استبدال الحموض الأمينية

استبدال الحموض الأمينية هو عبارة عن تغيير من حمض أميني معين إلى حمض أميني مختلف في البروتين بسبب طفرة نقطية في تسلسل الدنا المقابل. يحدث هذا بسبب طفرة غير مترادفة تؤدي إلى تغيير تسلسل الكودون لترميز حمض أميني آخر بدلاً من الحمض الأميني الأصلي.
تصغير|الطفرات الملحوظة
 الاستبدالات المحافظة والجذرية 
لا تمتلك جميع بدائل الحموض الأمينية نفس التأثير على وظيفة أو بنية البروتين. قد يختلف حجم هذه العملية اعتمادًا على مدى تشابه أو اختلاف الحموض الأمينية المستبدلة، وكذلك على موقعها في التسلسل أو البنية. يمكن حساب التشابه بين الحموض الأمينية على أساس مصفوفات الاستبدال، أو المسافة الفيزيائية والكيميائية، أو خصائص بسيطة مثل حجم الحموض الأمينية أو شحنتها  (انظر أيضًا الخصائص الكيميائية للحموض الأمينية). وعادة ما يتم تصنيف الحموض الأمينية إلى نوعين: 

 الاستبدال المحافظ: يتم تبادل حمض أميني مع حمض آخر له خصائص مماثلة. ومن المتوقع أن يؤدي هذا النوع من الاستبدال نادرًا إلى خلل في البروتين المقابل.
 الاستبدال الجذري: يتم استبدال حمض أميني بآخر له خصائص مختلفة. يمكن أن يؤدي هذا إلى تغييرات في بنية البروتين أو وظيفته، مما قد يؤدي إلى تغييرات محتملة في النمط الظاهري، والتي قد تكون مسببة للأمراض في بعض الأحيان. ومن الأمثلة المعروفة في البشر فقر الدم المنجلي، بسبب طفرة في بيتا غلوبين حيث يتم تبادل حمض الغلوتاميك (سالب الشحنة) في الموضع 6 مع الفالين (غير المشحون).

 المسافات الفيزيائية والكيميائية 
المسافة الفيزيائية الكيميائية هي مقياس لتقييم الفرق بين الحموض الأمينية المستبدلة. تعتمد قيمة المسافة على خصائص الحموض الأمينية. هناك 134 خاصية فيزيائية وكيميائية يمكن استخدامها لتقدير التشابه بين الحموض الأمينية.  تعتمد كل مسافة فيزيائية كيميائية على تركيبة مختلفة من الخصائص.

