Систематизация белков

Соответствие между ферментами и реакциями позволяет рассматривать карту как своеобразную форму систематизации белков по их каталическим функциям. Ввиду того, что принятая номенклатура ферментов [54] основана на сходстве катализируемых ими реакций, она в значительной степени коррелирует с задаваемой структурой карты формой систематизации ферментов. Эта корреляция выражается в совпадении первых трех цифр у кодов ферментов, катализирующих сходные превращения соединений в рядах функциональных аналогов. Совпадение объясняется тем, что начальные цифры кодов номенклатуры и сходство реакций на карте определяются одними и теми же признаками: сходством модификации одинаковых химических групп субстратов и сходством участвующих в реакциях коферментов. В качестве примеров соответствия кодов ферментов рядам соединений и реакций на карте можно привести коды изомераз (5.3.1), катализирующих превращения альдоз в кетозы в симметричных рядах схемы метаболизма моносахаридов, или коды лиаз (4.1.3), катализирующих конденсацию a-кетокислот с ацетил-КоА на схеме метаболизма кислот с коротким углеродным скелетом.

Изложенное выше позволяет рассматривать существующую номенклатуру ферментов как одно из следствий симметрии сети реакций метаболизма. Исходя из этого, номенклатуру можно дополнять и совершенствовать. Последнее, в частности, может быть сделано следующим образом. Четвертой цифрой кода в номенклатуре обозначается порядковый номер фермента внутри подподкласса, кодируемого первыми тремя цифрами. Эта нумерация случайна, так как не связана с какими-либо свойствами ферментов. Исходя из того, что задаваемая картой форма классификации не только группирует ферменты, но и определяет порядок их размещения в рядах, четвертая цифра кода может быть использована для обозначения положения ферментов в рядах. В этом случае для кодирования ферментов с низкой специфичностью, катализирующих превращения всех аналогов ряда, в качестве четвертой цифры было бы удобно использовать нуль или опустить ее совсем. Обозначение последней цифрой кода порядкового номера ферментов в рядах реакций на карте сделало бы существующую номенклатуру ферментов более рациональной и придало бы ей более законченный вид. Если учесть, что многие ряды реакций соответствуют рядам гомологов, то модифицированная таким образом номенклатура наряду с типом реакций во многих случаях могла бы кодировать размеры молекул участвующих в них соединений.

Задаваемая картой классификация ферментов может быть распространена и на те белки, которые способны специфически взаимодействовать с метаболитами, но при этом не обладают каталитическими функциями ферментов. К таким белкам, в частности, относятся пермеазы. Подобно ферментам, пермеазы различаются по признаку высокой и низкой специфичности взаимодействия их с субстратами. Так, известны пермеазы, осуществляющие перенос отдельных аминокислот, и пермеазы, специфичные к группам аминокислот, например, к группе ароматических аминокислот, к группе аминокислот с разветвленным углеродным скелетом и т.д. [23]. Интересно отметить, что между этими группами и сериями гомологичных периодов на карте наблюдается определенное соответствие.

Если допустить, что высокоспецифичная узнающая функция в ферментах и пермеазах имеет одну природу, то ее отсутствие у низкоспецифичных ферментов и сочетание с катализирующей функцией у высокоспецифичных ферментов приводит к выводу о независимости этих функций друг от друга. Последнее позволяет высказать гипотезу о том, что каждая из этих функций определяется собственной аминокислотной последовательностью и что эти последовательности могут выражаться как порознь - в разных белках, так и вместе - в одном белке. При этом одна из них осуществляет модификацию части молекул, выполняющей в субстратах роль признака функциональной аналогичности, а другая отвечает за узнавание и специфическое связывание неизменяемой части молекулы субстратов. Подтверждением этой гипотезы может служить пример сходства узнающих центров у ферментов, осуществляющих различные превращения УДФ-глюкозы [86], или данные о сходстве первичных структур ферментов цепи реакций расщепления муконата [306].

Предположение о том, что специфическая ферментативная активность является результатом комбинации ограниченного числа аминокислотных последовательностей, представляется особенно вероятным для ферментов, катализирующих бисубстратные реакции. В каталитическом центре таких ферментов должно быть два субстратсвязывающих участка, каждый из которых избирательно взаимодействует только с одним из реагирующих субстратов. В качестве примера можно привести трансаминазы или оксидоредуктазы. Аналогичные суждения могут быть высказаны и относительно строения антител, специфически взаимодействующих с антигенами [287]. Понятно, что ответственные за каталитическую и узнающую функции аминокислотные последовательности не обязательно должны быть непрерывными и отделенными друг от друга. В составе общей белковой цепи они могли бы частично перекрываться или иметь разрывы, заполненные случайными аминокислотами. Способностью небольшого числа обладающих различными функциями аминокислотных последовательностей сочетаться друг с другом можно было бы объяснить как многообразие ферментов биосферы, так и симметрию структуры сети реакций метаболизма. С другой стороны, систематизация ферментов на основе симметрии метаболической сети указывает пути проверки этой гипотезы. В частности, из нее следует, что обладающие различными функциями аминокислотные последовательности следует искать, сравнивая первичные структуры полипептидных цепей ферментов, катализирующих реакции, составляющие ячейки решетчатых форм. Само конструирование белков со специфической функциональной активностью из таких монофункциональных аминокислотных последовательностей в организме можно было бы объяснить механизмом, подобным сплайсингу [124], заключающемуся, как известно, в комбинировании мРНК из РНК-предшественниц, образующихся при транскрипции различных участков матричной ДНК.