zum Directory-modus

Molecular Modelling

Die Konformationsanalyse

Definition
Die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Moleküls hängen eng mit seiner 3D-Struktur, der Konformation, zusammen. Unter dem Begriff "Konformationsanalyse" (engl. conformational analysis) werden Untersuchungen zusammengefasst, die sich mit dem Einfluss der Konformation eines Moleküls auf seine Eigenschaften beschäftigen.

Die Entwicklung der modernen Konformationsanalyse wird D.H.R. Barton zugeschrieben, der 1950 als Erster zeigte, dass die Reaktivität von substituierten Cyclohexanen von der äquatorialen oder axialen Anordnung der Substituenten abhängt. Am Anfang wurde die Konformation eines Moleküls allein als Anordnung seiner Atome im Raum definiert, die durch eine Rotation um die Einfachbindung in eine andere Konformation überführt werden kann. Heute ist diese Definition erweitert, da eine Konformationsänderung oft auch mit Veränderungen der Bindungslänge und -winkel oder mit einer Rotation um Bindungen in konjugierten Systemen einhergeht.

Die Konformationssuche (conformational search)

ist eines der Hauptanliegen der Konformationsanalyse und beschreibt den Versuch, die bevorzugte Konformation eines Moleküls zu finden. Das bedeutet i.d.R., dass die Struktur identifiziert werden soll, die Minima auf der Energieoberfläche besitzt. Methoden der Energieminimierung sind also sehr wichtig bei der Konformationssuche.

Die Untersuchung des Konformationsraumes (conformational space) in der Praxis

Dieser Methode liegt die Frage zugrunde, welche Konformationen von den fast unendlich vielen möglichen Konformationen für ein Molekül überhaupt energetisch günstig sind. Der einfachste Typ dieser systematischen Suche (auch grid search genannt) wird wie folgt durchgeführt:

  1. definiere alle rotierbaren Bindungen im Molekül
  2. alle Bindungslängen und -winkel bleiben unverändert
  3. rotiere alle Bindungen um 0 bis 360° in festgelegten Schritten (z.B. in 10°- oder 30°-Schritten)
  4. führe für jede dieser Konformationen eine Energieminimierung durch

Ein Beispiel für grid search ist der so genannte Ramachandran-Plot, der die möglichen Konformationen für Aminosäuren in Peptiden bestimmt. Die Amid-Bindung in Peptiden liegt in trans-Konfiguration vor, so bleiben nur die Winkel φ und ψ für eine freie Rotation. G.N. Ramachandran berechnete die Energiefunktionen in Abhängigkeit von diesen beiden Variablen und zeigte als Erster, dass Aminosäuren in einem Peptid nur bestimmte Konformationen einnehmen können.

Abb.1
Beispiel

Ramachandran-Plot für ein Alanin-Dipeptid (links) und ein Glycin-Dipeptid (rechts). Die Aminosäure Glycin hat im Gegensatz zum Alanin keine Seitenketten, die die Rotation um die Winkel φ und ψ beeinflussen, und sie kann daher mehrere mögliche Konformationen einnehmen.

Abb.2
Rotationswinkel der Peptidbindung

Literatur

Barton, D. H. (1950): The conformation of the steroid nucleus. In: Experimenta. 3 , 316-320
Ramachandran, G. N.; Ramakrishnan, C.; Sasiekharan, V. (1963): Stereochemistry of polypeptide chain configurations. In: J. Mol.Biol.. 7 , 95-99

Zugang zur PubMed-Datenbank

Seite 4 von 19