خصائص الحموض الأمينية المستخدمة لتقدير التشابه العام

مواصفات الحالتينالخصائص1-5على الترتيب، وجود: β―CH2, γ―CH2, δ―CH2 (برولين موجب), مجموعة ε―CH2 ومجموعة a―CH3، على التوالي6-10على الترتيب، وجود مجموعات: ω―SH و ω―COOH و ω―NH2 (قلوي) و ω―CONH2 و ―CHOH 11-15على الترتيب، وجود: حلقة بنزين (بما يشمل تريبتوفان كموجب)، تتشعب عنها مجموعة CH، مجموعة CH3 ثانية، مجموعتا  -H (وليس ثلاث مجموعات) على نهايتي السلسلتين الجانبيتين (برولين موجب) ومجموعة C-S-C.16-20على الترتيب، وجود: مجموعة غوانيدو، مجموعة α―NH2، مجموعة α―NH في حلقة، مجموعة  δ―N، مجموعة ―N= في حلقة21-25على الترتيب، وجود: مجموعة CH=N، مجموعة إندوليل ، مجموعة إميدازول، مجموعة C=O في سلسلة جانبية، وترتيب α―C بما يمكنه تغيير اتجاه سلسلة الببتيد (يسجل البرولين فقط نتائج إيجابية)26-30على الترتيب، وجود: ذرة كبريت، مجموعة ―OH أليفاتية أولية، مجموعة ―OH أليفاتية ثانوية، مجموعة ―OH فينولية، القدرة على تكوين جسر S―S31-35على الترتيب، وجود: مجموعة إيميدازول ―NH، مجموعة إندوليل ―NH، مجموعة ―SCH3، مركز بصري ثانٍ، مجموعة N=CR―NH36-40على الترتيب، وجود: مجموعة إيزوبروبيل، تفاعلية عطرية مميزة، تفاعلية عطرية قوية، شحنة موجبة طرفية، شحنة سالبة عند درجة حموضة عالية (التيروسين حصل على درجة إيجابية)41وجود حلقة بيروليدين42-53الوزن الجزيئي (تقريبي) للسلسلة الجانبية، مسجل في 12 خطوة إضافية (يُحسب الكبريت كمكافئ لذرتين من الكربون أو النيتروجين أو الأكسجين)54-56على الترتيب، وجود: نظام حلقي مسطح مكون من 5 و6 و9 أعضاء57-64pK عند نقطة التساوي الكهربائي، تسجل بشكل إضافي في خطوات من درجة حموضة واحدة65-68لوغاريتم ذوبان أيزومر ʟ في الماء (ملغ/100 مل)، يسجل بشكل إضافي69-70على الترتيب، دوران بصري في 5 ɴ-HCl، [α]D من 0 إلى -25، وأكثر من -2571-72دوران بصري في 5 ɴ-HCI، [α] من 0 إلى +25، على التوالي (قيم الغلوتامين والتريبتوفان مع الماء كمذيب، والأسبارجين 3·4 ɴ-HCl)73-74رابطة هيدروجينية جانبية السلسلة (نوع أيوني)، مانح قوي ومستقبل قوي، على التوالي75-76رابطة هيدروجينية جانبية السلسلة (نوع محايد)، مانح قوي ومستقبل قوي، على التوالي77-78يكوّن بنية مائية، معتدلة وقوية على التوالي79هادم لبنية الماء80-82الإلكترونات المتنقلة قليلة، معتدلة وكثيرة، على التوالي (يتم تسجيلها بشكل إضافي)83-85استقرار الحرارة والعمر متوسط، مرتفع، ومرتفع جدًا على التوالي (تم تسجيله بشكل إضافي)86-89RF في الاستشراب الورقي في الفينول-الماء بخطوات من 0.2 (يتم تسجيلها بشكل إضافي)90-93RF في التولوين-بيريدين-غليكولكلورهيدرين (كروماتوغرافيا ورقية لمشتق DNP) في خطوات من 0.2 (تم تسجيلها بشكل إضافي: بالنسبة لليسين مشتق ثنائي DNP)94-97لون النينهيدرين بعد استشراب في الكوليدين-اللوتيدين  وتسخين لمدة خمس دقائق على حرارة 100 درجة مئوية، أرجواني، وردي، بني وأصفر على التوالي98نهاية السلسلة الجانبية متفرعة99-101عدد البدائل على ذرة الكربون بيتا، على التوالي 1 أو 2 أو 3 (يتم تسجيلها بشكل إضافي)102-111متوسط عدد الإلكترونات الزوجية الوحيدة على السلسلة الجانبية (يتم تسجيلها بشكل إضافي)112-115عدد الروابط في السلسلة الجانبية التي تسمح بالدوران (يتم تسجيلها بشكل إضافي)116-117الحجم الأيوني داخل الحلقات طفيف أو معتدل (يتم تسجيله بشكل إضافي)118-124أقصى عزم قصور ذاتي للدوران عند الرابطة α―β (يتم تسجيله بشكل إضافي في سبع خطوات تقريبية)125-131أقصى عزم قصور ذاتي للدوران عند الرابطة β―γ (تم تسجيله بشكل إضافي في سبع خطوات تقريبية)132-134أقصى عزم قصور ذاتي للدوران عند الرابطة γ―δ (يتم تسجيله بشكل إضافي في ثلاث خطوات تقريبية)

 مسافة غرانثام 
تعتمد مسافة غرانثام  على ثلاث خصائص: التركيب والقطبية والحجم الجزيئي.

يتم حساب فرق المسافة D لكل زوج من الحموض الأمينية i و j على النحو التالي: 

حيث c = التركيب، p = القطبية، و v = الحجم الجزيئي؛ و هي ثوابت مربعات معكوس المسافة المتوسطة لكل خاصية، وتساوي على التوالي 1.833، 0.1018، 0.000399. وفقًا لمسافة غرانثام، فإن معظم الحموض الأمينية المتشابهة هي الليوسين والأيزوليوسين، والأبعد هي السيستين والتريبتوفان.

الاختلاف (D) بين الحموض الأمينية
ArgLeuProThrAlaValGlyIlePheTyrCysHisGln11014574589912456142155144112896810210371112961259797771802943989296321385223619899113382768429511411016977765869598910392149474264609411311219586911092950551928496135153147159988721331989410922205100116194839917415424

 مؤشر سنيث 
يأخذ مؤشر سنيث  في الاعتبار 134 فئة من النشاط والبنية. مؤشر عدم التشابه D  هو قيمة النسبة المئوية لمجموع كل الخصائص غير المشتركة بين حمضين أمينيين استبدلا. إنها قيمة مئوية يتم التعبير عنها بواسطة  حيث S هو التشابه.

