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superfamilia de proteínas

Una superfamilia de proteínas es la agrupación más grande ( clado ) de proteínas para la cual se puede inferir un ancestro común (véase homología ). Por lo general, este ancestr...

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Una superfamilia de proteínas es la agrupación más grande ( clado ) de proteínas para la cual se puede inferir un ancestro común (véase homología ). Por lo general, este ancestro común se infiere a partir de la alineación estructural [ 1 ] y la similitud mecanística, incluso si no hay similitud de secuencia evidente. [ 2 ] La homología de secuencia se puede deducir incluso si no es aparente (debido a la baja similitud de secuencia). Las superfamilias suelen contener varias familias de proteínas que muestran similitud de secuencia dentro de cada familia. El término clan de proteínas se usa comúnmente para las superfamilias de proteasas e hidrolasas de glicosilación basadas en los sistemas de clasificación MEROPS y CAZy . [ 2 ] [ 3 ]

El término plegamiento proteico se refiere a un concepto similar basado en la comparación estructural. En algunos esquemas, como SCOP y CATH, se trata como un nivel superior a la superfamilia (donde el ancestro común a nivel de plegamiento no está tan fuertemente respaldado como a nivel de superfamilia), mientras que otros esquemas los tratan como sinónimos. El nivel más allá del plegamiento es la clase de plegamiento , que describe una topología aproximada de la proteína (por ejemplo, todo α, todo β, α+β, α/β). [ 4 ]

Identificación

Arriba, conservación de la estructura secundaria de 80 miembros del clan de proteasas PA (superfamilia). H indica hélice α , E indica lámina β , L indica bucle. Abajo, conservación de la secuencia para la misma alineación. Las flechas indican residuos de la tríada catalítica . Alineado en base a la estructura por DALI.

Las superfamilias de proteínas se identifican mediante diversos métodos. Los miembros estrechamente relacionados pueden identificarse con métodos diferentes a los necesarios para agrupar a los miembros más divergentes desde el punto de vista evolutivo.

Similitud de secuencias

Alineamiento de secuencias de proteínas histonas de mamíferos . La similitud de las secuencias implica que evolucionaron por duplicación génica . Los residuos conservados en todas las secuencias están resaltados en gris. Debajo de las secuencias de proteínas hay una clave que indica: [ 5 ]

Históricamente, la similitud de diferentes secuencias de aminoácidos ha sido el método más común para inferir homología . [ 6 ] La similitud de secuencias se considera un buen predictor de parentesco, ya que las secuencias similares tienen más probabilidades de ser el resultado de la duplicación de genes y la evolución divergente , en lugar del resultado de la evolución convergente . La secuencia de aminoácidos suele estar más conservada que la secuencia de ADN (debido al código genético degenerado ), por lo que es un método de detección más sensible. Dado que algunos aminoácidos tienen propiedades similares (por ejemplo, carga, hidrofobicidad, tamaño), las mutaciones conservativas que los intercambian suelen ser neutras para la función. Las regiones de secuencia más conservadas de una proteína suelen corresponder a regiones funcionalmente importantes como los sitios catalíticos y los sitios de unión, ya que estas regiones son menos tolerantes a los cambios de secuencia.

El uso de la similitud de secuencias para inferir homología presenta varias limitaciones. No existe un nivel mínimo de similitud de secuencias que garantice la obtención de estructuras idénticas. A lo largo de extensos periodos de evolución, las proteínas relacionadas pueden no mostrar similitud de secuencia detectable entre sí. Las secuencias con muchas inserciones y deleciones también pueden ser difíciles de alinear y, por lo tanto, de identificar las regiones de secuencia homólogas. En el clan PA de proteasas , por ejemplo, ningún residuo se conserva en toda la superfamilia, ni siquiera los de la tríada catalítica . Por el contrario, las familias individuales que componen una superfamilia se definen en función de su alineación de secuencias, como por ejemplo la familia de proteasas C04 dentro del clan PA.

