Reemplazo de aminoácidos

Intercambio entre aminoácidos de una proteína

El reemplazo de aminoácidos es un cambio de un aminoácido a otro en una proteína debido a una mutación puntual en la secuencia de ADN correspondiente. Es causado por una mutación sin sentido no sinónima que cambia la secuencia de codones para codificar otro aminoácido en lugar del original.

Mutaciones notables

Reemplazos conservadores y radicales

No todos los reemplazos de aminoácidos tienen el mismo efecto sobre la función o la 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 la estructura. La similitud entre aminoácidos se puede calcular en base a matrices de sustitución , distancia fisicoquímica o propiedades simples como el tamaño o la carga del aminoácido ^[1] (ver también propiedades químicas de los aminoácidos ). Por lo general, los aminoácidos se clasifican en dos tipos: ^[2]

• Reemplazo conservador : se intercambia un aminoácido por otro que tiene propiedades similares. Se espera que este tipo de reemplazo rara vez resulte en una disfunción en la proteína correspondiente ^{[ cita requerida ]} .
• Reemplazo radical: un aminoácido se intercambia por otro con propiedades diferentes. Esto puede provocar cambios en la estructura o función de la proteína, lo que puede provocar 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 (con carga negativa) se intercambia con valina (sin carga).

Distancias fisicoquímicas

La distancia fisicoquímica es una medida que evalúa la diferencia entre aminoácidos reemplazados. El valor de la distancia se basa en las propiedades de los aminoácidos. Existen 134 propiedades fisicoquímicas que se pueden utilizar para estimar la similitud entre aminoácidos. ^[3] Cada distancia fisicoquímica se basa en una composición diferente de propiedades.

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: ${\displaystyle D_{ij}=[\alpha (c_{i}-c_{j})^{2}+\beta (p_{i}-p_{j})^{2}+\gamma (v_{i}-v_{j})^{2}]^{\frac {1}{2}}}$

donde c = composición, p = polaridad y v = volumen molecular; y son constantes de los 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.

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. ${\displaystyle D=1-S}$

Coeficiente de diferencia de Epstein

El coeficiente de diferencia de Epstein se basa en las diferencias de polaridad y tamaño entre pares de aminoácidos reemplazados. ^[5] Este índice que distingue la dirección del intercambio entre aminoácidos, se describe mediante dos ecuaciones:

${\displaystyle \Delta _{a\rightarrow b}=(\delta _{polarity}^{2}+\delta _{size}^{2})^{1/2}}$Cuando un residuo hidrófobo más pequeño se reemplaza por un residuo hidrófobo o polar más grande.

${\displaystyle \Delta _{a\rightarrow b}=(\delta _{polarity}^{2}+[0.5\delta _{size}]^{2})^{1/2}}$cuando se intercambia un residuo polar o se reemplaza un residuo más grande por uno más pequeño

La distancia de Miyata

La distancia de Miyata se basa en dos propiedades fisicoquímicas: volumen y polaridad. ^[6]

La distancia entre los aminoácidos a _i y a _j se calcula como donde es el valor de la diferencia de polaridad entre los aminoácidos reemplazados y y es la diferencia para el volumen; y son las desviaciones estándar para y ${\displaystyle d_{ij}={\sqrt {(\Delta p_{ij}/\sigma _{p})^{2}+(\Delta v_{ij}/\sigma _{v})^{2}}}}$ ${\displaystyle \Delta p_{ij}}$ ${\displaystyle \Delta v_{ij}}$ ${\displaystyle \sigma _{p}}$ ${\displaystyle \sigma _{v}}$ ${\displaystyle \Delta p_{ij}}$ ${\displaystyle \Delta v_{ij}}$

Intercambiabilidad experimental

La intercambiabilidad experimental fue ideada por Yampolsky y Stoltzfus. ^[7] Es la medida del efecto medio de intercambiar un aminoácido por 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 su efecto sobre la actividad proteica.

Aminoácidos típicos e idiosincrásicos

Los aminoácidos también se pueden clasificar según la cantidad de aminoácidos diferentes por los que se pueden intercambiar mediante la sustitución de un solo nucleótido.

• Aminoácidos típicos: existen 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 aminoácido típico.
• Aminoácidos idiosincrásicos: hay pocos aminoácidos similares a los que se puede mutar mediante la sustitución de un solo nucleótido. En este caso, la mayoría de los reemplazos de aminoácidos afectarán la función de la proteína. El triptófano es un ejemplo de aminoácido idiosincrásico. ^[8]

Tendencia a sufrir reposición de aminoácidos.