مؤشر عدم التشابه بين الحموض الأمينية
لوسينLeuأيسولوسين IleفالينValغلايسينGlyألانينAlaبرولينProغلوتامينGlnأسبرجينAsnميثيونينMetثريونينThrسيرينSerسيستينCysإيسولوسينIle5فالين
Val97غلايسين
Gly242519ألانين
Ala1517129برولين
Pro2324201716غلوتامين
Gln222425322633أسبرجين
Asn20232326253110ميثيونين
Met2022233425311321ثريونين
Thr232117202025241925سيرين
Ser23252019162421152212سيستين
Cys2426212113252219171913حمض الغلوتاميك
Glu303131373443141926342933حمض الأسبارتيك
Asp252828333040221431292528لايسين
Lys232426312631212724343132أرجينين
Arg333436433743233128383736تيروسين
Tyr303436363437292832322934فينيل ألانين
Phe192226292627242424282529تريبتوفان
Trp303437393637313231383537هستيدين
His252831342936272430342831

 معامل إبشتاين للفرق 
يعتمد معامل إبشتاين للفرق  على الاختلافات في القطبية والحجم بين أزواج الحموض الأمينية المستبدلة. يميز هذا المؤشر اتجاه التبادل بين الحموض الأمينية، ويمكن وصفه بمعادلتين:

 عندما يتم استبدال بقايا كارهة للماء أصغر ببقايا كارهة للماء أو قطبية أكبر

 عندما يتم تبادل البقايا القطبية أو استبدال البقايا الأكبر ببقايا أصغر

معامل الاختلاف 
فينيل ألانينPheميثيونينMetليوسينLeuإيسولوسينIleفالينValبرولينProتيروسينTyrتريبتوفانTrpسيستينCysألانينAlaغلايسينGlyPhe0.050.080.080.10.10.210.250.220.430.53Met0.10.030.030.10.10.250.320.210.410.42Leu0.150.0500.030.030.280.360.20.430.51Ile0.150.0500.030.030.280.360.20.430.51Val0.20.10.050.0500.320.40.20.40.5Pro0.20.10.050.0500.320.40.20.40.5Tyr0.20.220.220.220.240.240.10.130.270.36Trp0.210.240.250.250.270.270.050.180.30.39Cys0.280.220.210.210.20.20.250.350.250.31Ala0.50.450.430.430.410.410.40.490.220.1Gly0.610.560.540.540.520.520.50.580.340.1Ser0.810.80.80.80.80.80.620.630.60.40.3Thr0.810.80.80.80.80.80.610.630.60.40.31His0.80.8110.80.80.60.610.610.420.34Glu1111110.80.810.80.610.52Gln1111110.80.810.80.610.52Asp1111110.810.810.80.610.51Asn1111110.810.810.80.610.51Lys1111110.80.810.80.610.52Arg11111.011.010.80.80.810.620.53

 مسافة مياتا 
تعتمد مسافة مياتا  على خاصيتين فيزيائيتين كيميائيتين هما الحجم والقطبية.

يتم حساب المسافة بين الحموض الأمينية a i و a j على النحو التالي:  حيث  هي قيمة فرق القطبية بين الحموض الأمينية المستبدلة و  وهو الفرق في الحجم؛  و  هي الانحرافات المعيارية لـ  و 

المسافة بين زوج من الحموض الأمينية (dij)

CysProAlaGlySerThrGlnGluAsnAspHisLys1.331.392.222.841.452.483.262.833.482.563.270.060.970.560.871.922.481.82.42.152.940.910.510.91.922.461.782.372.172.960.851.72.482.781.962.372.783.540.891.652.061.311.871.942.711.121.831.42.051.322.10.840.991.470.321.060.850.90.961.140.651.291.841.722.050.79

 التبادل خلال التجارب 
تم ابتكار التبادل التجريبي  من قبل يامبولسكي وستولتزفوس .  يقيس التبادل التجريبي هو مقياس معدل تأثير تبادل حمض أميني واحد إلى حمض أميني مختلف.

يعتمد هذا على تحليل الدراسات التجريبية حيث تمت مقارنة 9671 بديلاً للحموض الأمينية من بروتينات مختلفة، لمعرفة تأثيرها على نشاط البروتين.

