Matriu de substitució

Archiu:Matriz CAPS 0 .jpg

Matriu PAM70 per a 23 aminoàcits, calculada en el servici web del Wageningen University Laboratory of Bioinformatics para tal fi.

En biologia evolutiva una matriu de substitució, o de puntuació, descriu el ritme al que un caràcter en una seqüència canvia a un atre caràcter en el temps. Les matrius de substitució es veuen usualment en el context d'alineamiento de seqüències d'aminoàcits o ADN, a on la similitut entre seqüències depén del temps des de la seua divergència i dels ritmes de substitució segons es representen en la matriu. Estes matrius s'utilisen com a paràmetros dels algoritmes de alineamiento (per eixemple els de Needlemann-Wunsch o Smith-Waterman), en els quals complixen el paper d'assignar una determinada puntuació a cada emparejamiento entre els aminoàcits de les seqüències a alinear, contribuint aixina a la puntuació global del alineamiento.

Este tipo de matrius són més usuals en els alineamientos de seqüències d'aminoàcits (proteïnas) que en els de nucleòtits (ADN), ya que en este últim cas sol utilisar-se un sistema de puntuació molt més simple per als emparejamientos entre els quatre diferents nucleòtits i que assigna, normalment, una puntuació positiva per a la coincidència en el emparejamiento, una puntuació nula o negativa per a la no coincidència, i una puntuació negativa per als buits o gaps.

Introducció

En el procés d'evolució, d'una generació a la següent les seqüències d'aminoàcits de les proteïnes d'un organisme són alterades gradualment a través de l'acció de mutacions de ADN. Per eixemple, la seqüència

ALEIRYLRD

podria mutar a la seqüència

ALEINYLRD

en una generació, i possiblement a

AQEINYQRD

baix un llarc periodo de temps evolutiu. En substituir un determinat aminoàcit per un atre en una proteïna, la provabilitat de ser el reemplazante no és la mateixa per a tots els aminoàcits. Per eixemple, en cas de mutació d'un residu hidrófobo com la valina és més provable que el nou residu permaneixca hidrófobo a que canvie, ya que la seua tongada per un hidrófilo podria afectar al plegament o a l'activitat de la proteïna.

Si nos trobem en dos seqüències d'aminoàcits, deuríem ser capaços d'investigar la possibilitat de que abdós es deriven d'un ancestro comú, o homòlec. Si podem alinear les dos seqüències usant un algoritme d'alineamiento tal que les mutacions requerides per a transformar una hipotètica seqüència ancestro en abdós seqüències actuals pogueren ser evolutivamente plausibles, nos agradaria llavors assignar una alta puntuació a la comparació de les seqüències.

A este fi, construirem una matriu quadrada de, generalment, 20x20 elements (pels vint aminoàcits usualment contemplats, encara que res impedix contemplar els restants i ampliar, en conseqüència, l'orde de la matriu), a on la ___MATH_0___-ésima entrada és igual a la provabilitat de que el ___MATH_1___-ésimo aminoàcit siga transformat a el ___MATH_2___-ésimo en una determinada cantitat de temps evolutiu (normalment assumirem que les substitucions són simètriques: la provabilitat de substitució d'un aminoàcit ___MATH_3___ per un atre ___MATH_4___ serà la mateixa que la provabilitat de substitució de l'aminoàcit ___MATH_5___ per el ___MATH_6___, lo que nos resultarà en matrius simètriques; no obstant, poden contemplar-se asimetria si es prenen en consideració les direccions de canvi en un determinat arbre filogenético). Hi ha diferents maneres de construir tal matriu, que cridarem matriu de substitució. A continuació s'exponen les més comunes.

Matriu identitat

Artícul principal → Matriu identitat.

La matriu de substitució més simple possible seria una en la que cada aminoàcit es considera máximamente similar a sí mateixa, pero no és capaç de transformar-se en qualsevol atre aminoàcit. La matriu apareixeria com:

Esta matriu identitat tindrà èxit en el alineamiento de seqüències d'aminoàcits molt similars, pero fracassarà en alinear dos seqüències lejanamente relacionades. Necessitem contar en totes les provabilitats d'una forma més rigorosa, i és cert que, com vorem a continuació, un examen empíric de seqüències prèviament alineades treballa millor.