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Tutorial MenueStrukturvorhersagen bei ProteinenLerneinheit 1 von 3

Homologie-Modellieren von Proteinen

Wie können Proteine modelliert werden?

Der direkte Ansatz zur Aufklärung einer Struktur basiert z.B. auf der Modellierung von Kraftfeldern der Atome und Näherungsbestimmungen aus der klassischen Mechanik, wobei im Prinzip nach der Konformation mit dem Minimum an freier Energie gesucht werden soll (unter der Annahme, dass diese Konformation die günstigste ist und damit der natürlichen Konformation sehr nahe kommt). Für Proteine ist dieses Verfahren aber nur begrenzt verwendbar, denn

  • die beteiligten Kräfte im Molekül sind oft schwierig zu modellieren
  • stabilisierende und destabilisierende Kräfte in Proteinen wirken oft über weite Distanzen und nicht nur in der unmittelbaren Umgebung
  • der Einfluss der Wasser-Moleküle in der Umgebung des Proteins ist äußerst schwierig zu modellieren, hat aber eine wichtige Bedeutung für die Faltung des Proteins (z.B. gilt der hydrophobe Kollaps als eine der treibenden Kräfte bei den ersten Faltungsschritten eines Proteins)
  • der Faltungskontext des Proteins in der Zelle ist völlig unbekannt (Einfluss von Chaperonen, Vorläufersequenzen, posttranslationalen Modifikationen, Kontakte mit hydrophoben Oberflächen)
  • der Suchraum kann schon bei mittelgroßen Proteinen 1050 mögliche Konformationen überschreiten

Das Homologie-Modelling

Der direkte Ansatz, der sich für kleine Moleküle als sehr nützlich erweist, ist also für das Modelling von Proteinen nicht geeignet. Eine Alternative bietet die Nutzung der Information, die in bereits bekannten Proteinen gespeichert ist, für die Modellierung einer neuen Struktur. Dabei wird das bekannte Protein quasi als "Modelliervorlage" verwendet. Proteine haben immer wiederkehrende Strukturmotive wie α-Helices und β-Faltblattbereiche, und man nimmt heute an, dass es nur etwa 1000 bis 10.000 verschiedene Proteinstrukturfamilien gibt (Chothia, 1992; Orengo, Jones und Thornton, 1994). Ursprünglich wurde dieser Ansatz genutzt, um zwei verwandte Aminosäure-Sequenzen zu vergleichen (Homologie-"Modelling"). Wenn die Übereinstimmung der Sequenzen groß genug ist, liefert dieses Verfahren immer noch die besten Resultate. Leider sind die wenigsten der neu entdeckten Aminosäure-Sequenzen homolog zu bekannten Proteinen. Etwa 40 % aller Sequenzen können bisher nicht zugeordnet werden (Pennisi 1997).

Das "Threading"-Verfahren

In solchen Fällen hat sich das "Threading"-Verfahren (engl.to thread = "einfädeln") als sehr nützlich erwiesen, ein Sequenz-Strukturvergleich. Die Struktur eines bekannten Proteins (= Template) liefert die Raumkoordinaten der Aminosäurepositionen, wobei zunächst nur die Position der α-C-Atome des Proteinrückgrats relevant sind. Seitenketten und variable Schleifenstrukturen der Proteinoberfläche werden nicht berücksichtigt. Dann wird jeder Aminosäure der Sequenz des unbekannten Proteins eine Position des Templates zugeordnet, bevor zum Schluss die Aminosäuren der Schleifenbereiche berücksichtigt, die Orientierung der Seitenketten festgelegt und die unmittelbare Nachbarschaft der Struktur auf freie Energieminima hin berechnet wird.

Das "Threading" basiert auf der Annahme, dass Proteine zum einen aus bestimmten Strukturmotiven zusammengesetzt sind (s.o.) und zum anderen sich für jede Aminosäure bestimmte "Vorlieben" festlegen lassen (z.B. ob sie bevorzugt in α-Helices oder β-Faltblättern vorkommt, eher im Proteininneren oder auf der Oberfläche etc.). Für die Interaktion der Seitenketten zweier Aminosäuren lassen sich auch so genannte "contact potentials" festlegen, das heißt z.B., dass eine positiv geladene Aminosäure im hydrophoben Inneren des Proteins bevorzugt mit einer negativ geladenen Aminosäure in der Umgebung interagieren wird. Aus diesen Erfahrungen lassen sich "Score"-Funktionen für die Präferenzen jeder Aminosäure formulieren. Eine neue Sequenz wird so in die bekannte 3D-Struktur eingefädelt, dass diese "Score"-Funktionen optimiert werden, also dass Umgebung und Nachbarschaftspräferenzen maximal berücksichtigt werden.

Der viel versprechende Ansatz des "Threadings" hat allerdings in der Praxis die Erwartungen nicht ganz erfüllt. Besonders der Punkt "Präferenz der Aminosäuren" wird von der Natur leider nicht immer streng eingehalten, so dass sich hier viele Fehler beim "Threading" einschleichen können. Im Laufe der Evolution sind immer wieder Mutationen aufgetreten, die zu Aminosäuresubstitutionen geführt haben, und so mancher eigentlich "ungünstige" Austausch, der z.B. zum Auftreten einer polaren Aminosäure in hydrophober Umgebung führte, wird im Protein bis zu einem gewissen Maß toleriert. Ein gutes Beispiel sind die zahlreichen verschiedenen Hämoglobin-Varianten, die trotz Veränderungen alle funktionstüchtige Sauerstoff-Transporter darstellen.

Literatur

Chothia, C. (1992): Proteins. One thousand families for the molecular biologist. In: Nature. 357 , 543-544
Orengo, C. A.; Jones, D. T.; Thorton, J. M. (1994): Protein families and Domain superfolds. In: Nature. 372 , 631-634
Pennisi, E. (1997): Microbial Genomes Come Tumbling in. In: Science. 277 , 1433-1434
Richardson, J. S. (1981): The anatomy and taxonomy of protein structure. In: Adv. Protein Chem. . 34 , 167-339

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