Классификация функций. Ферменты

I. Расшифровка кода данного фермента.

С помощью ресурсов сайта IUPAC этот код был расшифрован следующим образом:
1. Первая цифра кода — 2 — означает, что фермент принадлежит к классу трансфераз.
2. Две первых цифры — 2.7 — говорят о том, что фермент участвует в переносе фосфоросодержащих групп.
3. Три первых цифры — 2.7.1 — указывают на то, что акцептором в этом переносе является спиртовая группа.
4. Наконец, весь код — 2.7.1.21 — означает, что данный фермент является тимидинкиназой.

И, наконец, немного об IUPAC и IUBMB.

1. IUPAC был организован в 1919 году химиками, работавшими в науке и в промышленности. Подробнее см. здесь.
2. Международная комиссия по номенклатуре ферментов (IUBMB) была организована в 1955 году (эту информацию, а также руководителей комиссии за все годы её существования можно увидеть здесь).
3. Последние изменения и уточнения были внесены в номенклатуру ферментов после 31 января 2006 года. На момент написания материалов этого сделано ещё не было (подтверждение этой информации можно увидеть здесь).

II. Использование ресурса Brenda для характеристики заданного фермента.

Было найдено 180 ферментов с таким кодом.
А вот полученная схема ферментативной реакции:

На этой странице приведено полное описание фермента тимидинкиназы (с кодом 2.7.1.21).

Вот некоторые данные:
1. Оптимум pH имеет разброс от 6.8 (Bacteriophage T4) до 9 (Homo sapiens). Но в основном он принимает значения 7.4-7.5.

2. У данного фермента множество ингибиторов (АТФ, АДФ, различные ионы, тимидин, сульфат аммония и т.п.).
   Приведём изображения некоторых из них.
   

   Это 2'-деокси-3'-аминотимидин.

   Это 5-ацидо-2'-деоксиуридин-5'-монофосфат.

   Это ацикловир.

   Это кофеин.

3. Активаторов у этого фермента гораздо меньше (АТФ, ГТФ и ещё несколько). Не стоит удивляться, что одно и то же вещество (АТФ) может являться и ингибитором, и активатором. Из описанию тимидинкиназы следует, что у организмов Bacteriophage T4 и Herpes simplex АТФ выполняет функцию ингибирования, а у организма Mus musculus — активирования.
   Вы можете увидеть изображение одного из активаторов — дитиотреитола.
   

   

4. К сожалению, для данного типа ферментов не было обнаружено данных о характерных для него пострансляционных модификациях.

5. В большинстве организмов данный тип ферментов имеет структуру, состоящую из 2-х субъединиц, т.е. является димером. Однако у трёх организмов — Bacteriophage T4, Entomopoxvirus и Mus musculus — субъединичная структура не определена, а у Homo sapiens обнаружен фермент, являющийся тетрамером.

6. С данным ферментом (тимидинкиназой) связано большое количество болезней, которые иногда имеют совершенно разную природу.
   
   Опишем некоторые из найденных болезней.
   1. СПИД — синдром приобретённого иммунодефицита (Acquired Immunodeficiency Syndrome).
      

      Это заболевание вызывается ретровирусом — ВИЧ. Наблюдения показали, что содержание тимидинкиназы возрастает при развитии заболевания. Из этого делается вывод, что исследование этого фермента может помочь в поиске средств, которые будут способствовать лечению этого смертельного (на данный момент) заболевания.
      Подробнее об этом можно прочитать здесь.

   2. Герпес (Herpes Simplex).
      

      Вирус герпеса, как известно, встречается примерно у 90% людей и обитает в клетках нервной системы человека. При ослабленном иммунитете его наличие в организме проявляется в виде высыпаний на коже (в основном на носу и на губах).
      При наличии вируса герпеса очень часто выявляется мутантная форма фермента тимидинкиназы. Следовательно, наличие вируса в организме может как-то влиять на работу этого фермента. И наоборот: большое количество мутантных форм может уменьшать способность организма к борьбе с вирусом. Но это всего лишь гипотезы, а ссылка на материалы находится здесь.

