1 Struktur von Biomolekülen - Bioinformatics Leipzig · 2014-04-07 · Praktikum Raum 109,...
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1 Struktur von BiomolekülenModul 10-202-2208
Bioinformatik von RNA- und Proteinstrukturen
Jana Hertel
Lehrstuhl Bioinformatik
7. April 2014
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 1 / 21
Vorlesung +vorlesungsbegleitende Übungen
Uhrzeit: 10-12 UhrVorlesung: Raum 109, Härtelstr. 16-18Übung: Raum 006, Härtelstr. 16-18
Praktikum
Raum 109, Härtelstraÿe 16-18Gruppe A: 30.06.14 � 11.07.14 (Mo-Fr)Gruppe B: 14.07.14 � 25.07.14
Prüfung
mündl., Termine ab 21.07.14 nach Absprache
Termine
Montag Freitag
07.04.14 VL 11.04.14 VL14.04.14 Ü 25.04.14 VL28.04.14 Ü Brückentag
05.05.14 VL 09.05.14 VL12.05.14 Ü 16.05.14 VL19.05.14 Ü 23.05.14 VL26.05.14 Ü Brückentag
� 06.06.14 VLP�ngstmontag 13.06.14 VL16.06.14 Ü 20.06.14 VL
� 27.06.14 VL
Alle Änderungen werden auf unserer Website www.bioinf.uni-leipzig.de
bzw. in der Vorlesung bekannt gegeben
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 2 / 21
Inhalt heute
1 MolekülstrukturenAllgmeines
2 Struktur von RNAPrimärstrukturSekundärstrukturTertiärstruktur
3 Struktur von ProteinenPrimärstrukturSekundärstrukturStukturen höherer Ordnung
4 StrukturbestimmungExperimentellBerechnungVorhersage
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 3 / 21
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 freien Energie.
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 4 / 21
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-7a-1:UGGGAUGAGGUAGUAGGUUGUAUAGUUUUAGGGUCACACCCACCACUGGGAGAUAACUAUACAAUCUACUGUCUUUCCUA
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 5 / 21
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
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 6 / 21
LoopsHairpin-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.
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 7 / 21
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.
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 8 / 21
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 7. April 2014 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).
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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 - �Fächer�, C-Atome - �Kanten�
Stabilisierung durch H2Bb zw. Peptidbindungen
Seitenketten sehr nah beieinander
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 12 / 21
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
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4 Strukturbestimmung
Wie kann man die Strukturen von RNA oder Proteinen ermitteln?
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Experimentelle Ermittlung von Molekülstrukturen
Optische Methoden
UV-, CD- o. Raman Spektroskopie → thermodynamische/kinetischeEigenschaftenHydrodynamische Eigenschaften
Ultrazentrifugation → grobe Form der StrukturForm/Ladungstrennung
Gelelektrophorese → Strukturverteilungen, thermodynam. ParameterAtomkoordinaten
Kernmagnetische Resonanzspektroskopie und Kristallstrukturanalysechem./molekularbiol. Methoden (RNA)
Enzymat./chem. Mapping, Nucleotidsubstitutionen → Unterscheidung zw.gestapelten, gepaarten u. ungepaartem Zustand einzelner Nucleotide
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 15 / 21
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
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 16 / 21
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)
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 17 / 21
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
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 18 / 21
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.
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 19 / 21
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
Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 20 / 21