fenólico, capacidad para formar puentes S ― S |
31-35 | Presencia respectivamente de: imidazol ―grupo NH, indolilo ―grupo NH, ―grupo SCH 3 , un segundo centro óptico, el grupo N = CR ― NH |
36-40 | Presencia respectivamente de: grupo isopropilo, reactividad aromática distinta, reactividad aromática fuerte, carga terminal positiva, carga negativa a pH alto (la tirosina puntuó positiva) |
41 | Presencia de anillo de pirrolidina |
42-53 | Peso molecular (aproximado) de la cadena lateral, puntuado en 12 pasos aditivos (el azufre se cuenta como el equivalente de dos átomos de carbono, nitrógeno u oxígeno) |
54-56 | Presencia, respectivamente, de: sistema de anillo plano de 5, 6 y 9 miembros |
57-64 | pK en el punto isoeléctrico, puntuado de forma aditiva en pasos de 1 pH |
65-68 | Logaritmo de solubilidad en agua del isómero ʟ en mg / 100 ml., Puntuado aditivamente |
69-70 | Rotación óptica en 5 ɴ-HCl, [α] D 0 a -25 y más de -25, respectivamente |
71-72 | Rotación óptica en 5 ɴ-HCI, [α] 0 a +25, respectivamente (valores de glutamina y triptófano con agua como disolvente y de asparagina 3 · 4 ɴ-HCl) |
73-74 | Enlace de hidrógeno de cadena lateral (tipo iónico), donante fuerte y aceptor fuerte, respectivamente |
75-76 | Enlace de hidrógeno de cadena lateral (tipo neutro), donante fuerte y aceptor fuerte, respectivamente |
77-78 | Formador de estructura de agua, respectivamente moderado y fuerte |
79 | Rompe estructuras de agua |
80-82 | Electrones móviles pocos, moderados y muchos, respectivamente (puntuados de forma aditiva) |
83-85 | Estabilidad al calor y a la edad moderada, alta y muy alta, respectivamente (puntuada de forma aditiva) |
86-89 | R F en cromatografía de papel con fenol-agua en pasos de 0 · 2 (puntuados aditivamente) |
90-93 | R F en tolueno-piridina-glicolclorhidrina (cromatografía en papel del derivado de DNP) en pasos de 0 · 2 (puntuados aditivamente: para la lisina el derivado de di-DNP) |
94-97 | Color de ninhidrina después de cromatografía de colidina-lutidina y calentamiento 5 min a 100 ° C, respectivamente púrpura, rosa, marrón y amarillo |
98 | Fin de la cadena lateral furcada |
99-101 | Número de sustituyentes en el átomo de carbono β, respectivamente 1, 2 o 3 (puntuados de forma aditiva) |
102-111 | El número medio de pares de electrones solitarios en la cadena lateral (puntuados de forma aditiva) |
112-115 | Número de enlaces en la cadena lateral que permiten la rotación (puntuados de forma aditiva) |
116-117 | Volumen iónico dentro de los anillos leve o moderado (puntuado de forma aditiva) |
118-124 | Momento máximo de inercia para la rotación en el enlace α ― β (puntuado de forma aditiva en siete pasos aproximados) |
125-131 | Momento máximo de inercia para la rotación en el enlace β ― γ (puntuado aditivamente en siete pasos aproximados) |
132-134 | Momento máximo de inercia para la rotación en el enlace γ ― δ (puntuado aditivamente en tres pasos aproximados) |
La distancia de Grantham
La distancia de Grantham depende de tres propiedades: composición, polaridad y volumen molecular. [4]
La diferencia de distancia D para cada par de aminoácidos i y j se calcula como:
donde c = composición, p = polaridad yv = volumen molecular; y son constantes de cuadrados de las inversas de la distancia media para cada propiedad, respectivamente iguales a 1.833, 0.1018, 0.000399. Según la distancia de Grantham, los aminoácidos más similares son la leucina y la isoleucina y los más distantes son la cisteína y el triptófano.