Algunos aminoácidos tienen más probabilidades de ser reemplazados. Uno de los factores que influye en esta tendencia es la distancia fisicoquímica. Un ejemplo de una medida de aminoácidos puede ser el índice de estabilidad de Graur. ^[9] La suposición de esta medida es que la tasa de reemplazo de aminoácidos y la evolución de la proteína dependen 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 reemplazarse 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.

Patrones de reemplazo de aminoácidos

La evolución de las proteínas es más lenta que la del ADN, ya que solo las mutaciones no sinónimas en el ADN pueden dar lugar a sustituciones de aminoácidos. La mayoría de las mutaciones son neutrales para mantener la estructura y la función de las proteínas. Por lo tanto, cuanto más similares sean los aminoácidos, más probable será que se sustituyan. Las sustituciones conservadoras son más comunes que las radicales, ya que pueden dar lugar a cambios fenotípicos menos importantes. ^[10] Por otro lado, las mutaciones beneficiosas, que mejoran las funciones de las proteínas, tienen más probabilidades de ser sustituciones radicales. ^[11] Además, las distancias fisicoquímicas, que se basan en las propiedades de los aminoácidos, están negativamente correlacionadas con la probabilidad de sustituciones de aminoácidos. Una distancia menor entre aminoácidos indica que es más probable que sufran una sustitución.

Referencias

1. Dagan, Tal; Talmor, Yael; Graur, Dan (julio de 2002). "Las proporciones de reemplazo de aminoácidos radicales y conservadores se ven afectadas por factores mutacionales y composicionales 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.
2. Graur, Dan (1 de enero de 2015). Evolución molecular y genómica. Sinauer. ISBN 9781605354699.
3. Sneath, PH (1966-11-01). "Relaciones entre la estructura química y la actividad biológica en péptidos". Journal of Theoretical Biology . 12 (2): 157–195. Bibcode :1966JThBi..12..157S. doi :10.1016/0022-5193(66)90112-3. ISSN  0022-5193. PMID  4291386 – vía Elsevier Science Direct.
4. Grantham, R. (6 de septiembre de 1974). "Fórmula de diferencia de aminoácidos para ayudar a explicar la evolución de las proteínas". Science . 185 (4154): 862–864. Bibcode :1974Sci...185..862G. doi :10.1126/science.185.4154.862. ISSN  0036-8075. PMID  4843792. S2CID  35388307.
5. Epstein, Charles J. (22 de julio de 1967). "No aleatoriedad de los cambios de aminoácidos en la evolución de proteínas homólogas". Nature . 215 (5099): 355–359. Bibcode :1967Natur.215..355E. doi :10.1038/215355a0. PMID  4964553. S2CID  38859723.
6. Miyata, T.; Miyazawa, S.; Yasunaga, T. (1979-03-15). "Dos tipos de sustituciones de aminoácidos en la evolución de proteínas". Journal of Molecular Evolution . 12 (3): 219–236. Bibcode :1979JMolE..12..219M. doi :10.1007/BF01732340. ISSN  0022-2844. PMID  439147. S2CID  20978738.
7. 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. 
8. Xia, Xuhua (31 de marzo de 2000). Análisis de datos en biología molecular y evolución. Springer Science & Business Media. ISBN 9780792377672.
9. Graur, D. (1985-01-01). "Composición de aminoácidos y tasas evolutivas de genes codificadores de proteínas". Journal of Molecular Evolution . 22 (1): 53–62. Bibcode :1985JMolE..22...53G. doi :10.1007/BF02105805. ISSN  0022-2844. PMID  3932664. S2CID  23374899.
10. Zuckerkandl; Pauling (1965). "Divergencia y convergencia evolutiva en proteínas". Nueva York: Academic Press : 97–166.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
11. Dagan, Tal; Talmor, Yael; Graur, Dan (1 de julio de 2002). "Las proporciones de reemplazo de aminoácidos radicales a conservadores se ven afectadas por factores mutacionales y composicionales y pueden no ser indicativas de una selección darwiniana positiva". Biología molecular y evolución . 19 (7): 1022–1025. doi :10.1093/oxfordjournals.molbev.a004161. ISSN  0737-4038. PMID  12082122.