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Tutorial MenueStrukturvorhersagen bei ProteinenLerneinheit 3 von 3

Proteinmodellierung (Helix)

Einfache Strukturvorhersagen nach Chou-Fasman

Obwohl Proteine nur aus 20 Aminosäuren bestehen, zeigen sie eine enorm große Formenvielfalt. Um die Wirkungsweise der Proteine zu verstehen, benötigt man aber eine Vorstellung von ihrer räumlichen Struktur. Die Bestimmung der dreidimensionalen Struktur ist zwar seit den 1950er Jahren erheblich leichter geworden, bleibt aber noch immer ein äußerst mühsames Geschäft.

Zwischenzeitlich wurde aber die Bestimmung der Aminosäure-Reihenfolge, also der so genannten Primärstruktur, immer mehr zu einer Routinemethode. Ganz besonders gilt das, nachdem man gelernt hatte, die Primärstruktur der Proteine aus den DNA-Sequenzdaten vertrauenswürdig auszulesen. Heute kennt man die Gesamt-DNA-Sequenzen von mindestens 100 Organismen vom Bakterium über Modellpflanzen bis zu Maus, Ratte und Mensch. Für Molekularbiologen wäre es daher äußert wünschenswert, eine verlässliche Strukturvorhersage allein aufgrund der Primärstruktur machen zu können.

Bereits ab 1960 bemühten sich zahlreiche Gruppen darum, Regeln für die Strukturvorhersage aufzustellen. Dabei konnte man aber nur auf die Daten aus vergleichsweise sehr wenigen Röntgenstrukturen zurückgreifen. Unter Hinzuziehung von Daten der UV- und CD-Spektroskopie gelang es 1972 nachzuweisen, dass beispielsweise Leucin die Bildung einer α-Helix stark begünstigt.

So entstand 1973 die Idee, die bis dahin bekannten Strukturdaten statistisch auszuwerten und jeder Aminosäure einen Wert zuzuordnen, der darüber Auskunft gibt, ob eine bestimmte Aminosäure lieber die Raumstruktur der α-Helix oder die des β-Faltblatts unterstützt. Peter Y. Chou und Gerald D. Fasman publizierten zwischen 1973 und 1978 immer weiter verbesserte Zuordnungsfaktoren, die zunächst auf der Basis von 15, später 29 Proteinen beruhten. Die von ihnen entwickelten Algorithmen bestachen durch ihre Einfachheit, so dass man sogar ohne die Anwendung eines Computers eine Vorstellung über die Raumstruktur des Proteins entwickeln konnte. Diese Vorstellung bezieht sich nur auf die so genannte Sekundärstruktur, also auf die lokalen Wechselwirkungen benachbarter Aminosäurereste. Am Beispiel des Trypsin-Inhibitors ist in der Abbildung das Ergebnis einer solchen Berechnung gezeigt:

Abb.1
Sekundärstruktur eines Proteins

In den folgenden Abschnitten wird das Rechenprinzip erläutert und die Zuordnungstabellen sowie der Rechenweg vorgestellt. Es werden einige Beispiele gegeben, die belegen, dass die einfache Methode sehr erfolgreich angewendet werden kann, ohne dabei aber auch die Schwächen der Vorhersagen zu verschweigen. Schließlich wird die Möglichkeit aufgezeigt, sich anhand von Beispielsequenzen in der Strukturvorhersage zu üben.

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