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Sekundärstrukturvorhersage bei Proteinen

Die Vorhersage amphipathischer und hydrophober Sekundärstrukturbereiche

Amphipathische Helices und Faltblattbereiche liegen oft an der Oberfläche eines löslichen Proteins. Seine hydrophoben Bereiche ragen nach Innen, während die hydrophile Seite sich in Richtung der umgebenden wässrigen Phase orientiert. Wenn amphipathische Helices im Proteininneren vorkommen, umschließen die hydrophilen Anteile der Helices häufig einen wässerigen Kanal, in dem z.B. geladene Moleküle transportiert werden können.

Wie lassen sich amphipathische Sekundärstrukturbereiche vorhersagen?

α-Helices und β-Faltblattbereiche sind sehr regelmäßige Strukturen, die sich durch eine bestimmte Periodizität auszeichnen. Im Fall der α-Helix kommen auf eine Schraubendrehung genau 3.6 Aminosäuren, d.h. die Reste an den Positionen x, (x+3), (x+4) und (x+7) liegen auf der gleichen Seite einer Helix. Das bedeutet, dass Aminosäure-Sequenzen, bei denen x, (x+3), (x+4) und (x+7) usw. alle hydrophobe Aminosäuren sind, ein starkes Indiz für eine α-Helix sind.

Beispiel: Die erste α-Helix des sauerstoffbindenden Proteins Myoglobin. Bis auf Glu sind die Reste auf der linken Seite der Helix hydrophob oder neutral (Ser).

Bei β-Faltblattbereichen an der Proteinoberfläche zeigen benachbarte Aminosäuren in die entgegengesetzte Richtung. Hier wären also z.B. die Aminosäuren an den Positionen x, (x+2), (x+4) usw. hydrophob und entsprechend (x+1), (x+3), (x+5) usw. polar. β-Faltblätter, die komplett im Proteininneren verborgen sind, bestehen vorwiegend aus hydrophoben Resten. Ein Beispiel hier für ist das bakterielle Chemotaxis-Protein CheY. Die Seitenketten der Aminosäuren im β-Faltblatt zeigen alternierend nach rechts und links. Alle Aminosäuren sind hydrophob oder neutral (Thr87).

Abb.1
Eine amphipathische α-Helix (aus Myoglobin)
Abb.2
Ein hydrophobes β-Faltblatt (aus CheY)

Web-Server für Sekundärstrukturvorhersagen

  • PSI-pred (PSI-BLAST Profile, David Jones, Warwick)
  • JPRED (Consensus-Vorhersagen, Cuff & Arton)
  • DSC (King und Sternberg)
  • PHD (Rost und Sander, EMBL)
  • ZPRED (Zvelebil et al.)
  • nnPredict (Cohen et al.)
Hinweis
Für einen Überblick über die verschiedenen Programme s. auf dem Expasy-Server unter Sekundärstruktur-Vorhersage.

Literatur

Kyte, J.; Doolittle, R. F. (1982): A simple method for displaying the hydropathic character of a protein. In: J. Mol. Biol.. 157 , 105-132
Engelman, D. A.; Seitz , T. A.; Goldman, A. (1986): Identifying nonpolar transbilayer helices in amino acid sequences of membrane proteins. In: Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem.. 15 , 321-353
Rost, R.; Sander, C. (1993): Prediction of protein secondary structure at better than 70% accuracy.. In: J. Mol. Biol. . 232 , 584-599
Zvelebil, M. J.; Barton, G. J.; Taylor, W. R.; Sternberg, M. J. (1987): Prediction of protein secondary structure and active sites using the alignment of homologous sequences. In: J. Mol. Biol.. 195 , 957-961

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