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Índice de Sneath
El índice de Sneath tiene en cuenta 134 categorías de actividad y estructura. [3] El índice de disimilitud D es un valor porcentual de la suma de todas las propiedades no compartidas entre dos aminoácidos reemplazados. Es un valor porcentual expresado por, donde S es similitud.
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Coeficiente de diferencia de Epstein
El coeficiente de diferencia de Epstein se basa en las diferencias de polaridad y tamaño entre los pares de aminoácidos reemplazados. [5] Este índice que distingue la dirección del intercambio entre aminoácidos, descrito por 2 ecuaciones:
cuando un residuo hidrofóbico más pequeño se reemplaza por un residuo polar o hidrofóbico más grande
cuando se intercambia un residuo polar o un residuo más grande se reemplaza por un residuo más pequeño
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La distancia de Miyata
La distancia de Miyata se basa en 2 propiedades fisicoquímicas: volumen y polaridad. [6]
La distancia entre los aminoácidos a i y a j se calcula como dónde es el valor de la diferencia de polaridad entre los aminoácidos reemplazados y y es la diferencia de volumen; y son desviaciones estándar para y
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Intercambiabilidad experimental
La intercambiabilidad experimental fue ideada por Yampolsky y Stoltzfus. [7] Es la medida del efecto medio de intercambiar un aminoácido en un aminoácido diferente.
Se basa en el análisis de estudios experimentales en los que se compararon 9671 reemplazos de aminoácidos de diferentes proteínas para determinar el efecto sobre la actividad de las proteínas.
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Aminoácidos típicos e idiosincrásicos
Los aminoácidos también se pueden clasificar de acuerdo con la cantidad de aminoácidos diferentes por los que se pueden intercambiar mediante la sustitución de un solo nucleótido.
- Aminoácidos típicos: hay varios otros aminoácidos en los que pueden transformarse mediante la sustitución de un solo nucleótido. Los aminoácidos típicos y sus alternativas suelen tener propiedades fisicoquímicas similares. La leucina es un ejemplo de un aminoácido típico.
- Aminoácidos idiosincrásicos: hay pocos aminoácidos similares en los que pueden mutar mediante la sustitución de un solo nucleótido. En este caso, la mayoría de los reemplazos de aminoácidos serán perjudiciales para la función de las proteínas. El triptófano es un ejemplo de un aminoácido idiosincrásico. [8]
Tendencia a someterse a reemplazo de aminoácidos
Es más probable que algunos aminoácidos sean reemplazados. Uno de los factores que influye en esta tendencia es la distancia fisicoquímica. Un ejemplo de una medida de aminoácido puede ser el índice de estabilidad de Graur. [9] El supuesto de esta medida es que la tasa de reemplazo de aminoácidos y la evolución de la proteína depende de la composición de aminoácidos de la proteína. El índice de estabilidad S de un aminoácido se calcula en función de las distancias fisicoquímicas de este aminoácido y sus alternativas que pueden mutar a través de la sustitución de un solo nucleótido y las probabilidades de reemplazar en estos aminoácidos. Según la distancia de Grantham, el aminoácido más inmutable es la cisteína y el más propenso a sufrir intercambio es la metionina.
