1 Struktur von Biomolekülen - Bioinformatics Leipzig · 2013-04-08 · 1 Struktur von Biomolekülen ... 08.04.2013 - 03.06.2013, Montags 12:45 - 16:00 Uhr ... C -Atom mit verbundenem

1 Struktur von BiomolekülenModul 10-202-2208

Bioinformatik von RNA- und Proteinstrukturen

Jana Hertel

Lehrstuhl Bioinformatik

8. April 2013

Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 8. April 2013 1 / 21

Organisatorisches

Vorlesung08.04.2013 - 03.06.2013, Montags 12:45 - 16:00 UhrSeminar24.06.2013 - 28.06.2013, Nachmittags/AbendsPraktikum28.06.2013 - Vorbesprechung01.07.2013 - 12.07.2013, ganztägig (ca.8h)

Alle Veranstaltungen �nden im Raum 109, Härtelstr. 16-18 statt.(Auÿnahmen werden auf unserer Website o. in der Vorlesung bekannt gegeben)


Inhalt heute

1 MolekülstrukturenAllgmeines

2 Struktur von RNAPrimärstrukturSekundärstrukturTertiärstruktur

3 Struktur von ProteinenPrimärstrukturSekundärstrukturStukturen höherer Ordnung

4 StrukturbestimmungExperimentellBerechnungVorhersage


1 Molekülstruktur

.. räumliche relative Anordnung der Atome in einem Molekül.

Wie erhält man diese?

→ experimentell, präzise Berechnung, Vorhersage

Beschreibung durch:

kartesische Koordinaten (x , y , z)

interne Koordinaten (Bindungslängen,Bindungswinkel)

→ wohlde�nierte Zusammensetzung

Grundzustand

= Zustand mit niedrigster Energie.


2 Struktur von RNA

Primärstruktur - Bausteine der RNA:

BasenPurine (Adenin, Guanin)Pyrimidine (Cytosin, Uracil))

RibosePhosphat

Verbindung 2er Nucleotide durchPhosphatgruppe

→ negative Ladung am Phosphatrest

Human miRNA let-7a1:UGGGAUGAGGUAGUAGGUUGUAUAGUUUUAGGGUCACACCCACCACUGGGAGAUAACUAUACAAUCUACUGUCUUUCCUA


Sekundärstruktur von RNA

.. Interaktionen zwischen den Basen der Nukleotide

Wassersto�brückenbindungen +

nicht-benachbarte Basen

Energiegewinn gering

Stapelwechselwirkungen

benachbarte Basen(paare)

energetisch sehr günstig

Jede der 4 Basen kann mit einer anderen Base ≤ 3 H2-brückenbindungen bilden.

RNA einzelsträngig, faltet auf sich selbst.

Kanonische (Watson-Crick,WC) Paare: Purin mit Pyrimidin; AU und GC

Wobble-Basenpaar: GU und AC

Basiselemente der Sekundärstruktur sind:Helices, hairpin-loops,

Bulges/Interne Loops und Verzweigungsloops


Loops

Hairpin-Loop

Loop, der Helix überbrückt

Spezialfall:extra-stabile Tetraloops thermodynam. am stabilsten

Bulges, Interne Loops

unterbrechen Helices an nicht-komplemenären Bereichen

einseitig → Bulge, zweiseitig → Interner Loop -

biegen, knicken Helices → Ein�uss auf Tertiärstruktur

Verzweigungsloops

verbinden > 2 Helices

können ungepaarte Basen enthalten

Destabiliserende Wirkung von Loops abhängig von deren Gröÿe (Anzahlungepaarter Basen), Sequenz und Art der Randbasenpaare.


Tertiärstruktur von RNA

.. zusätzlicher H2-brückenbindungenund Stapelwechselwirkungen werden gebildet

für biologischeAktivität vieler RNAs unabdingbar

häu�g Wechselwirkungen zwischenLoops, o. zw. Loop und freien Enden

schnelle Bildungder Sekundärstruktur aus Primärstrukturvs. langsamereEntstehung der Tertiärstruktur

Annahme:

Tertiärstruktur wird aus Sekundärstruktur gebildet ohne diese maÿgeblichezu beein�ussen.


3 Struktur von ProteinenProteine sind Polymere, deren Bausteine 20 verschiedene Aminosäuren(As):

Cα-Atom mit verbundenem Proton −HSeitenkette −RCarboxylgruppe −COOH

Aminogruppe −NH2

Primärstruktur

.. lineare Abfolge der As vom N-terminalenzum C-terminalen Ende

Synthese katalysiert durch Ribosomen

Hydrolyse enzymatisch o. durch Kochen inHCl o. NaOH katalyisert

Struktur und Funktion ergibt sich aus chem. Eigenschaften der Kette.Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 8. April 2013 9 / 21

Peptidbindung

.. Verbindung 2er Aminosäuren;Kondensationsreaktion katalysiert durch Ribosomen

Carboxylgruppe der einen As reagiert mit Aminogruppe der anderen:

Rotation um Peptidbindung ist eingeschränkt (cis, trans).