Sin embargo, la similitud de secuencias es la forma de evidencia más utilizada para inferir parentesco, ya que el número de secuencias conocidas supera ampliamente el número de estructuras terciarias conocidas . [ 7 ] En ausencia de información estructural, la similitud de secuencias limita las posibilidades de asignar proteínas a una superfamilia. [ 7 ]

Similitud estructural

Homología estructural en la superfamilia PA (clan PA). El doble barril β que caracteriza a la superfamilia está resaltado en rojo. Se muestran estructuras representativas de varias familias dentro de la superfamilia PA. Nótese que algunas proteínas muestran estructuras parcialmente modificadas. Quimotripsina (1gg6), proteasa del virus del grabado del tabaco (1lvm), calicivirina (1wqs), proteasa del virus del Nilo Occidental (1fp7), toxina exfoliatina (1exf), proteasa HtrA (1l1j), activador del plasminógeno del veneno de serpiente (1bqy), proteasa del cloroplasto (4fln) y proteasa del virus de la arteritis equina (1mbm).

La estructura se conserva mucho más evolutivamente que la secuencia, de modo que las proteínas con estructuras muy similares pueden tener secuencias completamente diferentes. [ 8 ] En escalas de tiempo evolutivas muy largas, muy pocos residuos muestran una conservación detectable de la secuencia de aminoácidos; sin embargo, los elementos estructurales secundarios y los motivos estructurales terciarios están altamente conservados. Algunas dinámicas de proteínas [ 9 ] y cambios conformacionales de la estructura proteica también pueden conservarse, como se observa en la superfamilia de las serpinas . [ 10 ] En consecuencia, la estructura terciaria de las proteínas puede utilizarse para detectar homología entre proteínas incluso cuando no queda evidencia de parentesco en sus secuencias. Los programas de alineación estructural , como DALI , utilizan la estructura 3D de una proteína de interés para encontrar proteínas con plegamientos similares. [ 11 ] Sin embargo, en raras ocasiones, las proteínas relacionadas pueden evolucionar para ser estructuralmente disímiles [ 12 ] y el parentesco solo puede inferirse mediante otros métodos. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Similitud mecanicista

El mecanismo catalítico de las enzimas dentro de una superfamilia se conserva comúnmente, aunque la especificidad del sustrato puede ser significativamente diferente. [ 16 ] Los residuos catalíticos también tienden a aparecer en el mismo orden en la secuencia de proteínas. [ 17 ] Para las familias dentro del clan PA de proteasas, aunque ha habido una evolución divergente de los residuos de la tríada catalítica utilizados para realizar la catálisis, todos los miembros utilizan un mecanismo similar para realizar catálisis nucleofílica covalente en proteínas, péptidos o aminoácidos. [ 18 ] Sin embargo, el mecanismo por sí solo no es suficiente para inferir parentesco. Algunos mecanismos catalíticos han evolucionado convergentemente varias veces de forma independiente, y por lo tanto forman superfamilias separadas, [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] y en algunas superfamilias muestran una gama de mecanismos diferentes (aunque a menudo químicamente similares). [ 16 ] [ 22 ]

Importancia evolutiva

Las superfamilias de proteínas representan los límites actuales de nuestra capacidad para identificar ancestros comunes. [ 23 ] Son la agrupación evolutiva más grande basada en evidencia directa que es posible en la actualidad. Por lo tanto, se encuentran entre los eventos evolutivos más antiguos que se estudian actualmente. Algunas superfamilias tienen miembros presentes en todos los reinos de la vida , lo que indica que el último ancestro común de esa superfamilia fue el último ancestro común universal de toda la vida (LUCA). [ 24 ]

Los miembros de una superfamilia pueden pertenecer a diferentes especies, siendo la proteína ancestral la forma de la proteína que existía en la especie ancestral ( ortología ). Por el contrario, las proteínas pueden pertenecer a la misma especie, pero evolucionaron a partir de una única proteína cuyo gen se duplicó en el genoma ( paralogía ).

