Evolution of Biochemical Pathways Glycolysis

גליקוליזה גליקוליזה היא השלב הראשון בתא בקטבוליזם של סוכרים. גליקוליזה היא השלב הראשון בתא בקטבוליזם של סוכרים. בתהליך זה חל פירוק של סוכרים פשוטים לפירובט. חשיבות הגליקוליזה נובעת מ......... היותו תהליך אוניברסלי- כל התאים החיים משתמשים בגליקוליזה כמקור החשוב ביותר ליצור אנרגיה. המסלול הזה מספק תוצרים למסלולים אחרים שמספקים אנרגיה.

carbohydrates 7.1

הגדרת הבעייה גליקוליזה היא אחד המסלולים הבסיסיים ביותר של היצורים החיים, אולם אפילו במסלול בסיסי כזה יש שונות בין היצורים השונים. ?

מטרות הפרויקט בפרויקט זה נענה על השאלות הבאות: אילו חלקים של המסלול משותפים לאילו אורגניזמים? מהי מידת הדימיון בין החלקים המשותפים? האם קיימת קורלציה בין דרגת הדימיון של המסלולים והמרחק האבולוציוני בין היצורים?

שיטות העבודה האורגניזמים: E.coli Arabidopsis thaliana Homo Sapiens Saccharomyces cerevisiae Helicobacter pylori

האינזימים: Hexokinase 6-phosphofructokinase Aldolase Phosphoglycerate mutase Enolase Pyruvate kinase

הכלים הביואינפורמטים: Swiss prot (enzyme) PDB- Interactive 3D PairwiseBLAST ClustalW – multiple sequence alignment Protomap Pfam-Protein families database of alignments

תוצאות: Hexokinase ב-ATP לקבלת 6-פוספט ו-ADP. מקטלז פוספורילציה של הגלוקוז ע"י שימוש ב-ATP לקבלת 6-פוספט ו-ADP. לאינזים זה יש 4 וריאציות. הקסוקינאז בנוי משני דומיינים, אך ישנם אורגינזמים שמכילים 2 העתקים של הדומיינים, למשל האדם. כל ארבעת הסוגים מכילים איזור שמור מאוד, שנראה אחראי לקשירת הסובסטרט.

Domains Homo sapiens, Arabidopsis thaliana Escherichia coli, Helicobacter pylori

6-Phosphofructokinase מקטלז פוספורילציה של פרוקטוז 6 פוספט לפרוקטוז 1,6 ביפוספט. ביונקים הוא טטרמר וכל יחידה בנויה משני דומיינים הומולוגים. בשמרים הוא אוקטומר וכל יחידה היא זהה לזו של היונקים. בחידקים ובצמחים קיים דומיין אחד. לא נמצא ב- H.pylori.

Multiple Alignment

Aldolase מקטלז הפיכת פקוקטוז 1,6 ביפוספט לגליצראלדהיד 3-פוספט. קיימים 2 סוגים של האנזים: Class 2 Class 1 (אאקריוטים) (פרוקריוטים)

PairwiseBLAST 403 E=e^(-111) אדם וארבידופסיס אין זהות סיגניפיקנטית אדם ושמר E.coli H.pylori

Phosphoglycerate mutase מקטלז ריאקציות הקשורות בהעברת קבוצת פוספט מעמדה 3 לעמדה 2 בפוספוגליציראט. לאנזים זה קיימים הרבה וריאנטים : Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae  Homo sapiens, Arabidopsis thaliana 

Homo sapiens הדומיין החדש (SH3) כנראה יש לו תפקיד ב- Signal transduction Helicobacter pylori. Escherichia coli, Arabidopsis thaliana

Enolase מקטלז דהידרציה של 2 פוספוגליצירט לקבלת פוספואנול פירובט. כל האורגניזמים מכילים את אותם שני הדומיינים: C-terminal, N-terminal

Multiple alignment

PairwiseBLAST Expectancy ציון e^(-155) 548 שמר-אדם 2e^(-96) 353 שמר-H.pylori e^(-165) 582 אדם-ארבידופסיס e^(-114) 411 E.coli-ארבידופסיס

Pyruvate kinase הופך פוספואנול פירובט לחומצה פירובית. מכיל 3 דומיינים, כשהאתר הפעיל נמצא בין שני הדומיינים של ה-barrels והוא שמור בכל האורגניזמים. גם BLAST pairwiseוגם multiple alignment מראים התאמה מירבית.

ניתוח התוצאות אנזימים שמורים אנזימים לא שמורים אנולאז הקסוקינאז פירובט קינאז פוספופרוקטוקינאז אלדולאז פוספוגליצרט מוטאז שלב טריוזות שלב הקסוזות

שלב הטריוזות שמור הרבה יותר משלב ההקסוזות. מסקנה שלב הטריוזות שמור הרבה יותר משלב ההקסוזות. !

מדוע שלב הטריוזות שמור יותר משלב ההקסוזות? לשלב הטריוזות יש גם תפקיד בפונקציות אנאבוליות ומטבוליזם של חומצות אמינו וקרבוהידרטים. כנראה ששלב הטריוזות היה השלב הקדום יותר של הגליקוליזה. בשלב ההקסוזות הפחות שמור חסרים אנזימים ביצורים מסויימים, אבל הם מוחלפים באנזימים אלטרנטיביים.

אבולוציה של מסלול הגליקוליזה האם ניתן ליצור קורלציה בין דרגת הדימיון של המסלולים והמרחק האבולוציוני בין היצורים? אנולאז:

אלדולאז: Homo sapiens (human), Arabidopsis thaliana  Helicobacter pylori, Saccharomyces cerevisiae (baker's yeast), Escherichia coli

ולעומת זאת............ פוספוגליצראט מוטאז:

מסקנה דימיון בדומיינים באנזימים של יצורים שונים בד"כ התבטא בקירבה אבולוציונית. לכן בד"כ ניתן להשתמש ב-pathway distance כדי להבין phylogeny. אבל........... לא תמיד התוצאות הן מדויקות לחלוטין. יש לדאוג שהמדגם יהיה מספיק גדול ומייצג.

כיוונים אפשריים למחקר בעתיד חשוב לבדוק את ההבדלים שזוהו במסלול הגליקוליזה גם מבחינה ביוכימית בניסויים במעבדה. שימוש במידע שהתקבל מהניתוח ההשוואתי למטרות פרמקולוגיות ולישומים בביוטכנולוגיה.