Sekundärstruktur

α-Helix

rechts gedrehte Spirale, 3,6 As pro Windung

stabilisert durch H2-Brückenbindungen zw. 1. und4. As (in Windung)

Seitenketten zeigen nach auÿen

sehr stabil

β-Faltblatt

2 Pp-ketten zieharmonikaartig verknüpft

antiparallel, parallel

Peptidgruppen - �Fächern�, C-Atome - �Kanten�

Stabilisierung durch H2Bb zw. Peptidbindungen

Seitenketten sehr nah beieinander


Stukturen höherer Ordnung

Supersekundärstruktur

β-Hairpin - verbindet 2 antiparallele β-Faltblätter

αα-Hairpin -verbindet 2 antiparallele α-Helices → Helix-Turn-Helix Motife

Coiled-coil α-Helix - Superhelix aus 2 α-Helices

Tertiärstruktur

Verdichtung von Sekundärstrukturelementen zu Domains

Quartärstruktur

Zusammengesetztaus Tertiärstrukturelementen, desselben o. versch. Proteine


4 Strukturbestimmung

Wie kann man die Strukturen von RNA oder Proteinen ermitteln?


Experimentelle Ermittlung von Molekülstrukturen

Optische MethodenUV-, CD- o. Raman Spektroskopie → thermodynamische/kinetischeEigenschaftenHydrodynamische EigenschaftenUltrazentrifugation → grobe Form der StrukturForm/LadungstrennungGelelektrophorese → Strukturverteilungen, thermodynam. ParameterAtomkoordinatenKernmagnetische Resonanzspektroskopie und Kristallstrukturanalysechem./molekularbiol. Methoden (RNA)Enzymat./chem. Mapping, Nucleotidsubstitutionen → Unterscheidung zw.gestapelten, gepaarten u. ungepaartem Zustand einzelner Nucleotide


Gelelektrophorese

.. Methode zur Trennung unterschiedlich groÿer Moleküle

Mischung aus zu trennenden,elektr. geladenen Molekülen (RNAs) wandertunter Ein�uss eines elektr. Feldes durch ein Gel

Geschwindigkeit abhaengig von Gröÿedes Moleküls (kurz → schnell, lang → langsam)

Reibung wirkt Fluss entgegen

→ Molekülebleiben stehen, wenn beide Kräfte ausgeglichen

Gröÿe an Kontrolle ablesbar

Moleküle sortiert, können spezi�sch extrahiert werden


Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR)

.. misst Energieabsorption von Kernen beim Übergang zw. benachbartenkernmagnet. Spin-Niveaus.

elektronische Umgebung einzelner Atome + Wechselwirkungen mitNachbaratomen

benötigt Moleküle in gelöstem Zustand (hohe Konzentration)

+ hohe Au�ösung → genauere Strukturen

- unerwünschte Strukturänderung inhochkonzentr. Moleküllösungen

- auf kleine Moleküle beschränkt (50ntbzw. 100aa)


Kristallstrukturanalyse.. bestimmt atomare und molekulare Struktur eines Kristalls mittels(Röntgen)-Strahlung.

Kristallatome beugen Strahlen in spezi�scheRichtungen

Winkel und Intensitäten sind messbar

→ 3D Bild von Elektronen eines Kristalls

⇒ mittlere Position von Atomen u. chem. Bindungen

Primärstruktur wird aufgelegt - Atome zugeordnet

+ mächtigste Technik zur Strukturaufklärung

+ beliebig groÿe Moleküle analysierbar

- Kristallisation von Molekülen kann native Struktur verändern

- enorme Datenmengen auszuwerten

- Vorzeichenfehler durch quadrat. Amplitudenmessung


Präzise Berechnung von Molekülstrukturen

1 bestimme Gesamtenergie E aller möglichen Geometrien einesAggregates aus Ionen und Elektronen

2 Grundzustand ist die Geometrie mit geringster Energie

+ Exakte Bestimmung des räumlichen Aufbaus

- bei N > 2 Atomen zu viele Geometrien möglich, GlobalesEnergieminimum schwierig zu �nden, da Anzahl lokaler Minima sehrgroÿ werden kann.

- der Zwang vereinfachte Formen interatomarer Kräfte zu benutzenschränkt Aussagekraft der Rechnung stark ein.


Vorhersage von Molekülstrukturen

Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoÿungsmodell (VSEPR/EPA-Modell)

.. Elektronenwolken in der Valenzschale eines Atoms entfernen sich so weitwie möglich→ Molekülgestalt ist Resultat der gegenseitigen Abstoÿung vonElektronenwolken der Atome

Tetraederwinkel: 109.5◦ vs. 90◦ im Quadrat!

Für groÿe Moleküle nicht eindeutig, da zu viele versch. Geometrien fürgleiche Anzahl Atome möglich..

⇒ Vorhersage der Sekundärstruktur von Nukleinsäuren u. Proteine mittels:Graphentheorie, Informationstheorie und genetischen Algorithmen


Referenzen

BilderSämtliche Bilder wurden Wikipedia oder der Rfam Database entnommenund unterliegen somit keinem Copyright.


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