Proteinske natporodice

Proteinska natporodica, uobičajeno i proteinska superporodica, je najveća grupa (kladus) proteina za koje se može zaključiti zajedničko porijeklo (vidjeti homologija i homologija sekvence). Obično se ovo zajedničko porijeklo zaključuje iz poravnavanja struktura^[1] i mehaničke sličnosti, čak i ako sličnost sekvence nije evidentna.^[2] Stepen homologija sekvence tada se može zaključiti čak i ako nije očigledno (zbog male sličnosti sekvenci). Superporodice obično sadrže nekoliko proteinskih porodica koje pokazuju sličnost sekvenci unutar svake porodice. Termin proteinski klan obično se koristi za natporodice proteaza i glikozil-hidrolaza zasnovane na klasifikacijskim sistemima MEROPS i CAZy.^[2][3]

Identifikacija

Gore: sekundarna strukturna konzervacija 80 članova PA-proteaznog klana (natporodica). H = α-heliks, E = β-list, L = petlja. Ispod je konzerviranost sekvence za isto poravnavanje. Strelice označavaju ostatke katalitske trijade. Poravnano na osnovu strukture prema DALI.

Nadporodice proteina identificiraju se brojnim metodima. Blisko povezani članovi mogu se identificirati različitim metodima od onih potrebnih za grupisanje evolucijskio divergentnih članova.

Sličnost sekvence

Glavni članak: Homologija sekvence

Poravnanje sekvenci u histonima sisarskih proteina. Sličnost sekvenci implicira da su se razvijale putem genskih duplikacija. Konzervirani ostaci sekvenci označeni su sivo. Ispod proteinske sekvence je oznaka za njenu konzerviranost (*), konzervativne mutacije (:), semikonzervativne (.) i nekonzervativne mutacije ( ).^[4]

Historijski gledano, sličnost različitih aminokiselinskih sekvenci, uobičajeni je metod procjene homologije.^[5] Sličnost sekvenci je najbolji pokazatelj stepena srodnosti, budući da slične sekvence vjerovatnije posljedica genskih duplikcija i divergentne, nego konvergentne evolucije. Aminokiselinska sekvenca tipski je konzerviranija kada je sekvenca DNK (zbog degeneracije genetičkog koda), mnogo osjetljivija za detekciju srodnosti. Pošto neke aminokiseline imaju slična svojstva (naboj, hidrofobnost, veličinu), konzervativne mutacije u međusobnoj razmjeni često imaju neutralan efekt. Najkonzerviranije regije proteinskih sekvenci često korespondiraju sa funkcijski značajnim područjima, kao što su katalitska mjesta i mjesta vezanja, manje tolerantne za promjene sekvence.

Korištenje sličnosti sekvenci za zaključivanje homologije ima nekoliko ograničenja. Ne postoji minimalni nivo sličnosti sekvence zagarantovan za proizvodnju identičnih struktura. Tokom dugih evolucijskih perioda, srodni proteini možda neće pokazivati međusobno sličnu sekvencu. Sekvence sa mnogo insercija i delecija također ponekad mogu biti teške za poravnanje i tako identifikaciju regije homolognih sekvenci. Naprimjer, u PA-klanu proteaza, niti jedan ostatak nije konzerviran kroz natporodicu, čak ni oni u katalitskoj trijadi. Nasuprot tome, pojedinačne porodice koje čine natporodicu definirane su na osnovu njihovog poravnavanja sekvenci, naprimjer porodica proteaza C04 unutar klana PA.

Ipak, sličnost sekvenci je najčešće korišteni oblik dokaza za zaključivanje srodnosti, budući da broj poznatih sekvenci uveliko nadmašuje broj poznatih tercijarnih struktura.^[6] U nedostatku informacija o strukturi, sličnost sekvence predstavlja ograničenje za procjenu po kojem proteinu se daje naziv natporodice.^[6]

Strukturna sličnost

Strukturna homologija u natporodici PA (PA-klan). Dvostruki β-barel koji karakterizira natporodicu označen je crvenom bojom. Prikazane su reprezentativne strukture iz nekoliko porodica unutar natporodice PA.
Neki proteini pokazuju djelomično modificiranu strukturu. Himotripsin (1gg6), proteaza virusa nekroze duhana (1 lvm), kalicivirin (1 wqs), virus zapadnog Nila proteaza (1fp7), piling toksin (1exf), HtrA proteaza (1l1j), aktivator plazminogena zmijskog otrova (1bqy), hloroplast proteaza (4fln) i proteaza (1 mbm)virusa konjskog arteritisa.

