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Tutorial MenueStrukturvorhersagen bei ProteinenLerneinheit 2 von 3

Sekundärstrukturvorhersage bei Proteinen

Strukturvorhersagen für unbekannte Proteine

Wenn von einem neuen Protein keinerlei homologe Strukturen bekannt sind, die man für eine Vorhersage der 3D-Struktur verwenden könnte, lässt sich die Aminosäure-Sequenz zumindest auf in bestimmter Art und Weise gefaltete Bereiche hin untersuchen, um eine grobe Vorstellung von der möglichen Struktur zu bekommen. Sekundärstrukturbereiche lassen sich oft relativ leicht identifizieren, da bestimmte Aminosäuren bevorzugt in Helices oder Faltblattbereichen auftreten. Diese Art von Strukturvorhersagen gehören zu den frühen Methoden des Molecular Modelling (z.B. Methoden von Chou und Fasman; Garnier; Osguthorbe und Robson; Lim). Da es damals nur wenige 3D-Strukturen als Vergleichsstrukturen gab, waren Vorhersagen entsprechend ungenau und mit einer hohen Fehlerquote behaftet. Heute werden zum Strukturvergleich meistens ganze Proteinfamilien verwendet (und nicht nur einzelne Proteine).

Ein einfaches Beispiel: Vorhersagen über hydrophile und hydrophobe Bereiche

Wasserlösliche, globuläre Proteine besitzen ein hydrophobes Inneres, das meistens nur aus wenigen Domänen besteht, während hydrophile Reste nach außen zum umgebenden Wasser hin orientiert sind. Die meisten α-Helices und β-Faltblattbereiche in solchen Proteinen sind amphipathisch, d.h. sie besitzen eine hydrophobe Seite, die zum Proteininneren hin gerichtet ist und eine nach außen zeigende hydrophile Seite. Da auch Schleifenbereiche, die die Sekundärstrukturelemente verbinden, in der Regel hydrophil sind, finden sich in diesen Proteinen selten Bereiche von mehr als 10 hydrophoben Aminosäuren hintereinander, und das Innere des Proteins lässt sich häufig nicht leicht identifizieren.

Anders sieht es mit transmembranen Bereichen integraler Membranproteine aus. Diese Bereiche bestehen zwar auch nicht ausschließlich aus hydrophoben Aminosäuren (häufig sind geladene Seitenketten essentiell für die Funktion), die transmembrane Domäne muss aber eine Mindestlänge von 19 bis 20 Aminosäuren aufweisen, um eine Membran durchspannen zu können. Welche Aminosäuren sind nun typisch für transmembrane Domänen? Diese Frage ist nicht ganz einfach zu beantworten: zwar sind hydrophobe Aminosäuren wie Val, Met und Leu sicher in solchen Bereichen zu finden und geladene Aminosäuren wie Asp und Arg eher nicht, aber was ist mit Ala, Ser oder His?

Verschiedene Tabellen geben die Hydrophobizität jeder Aminosäure an (z.B. gemessen an ihrer Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln oder aufgrund theoretischer Kalkulationen). Von Kyte und Doolittle bzw. Engelmann et al. stammen die hier aufgeführten Tabellen, die häufig für Hydrophobizitätsberechnungen verwendet werden:

Tab.1
Hydrophobizitätsindizes
Aminosäure Phe Met Ile Leu Val Cys Trp Ala Thr Gly Ser Pro Tyr His Gln Asn Glu Lys Asp Arg
Kyte & Doolittle 2.8 1.9 4.5 3.8 4.2 2.5 -0.9 1.8 -0.7 -0.4 -0.8 -1.6 -1.3 -3.2 -3.5 -3.5 -3.5 -3.9 -3.5 -4.5
Engelmann et al. 3.7 3.4 3.1 2.8 2.6 2.0 1.9 1.6 1.2 1.0 0.6 -0.2 -0.7 -3.0 -4.1 -4.8 -8.2 -8.8 -9.2 -12.3

Literatur

Garnier, J.; Osguthorpe, D. J.; Robson, B. (1978): Analysis of the accuracy and implications of simple methods for predicting the secondary structure of globular proteins. In: J. Mol. Biol.. 120 , 97-120

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