Codones alternativos | Aminoácidos alternativos | Probabilidades | Distancias de Grantham [4] | Distancia promedio |
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AUU, AUC, AUA | Isoleucina | 1/3 | 10 | 3.33 |
ACG | Treonina | 1/9 | 81 | 9.00 |
AAG | Lisina | 1/9 | 95 | 10,56 |
AGG | Arginina | 1/9 | 91 | 10.11 |
UUG, CUG | Leucina | 2/9 | 15 | 3.33 |
GUG | Valina | 1/9 | 21 | 2,33 |
Índice de estabilidad [9] | 38,67 |
Patrones de reemplazo de aminoácidos
La evolución de las proteínas es más lenta que el ADN ya que solo las mutaciones no sinónimas en el ADN pueden resultar en reemplazos de aminoácidos. La mayoría de las mutaciones son neutrales para mantener la función y estructura de las proteínas. Por lo tanto, cuanto más similares sean los aminoácidos, más probable será que sean reemplazados. Los reemplazos conservadores son más comunes que los reemplazos radicales, ya que pueden resultar en cambios fenotípicos menos importantes. [10] Por otro lado, es más probable que las mutaciones beneficiosas que mejoran las funciones de las proteínas sean reemplazos de radicales. [11] Además, las distancias fisicoquímicas, que se basan en las propiedades de los aminoácidos, se correlacionan negativamente con la probabilidad de sustitución de aminoácidos. Una menor distancia entre los aminoácidos indica que es más probable que se sustituyan.
Referencias
- ^ Dagan, Tal; Talmor, Yael; Graur, Dan (julio de 2002). "Las proporciones de reemplazo radical de aminoácidos conservadores se ven afectadas por factores mutacionales y de composición y pueden no ser indicativas de una selección darwiniana positiva" . Biología Molecular y Evolución . 19 (7): 1022–1025. doi : 10.1093 / oxfordjournals.molbev.a004161 . PMID 12082122 .
- ^ Graur, Dan (1 de enero de 2015). Evolución molecular y del genoma . Sinauer. ISBN 9781605354699.
- ^ a b c d Sneath, PH (1 de noviembre de 1966). "Relaciones entre estructura química y actividad biológica en péptidos". Revista de Biología Teórica . 12 (2): 157-195. doi : 10.1016 / 0022-5193 (66) 90112-3 . ISSN 0022-5193 . PMID 4291386 .
- ^ a b c Grantham, R. (6 de septiembre de 1974). "Fórmula de diferencia de aminoácidos para ayudar a explicar la evolución de las proteínas". Ciencia . 185 (4154): 862–864. Código Bibliográfico : 1974Sci ... 185..862G . doi : 10.1126 / science.185.4154.862 . ISSN 0036-8075 . PMID 4843792 . S2CID 35388307 .
- ^ a b Epstein, Charles J. (22 de julio de 1967). "No aleatoriedad de cambios de ácido aminado en la evolución de proteínas homólogas". Naturaleza . 215 (5099): 355–359. Código bibliográfico : 1967Natur.215..355E . doi : 10.1038 / 215355a0 . PMID 4964553 . S2CID 38859723 .
- ^ a b Miyata, T .; Miyazawa, S .; Yasunaga, T. (15 de marzo de 1979). "Dos tipos de sustituciones de aminoácidos en la evolución de las proteínas". Revista de evolución molecular . 12 (3): 219-236. Código bibliográfico : 1979JMolE..12..219M . doi : 10.1007 / BF01732340 . ISSN 0022-2844 . PMID 439147 . S2CID 20978738 .
- ^ a b Yampolsky, Lev Y .; Stoltzfus, Arlin (1 de agosto de 2005). "La intercambiabilidad de aminoácidos en proteínas" . Genética . 170 (4): 1459–1472. doi : 10.1534 / genetics.104.039107 . ISSN 0016-6731 . PMC 1449787 . PMID 15944362 .
- ^ Xia, Xuhua (31 de marzo de 2000). Análisis de datos en biología molecular y evolución . Springer Science & Business Media. ISBN 9780792377672.
- ^ a b c Graur, D. (1 de enero de 1985). "Composición de aminoácidos y tasas evolutivas de genes codificadores de proteínas". Revista de evolución molecular . 22 (1): 53–62. Código Bibliográfico : 1985JMolE..22 ... 53G . doi : 10.1007 / BF02105805 . ISSN 0022-2844 . PMID 3932664 . S2CID 23374899 .
- ^ Zuckerkandl; Pauling (1965). "Divergencia evolutiva y convergencia en proteínas". Nueva York: Academic Press : 97–166.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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