Cytochrome c et évolution
Les cytochromes c: des protéines homologues
Cette molécule peut servir d'exemple pour établir ou préciser les notions de protéines homologues, gènes homologues, gène ancestral puiqu'on connaît la séquence du cytochrome c d'un grand nombre d'espèces animales et végétales et que l'étude peut également porter sur certains cytochromes bactériens.

Les cytochromes c permettent d'établir des phylogénies intégrant de nombreux groupes
Cette protéine est intéressante dans la mesure où elle permet de fournir à l'élève un grand nombre de séquences (120 environ). Il a la possibilité de choisir en fonction de la problématique proposée.
Voir un exemple de phylogénie.

Les cytochromes c: un support pour une approche de certains mécanismes de l'évolution

  • Un rôle-clé pour certains résidus d'acides aminés

La fonction du cytochrome c implique que la molécule fixe l'hème dans une position bien déterminée et qu'elle puisse former des complexes d'une part avec le cyt c1 et d'autre part avec la cytochrome c oxydase. L'étude des relations structure-fonction a montré quels sont les acides aminés qui peuvent être impliqués (chez certains organismes) dans la stabilisation de l'hème et dans la formation du complexe avec le cytochrome c1, les données concernant le complexe cyt.c-cyt c oxydase n'étant pas prises en compte car moins faciles à utiliser (pas de cristallisation du complexe).

  • Les résidus d'acides aminés fonctionnellement importants doivent être conservés par l'évolution.

- Une étude comparative des séquences alignées d'un grand nombre de molécules de cyt.c montre quels sont les acides aminés conservés.On peut approfondir l'analyse en relevant pour chaque emplacement (numérotion par rapport aux cyt.c des vertébrés qui ont 104 résidus) le nombre d' ac.aminés différents rencontrés. Voir résultats.
- Il faut ensuite déterminer si les acides aminés à rôle-clé, repérés lors de l'étude des relations structure-fonction, font partie de la liste des invariants .Voir résultats
Les résultats montrent que presque tous les ac.aminés impliqués dans la stabilisation et l'orientation de l'hème sont invariants, la variabilité est un peu plus importante pour ceux qui interviennent dans les relations avec le cyt.c1. Certains résidus sont conservés alors que leur importance fonctionnelle n'est pas évidente, ils peuvent être déterminants dans l'acquisition de la structure tertiaire ou jouer un rôle dans la fixation avec la cytochrome c oxydase. Il faudrait approfondir...Il faut également noter la grande variabilité au niveau de certains sites.

  • Les modalités de l'évolution moléculaire établies à partir de celle du cytochrome c

L'exemple du cyt.c permet de dégager les notions suivantes:
- Les mutations qui surviennent aléatoirement dans un gène sont à l'origine de la variabilité au niveau de la protéine codée.
- Les changements dans la séquence primaire de la protéine sont ensuite mis à l'épreuve de la sélection naturelle.
La substitution d'un ac. aminé fonctionnellement important par un autre qui n'a pas les mêmes propriétés peut rendre la protéine inefficace. Dans ce cas le changement constitue un désavantage sélectif : les organismes porteurs seront éliminés.
Dans le cyt.c, Cys 14 ,Cys 17 , His 18 ...(indispensables pour la fixation de l'hème ) ou Lys 79
( indispensable pour la reconnaissance du Cyt.c1) paraissent irremplaçables.
La substitution d'un ac. aminé fonctionnellement important par un autre tout aussi efficace n'offrira aucune prise à la sélection naturelle qui pourra donc conserver le changement. Dans le cyt.c, Arg 13 qui chez la levure participe à la formation du complexe avec le cyt.c1 est remplacé dans 84% des séquences par Lys, les résidus ont une charge + sur leur chaîne latérale.
Le remplacement d'un ac.aminé par un autre peut dans certaines conditions rendre la protéine plus efficace, dans ce cas le changement constitue un avantage sélectif et il peut être conservé.
Lorsqu' une mutation touche un codon qui code pour un ac. aminé qui n'a pas un rôle clé dans la protéine, on comprend que pour ce résidu, la sélection naturelle tolère une plus grande variabilité .

Il est important de noter que la sélection naturelle tend à conserver plus la structure tertiaire que la séquence primaire. Pour le cytochrome c la relative variabilité au niveau du site de fixation au cyt c1 doit être analysée en tenant compte de l'évolution de la protéine partenaire.