قابلية التبادل (× 1000) حسب المصدر (الصف) والوجهة (العمود)

Exchangeability (x1000) by source (row) and destination (column)

CysSerThrProAlaGlyAsnAspGluGlnHisCys.258121201334288109109270383258Ser373.481249490418390314343352353Thr325408.164402332240190212308246Pro345392286.454404352254346384369Ala393384312243.387430193275320301Gly267304187140369.210188206272235Asn234355329275400391.208257298248Asp285275245220293264201.344263298Glu332355292216520407258533.341380Gln38344336121249940633868439.396His331365205220462370225141319301.Arg22527019914545925167124250288263Lys331376476252600492457465272441362Met34735326185357218544392287394278Ile36219619314532616017227197191221Leu366212165146343201162112199250288Val382326398201389269108228192280253Phe176152257112236941369062216237Tyr142173.19440235712987176369197Trp13792176663162..6561239Exdest315311293192411321258225262305290

 الحموض الأمينية النموذجية والفريدة 
يمكن أيضًا تصنيف الحموض الأمينية وفقًا لعدد الحموض الأمينية المختلفة التي يمكن تبادلها من خلال استبدال فردي للنوكليوتيدات .

 الحموض الأمينية النموذجية: هناك العديد من الحموض الأمينية الأخرى التي يمكن أن تتغير إليها من خلال استبدال النوكليوتيدات الفردية. عادةً ما يكون للحموض الأمينية النموذجية وبدائلها خصائص فيزيائية وكيميائية متشابهة. الليوسين مثال على الحموض الأمينية النموذجية.
 الحموض الأمينية الفريدة: هناك عدد قليل من الحموض الأمينية المشابهة التي يمكن أن تتحول إليها من خلال استبدال النوكليوتيدات الفردية. في هذه الحالة، فإن معظم استبدالات الحموض الأمينية ستكون ضارة بوظيفة البروتين. التربتوفان مثال على حمض أميني فريد من نوعه.

 الميل إلى استبدال الحموض الأمينية 
تكون بعض الحموض الأمينية قابلة للاستبدال أكثر من غيرها، ومن العوامل التي تؤثر على هذا الاتجاه المسافة الفيزيائية والكيميائية. يمكن أن يكون مؤشر استقرار غراور  مثالاً على مقياس الحموض الأمينية. يقوم هذا المقياس على فرضية أن معدل استبدال الحموض الأمينية وتطور البروتين يعتمد على تركيب الحموض الأمينية في البروتين. يتم حساب مؤشر الاستقرار S للحموض الأمينية على أساس المسافات الفيزيائية والكيميائية لهذا الحمض الأميني وبدائله التي يمكن أن تتحور من خلال استبدال النوكليوتيدات الفردية واحتمالات الاستبدال في هذه الحموض الأمينية. بناءً على مسافة غرانثام فإن الحمض الأميني الأكثر ثباتًا هو السيستين، والأكثر عرضة للخضوع للتبادل هو الميثيونين.
+مثال لحساب مؤشر الاستقرار  للميثيونين المرمز بواسطة AUG استنادًا إلى مسافة غرانتام الفيزيائية والكيميائية الكودونات البديلة الحموض الأمينية البديلة الاحتمالات مسافات جرانثام  متوسط المسافةAUU, AUC, AUA أيسولوسين 1/3 10 3.33ACG ثريونين 1/9 81 9.00AAG ليسين 1/9 95 10.56AGG أرجينين 1/9 91 10.11UUG, CUG لوسين 2/9 15 3.33GUG فالين 1/9 21 2.33 مؤشر الاستقرار  38.67

 أنماط استبدال الحموض الأمينية 
إن تطور البروتينات أبطأ من تطور الحمض النووي، وذلك لأن الطفرات غير المترادفة في الحمض النووي فقط هي التي يمكن أن تؤدي إلى استبدال الحموض الأمينية. معظم الطفرات محايدة للحفاظ على وظيفة البروتين وبنيته. لذلك، كلما كانت الحموض الأمينية متشابهة أكثر، كلما زادت احتمالية استبدالها. تعتبر الاستبدالات المحافظة أكثر شيوعًا من الاستبدالات الجذرية، لأنها قد تؤدي إلى تغييرات ظاهرية أقل أهمية. من ناحية أخرى، من المرجح أن تكون الطفرات المفيدة التي تعمل على تعزيز وظائف البروتين بمثابة بدائل جذرية. كذلك، ترتبط المسافات الفيزيائية والكيميائية، والتي تعتمد على خصائص الحموض الأمينية، سلبًا باحتمالية استبدال الحموض الأمينية. تشير المسافة الأصغر بين الحموض الأمينية إلى أنها أكثر عرضة للخضوع للاستبدال.

 المصادر 

تصنيف:كيمياء حيوية
تصنيف:أحماض أمينية
تصنيف:صفحات بترجمات غير مراجعة