Diversificación

La mayoría de las proteínas contienen múltiples dominios. Entre el 66 y el 80 % de las proteínas eucariotas tienen múltiples dominios, mientras que entre el 40 y el 60 % de las proteínas procariotas los tienen. [ 6 ] Con el tiempo, muchas de las superfamilias de dominios se han mezclado. De hecho, es muy raro encontrar "superfamilias consistentemente aisladas". [ 6 ] [ 1 ] Cuando los dominios se combinan, el orden de los dominios de N-terminal a C-terminal (la "arquitectura de dominios") suele estar bien conservado. Además, el número de combinaciones de dominios que se observan en la naturaleza es pequeño en comparación con el número de posibilidades, lo que sugiere que la selección actúa sobre todas las combinaciones. [ 6 ]

Ejemplos

superfamilia de hidrolasas α/β
Los miembros comparten una lámina α/β, que contiene 8 hebras conectadas por hélices , con residuos de tríada catalítica en el mismo orden, [ 25 ] las actividades incluyen proteasas , lipasas , peroxidasas , esterasas , epóxido hidrolasas y deshalogenasas . [ 26 ]
Superfamilia de la fosfatasa alcalina
Los miembros comparten una estructura sándwich αβα [ 27 ] y realizan reacciones promiscuas comunes mediante un mecanismo común. [ 28 ]
Superfamilia Globin
Los miembros comparten un pliegue globular de globina de 8 hélices alfa . [ 29 ] [ 30 ]
Superfamilia de inmunoglobulinas
Los miembros comparten una estructura tipo sándwich de dos láminas de hebras β antiparalelas ( pliegue Ig ) y participan en el reconocimiento, la unión y la adhesión . [ 31 ] [ 32 ]
Superfamilia LYRM
Los miembros comparten un motivo LYR conservado ( leucina - tirosina - arginina ) incrustado dentro de una estructura de tres hélices α y funcionan como proteínas adaptadoras esenciales para el ensamblaje del clúster Fe-S mitocondrial y el ensamblaje del complejo de fosforilación oxidativa . [ 33 ] [ 34 ]
clan PA
Los miembros comparten un plegamiento de doble barril β similar al de la quimotripsina y mecanismos de proteólisis similares , pero con una identidad de secuencia inferior al 10 %. El clan contiene proteasas de cisteína y serina ( con nucleófilos diferentes ). [ 2 ] [ 35 ]
Superfamilia Ras
Los miembros comparten un dominio catalítico G común de una lámina β de 6 hebras rodeada por 5 hélices α. [ 36 ]
Superfamilia RSH
Los miembros comparten la capacidad de hidrolizar y/o sintetizar alarmonas ppGpp en la respuesta estricta . [ 37 ]
Superfamilia Serpin
Los miembros comparten un plegamiento de alta energía y tensión que puede sufrir un gran cambio conformacional , que se utiliza típicamente para inhibir las proteasas de serina y cisteína al alterar su estructura. [ 10 ]
Superfamilia de barriles TIM
Los miembros comparten una gran estructura de barril α 8 β 8. Es uno de los plegamientos proteicos más comunes y la monofilicidad de esta superfamilia aún se debate. [ 38 ] [ 39 ]

Recursos de la superfamilia de proteínas

Varias bases de datos biológicas documentan superfamilias de proteínas y plegamientos de proteínas, por ejemplo:

  • Pfam - Base de datos de familias de proteínas con alineamientos y HMM
  • PROSITE - Base de datos de dominios, familias y sitios funcionales de proteínas
  • PIRSF - Sistema de Clasificación de Superfamilias
  • PASS2 - Alineación de proteínas como superfamilias estructurales v2
  • SUPERFAMILIA - Biblioteca de HMM que representan superfamilias y base de datos de anotaciones (de superfamilia y familia) para todos los organismos completamente secuenciados.
  • SCOP y CATH : clasificaciones de estructuras proteicas en superfamilias, familias y dominios.

De manera similar, existen algoritmos que buscan en la base de datos PDB proteínas con homología estructural a una estructura objetivo, por ejemplo:

  • DALI - Alineación estructural basada en un método de matriz de alineación de distancias

Véase también

Referencias

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