   3. Ревматоидный артрит (Rheumatoid Arthritis).
      

      Некоторые гормоны (инсулин, глюкагон, глюкокортикоиды) регулируют экспрессию фосфоенолпируваткарбоксикиназы — регуляторного фермента. В статье сообщается о том, что ретиноевая кислота также может регулировать экспрессию этого фермента. Об участии тимидинкиназы в этих процессах можно посмотреть здесь.

   4. Недостаток витамина B12 (Vitamin B 12 Deficiency).
      

      Было обнаружено, что недостаток некоторых витаминов (к примеру, В12) ингибирует синтез тимидилата. Описана сложная цепочка реакций, связанных с этим процессом, и найти это можно здесь.

III. Сравнение ферментов с одинаковым кодом из эволюционно далёких организмов.

Нужно было найти в SWISS-Prot ферменты с данным кодом из трёх организмов — кишечной палочки Escherichia coli K-12, археи Methanococcus jannaschii и человека. Поиск осуществлялся в системе SRS с помощью следующего запроса:

([swissprot-ECNumber:2.7.1.21*] & (([swissprot-EntryName:*_Ecoli*] | [swissprot-EntryName:*_Human*]) | [swissprot-EntryName:*_Metja*]))

В итоге было найдено 3 белка: один у кишечной палочки и два у человека. У организма Methanococcus jannaschii не было найдено фермента с кодом 2.7.1.21. Поэтому, чтобы получить эволюционно дальний как от бактерий, так и от позвоночных белок (для более эффективного сравнения), был проведён ещё один поиск по данному коду — среди архей (к которым и относится Methanococcus jannaschii). Структура запроса:

([swissprot-ECNumber:2.7.1.21*] & [swissprot-Taxonomy:Archaea*])

Было найдено три белка, из которых был взят один — KITH_PYRKO (организм Pyrococcus kodakaraensis). Он исследовался дальше вместе с тремя найденными ранее белками.

Для сравнения доменной структуры найденных белков был использован вариант просмотра результата SW_InterProMatches. Его преимущество состоит в том, что он позволяет увидеть домены в последовательностях.

Ниже в таблице приведены результаты сравнения доменов Pfam.

ID белка	AC Number	Число доменов Pfam	Идентификатор Pfam	Положение домена в последовательности
KITH_ECOLI	P23331	1	PF00265	2 — 186
KITH_HUMAN	P04183	1	PF00265	19 — 189
KITM_HUMAN	O00142	1	PF01712	113 — 257
KITH_PYRKO	Q5JGT7	1	PF00265	8 — 192

Теперь нам нужны аминокислотные последовательности описанных доменов для получения их попарной идентичности. Последовательности получены с помощью программы seqret пакета EMBOSS (начало и конец доменов были указаны по "требованию" программы в ходе её исполнения). Сделано это было следующим образом:

seqret sw:P23331 -sask
seqret sw:P04183 -sask
seqret sw:O00142 -sask
seqret sw:Q5JGT7 -sask

Попарные идентичности, полученные в результате работы этого скрипта, сведены в одну таблицу.

AC Numbers	P23331	P04183	Q5JGT7
P23331	100%	25.0%	28.3%
P04183	-	100%	36.0%
Q5JGT7	-	-	100%

Далее можно посмотреть полученные выравнивания:
Kith_Ecoli и Kith_Human
Kith_Ecoli и Kith_Pyrko
Kith_Human и Kith_Pyrko

Попарная идентичность последовательностей получилась в примерном диапазоне от 25 до 35%. Результат вполне приемлемый, если учесть, что рассматривались очень далёкие организмы — кишечная палочка, архея и человек.

IV. База данных ENZYME.