Glavni članak: Strukturno poravnavanje

Struktura je mnogo više evolucijski očuvane sekvence, tako da su proteini sa vrlo sličnim strukture mogu imati potpuno različite sekvence.^[7] Tokom vrlo dugih evolucijskih vremenskih okvira, vrlo mali broj ostataka pokazuje konzerviranu sekvencu aminokiselina,ali elementi sekundarne strukture i motivi tercijarne strukture su visoko konzervirani. Neke dinamike proteina^[8] i promjene konformacije protrinske strukture također mogu biti konzervirane, kau i serpinskoj natporodici .^[9] Shodno tome, tercijarna struktura proteina može se koristiti za otkrivanje homologije među proteinima čak i kada u njihovim sekvencama nema dokaza o srodnosti. Programi strukturnog poravnavanja, poput DALI, koriste 3D strukturu proteina od interesa za pronalaženje proteina sa sličnim savijanjima.^[10] Međutim, u rijetkim slučajevima, srodni proteini mogu evoluirati tako da budu strukturno različiti,^[11] a srodnost se može zaključiti samo drugim metodima.^[12][13][14]

Mehanička sličnost

Glavni članak: Enzimski mehanizam

Katalitski mehanizam enzima unutar natporodice je obično konzerviran, iako specifičnost supstrata može biti značajno drugačija.^[15] Katalitski ostaci također se pojavljuju istim redoslijedom u proteinskoj sekvenci.^[16] Za porodice proteina unutar PA-klana proteaza, iako je došlo do divergentne evolucije ostataka katalitskih trijada korištenih za izvođenje katalize, svi članovi imaju sličan mehanizam za izvođenje kovalentne, nukleofilne katalize proteins, peptida ili aminokiselina.^[17] Međutim, sam mehanizam nije dovoljan za zaključivanje srodnosti. Neki katalitski mehanizmi su konvergentno evoluirani više puta neovisno, pa formiraju zasebne natporodice,^[18][19][20] a u nekim natporodicama ispoljavaju raspon različitih (iako često hemijski sličnih) mehanizama.^[15][21]

Evolucijski značaj

Proteinske natporodice predstavljaju dosadašnja ograničenja sposobnosti identifikacije zajedničkog porijekla.^[22] Oni su najveća evolucijska grupacija zasnovana na izravnim dokazima koja je zasad moguća. Stoga su oni među najstarijim evolucijskim događajima koji se upravo proučavaju. Neke superporodice imaju članove prisutne u svim carstvima života, što ukazuje na to da je posljednji zajednički predak te natporodice bio u posljednji univerzalni zajednički predak života uopće (LUCA).^[23]

Članovi natporodice mogu biti u različitim vrstama, s tim da je predački oblik proteina koji je postojao u predačkim vrstama (ortologija). Nasuprot tome, proteini mogu biti u istoj vrsti, ali su evoluirali iz jednog proteina čiji je gen dupliciran u genomu (paralogija).

Informatički rfesursi proteinskih natporodica

Nekoliko bioloških baza podataka dokumentira proteinske natporodice i proteinska savijanja, naprimjer:

• Pfam - Baza poravnavanja i HMM-ova proteinskih porodica
• PROSITE - Baza proteinskih domena, porodica i funkcionalnih lokacija
• PIRSF - Sistem klasifikacije superporodica
• PASS2 - Poravnavanje proteina kao strukturne natporodice v2
• SUPERFAMILY - Biblioteka HMM -ova koja predstavlja natporodice i baza podataka (natporodica i porodica) bilješki za sve potpuno sekvencirane organizme
• SCOP i CATH - Klasifikacija proteinskih struktura u natporodice, porodice i domene

Slično tome, postoje i algoritmi koji pretražuju PDB za proteine sa strukturnom homologijom prema ciljnoj strukturi, naprimjer:

• DALI - Strukturno poravnavanje zasnovano na metodi matrice poravnavanja udaljenosti

Također pogledajte

• Poravnanje sekvenci
• Proteinski domen
• Porodica proteina
• Mimetski protein
• Struktura proteina
• Homologija (biologija)
• Interolog
• SUPERFAMILY
• CATH