1 Struktur von BiomolekülenModul 10-202-2208

Bioinformatik von RNA- und Proteinstrukturen

Jana Hertel

Lehrstuhl Bioinformatik

7. April 2014

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Vorlesung +vorlesungsbegleitende Übungen

Uhrzeit: 10-12 UhrVorlesung: Raum 109, Härtelstr. 16-18Übung: Raum 006, Härtelstr. 16-18

Praktikum

Raum 109, Härtelstraÿe 16-18Gruppe A: 30.06.14 � 11.07.14 (Mo-Fr)Gruppe B: 14.07.14 � 25.07.14

Prüfung

mündl., Termine ab 21.07.14 nach Absprache

Termine

Montag Freitag

07.04.14 VL 11.04.14 VL14.04.14 Ü 25.04.14 VL28.04.14 Ü Brückentag

05.05.14 VL 09.05.14 VL12.05.14 Ü 16.05.14 VL19.05.14 Ü 23.05.14 VL26.05.14 Ü Brückentag

� 06.06.14 VLP�ngstmontag 13.06.14 VL16.06.14 Ü 20.06.14 VL

� 27.06.14 VL

Alle Änderungen werden auf unserer Website www.bioinf.uni-leipzig.de

bzw. in der Vorlesung bekannt gegeben

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Inhalt heute

1 MolekülstrukturenAllgmeines

2 Struktur von RNAPrimärstrukturSekundärstrukturTertiärstruktur

3 Struktur von ProteinenPrimärstrukturSekundärstrukturStukturen höherer Ordnung

4 StrukturbestimmungExperimentellBerechnungVorhersage

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1 Molekülstruktur

.. räumliche relative Anordnung der Atome in einem Molekül.

Wie erhält man diese?→ experimentell, präzise Berechnung, Vorhersage

Beschreibung durch:

kartesische Koordinaten (x , y , z)

interne Koordinaten (Bindungslängen,Bindungswinkel)

→ wohlde�nierte Zusammensetzung

Grundzustand= Zustand mit niedrigster freien Energie.

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2 Struktur von RNA

Primärstruktur - Bausteine der RNA:

BasenPurine (Adenin, Guanin)Pyrimidine (Cytosin, Uracil))

RibosePhosphat

Verbindung 2er Nucleotide durchPhosphatgruppe

→ negative Ladung am Phosphatrest

Human miRNA let-7a-1:UGGGAUGAGGUAGUAGGUUGUAUAGUUUUAGGGUCACACCCACCACUGGGAGAUAACUAUACAAUCUACUGUCUUUCCUA

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Sekundärstruktur von RNA

.. Interaktionen zwischen den Basen der Nukleotide

Wassersto�brückenbindungen +

nicht-benachbarte Basen

Energiegewinn gering

Stapelwechselwirkungen

benachbarte Basen(paare)

energetisch sehr günstig

Jede der 4 Basen kann mit einer anderen Base ≤ 3 H2-brückenbindungen bilden.

RNA einzelsträngig, faltet auf sich selbst.

Kanonische (Watson-Crick,WC) Paare: Purin mit Pyrimidin; AU und GC

Wobble-Basenpaar: GU und AC

Basiselemente der Sekundärstruktur sind:Helices, hairpin-loops,

Bulges/Interne Loops und Verzweigungsloops

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LoopsHairpin-Loop

Loop, der Helix überbrückt

Spezialfall:extra-stabile Tetraloops thermodynam. am stabilsten

Bulges, Interne Loops

unterbrechen Helices an nicht-komplemenären Bereichen

einseitig → Bulge, zweiseitig → Interner Loop -

biegen, knicken Helices → Ein�uss auf Tertiärstruktur

Verzweigungsloops

verbinden > 2 Helices

können ungepaarte Basen enthalten

Destabiliserende Wirkung von Loops abhängig von deren Gröÿe (Anzahlungepaarter Basen), Sequenz und Art der Randbasenpaare.

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Tertiärstruktur von RNA

.. zusätzlicher H2-brückenbindungenund Stapelwechselwirkungen werden gebildet

für biologischeAktivität vieler RNAs unabdingbar

häu�g Wechselwirkungen zwischenLoops, o. zw. Loop und freien Enden

schnelle Bildungder Sekundärstruktur aus Primärstrukturvs. langsamereEntstehung der Tertiärstruktur

Annahme:Tertiärstruktur wird aus Sekundärstruktur gebildet ohne diese maÿgeblichezu beein�ussen.

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3 Struktur von ProteinenProteine sind Polymere, deren Bausteine 20 verschiedene Aminosäuren(As):

Cα-Atom mit verbundenem Proton −HSeitenkette −RCarboxylgruppe −COOH

Aminogruppe −NH2

Primärstruktur

.. lineare Abfolge der As vom N-terminalenzum C-terminalen Ende

Synthese katalysiert durch Ribosomen

Hydrolyse enzymatisch o. durch Kochen inHCl o. NaOH katalyisert

Struktur und Funktion ergibt sich aus chem. Eigenschaften der Kette.Jana Hertel (Lehrstuhl Bioinformatik) 1 Struktur von Biomolekülen 7. April 2014 9 / 21

Peptidbindung

.. Verbindung 2er Aminosäuren;Kondensationsreaktion katalysiert durch Ribosomen

Carboxylgruppe der einen As reagiert mit Aminogruppe der anderen:

Rotation um Peptidbindung ist eingeschränkt (cis, trans).

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Sekundärstruktur

α-Helix

rechts gedrehte Spirale, 3,6 As pro Windung

stabilisert durch H2-Brückenbindungen zw. 1. und4. As (in Windung)

Seitenketten zeigen nach auÿen

sehr stabil

β-Faltblatt

2 Pp-ketten zieharmonikaartig verknüpft

antiparallel, parallel

Peptidgruppen - �Fächer�, C-Atome - �Kanten�

Stabilisierung durch H2Bb zw. Peptidbindungen

Seitenketten sehr nah beieinander

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Stukturen höherer Ordnung

Supersekundärstruktur

β-Hairpin - verbindet 2 antiparallele β-Faltblätter

αα-Hairpin -verbindet 2 antiparallele α-Helices → Helix-Turn-Helix Motife

Coiled-coil α-Helix - Superhelix aus 2 α-Helices

Tertiärstruktur

Verdichtung von Sekundärstrukturelementen zu Domains

Quartärstruktur

Zusammengesetztaus Tertiärstrukturelementen, desselben o. versch. Proteine

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4 Strukturbestimmung

Wie kann man die Strukturen von RNA oder Proteinen ermitteln?

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Experimentelle Ermittlung von Molekülstrukturen

Optische Methoden

UV-, CD- o. Raman Spektroskopie → thermodynamische/kinetischeEigenschaftenHydrodynamische Eigenschaften

Ultrazentrifugation → grobe Form der StrukturForm/Ladungstrennung

Gelelektrophorese → Strukturverteilungen, thermodynam. ParameterAtomkoordinaten

Kernmagnetische Resonanzspektroskopie und Kristallstrukturanalysechem./molekularbiol. Methoden (RNA)

Enzymat./chem. Mapping, Nucleotidsubstitutionen → Unterscheidung zw.gestapelten, gepaarten u. ungepaartem Zustand einzelner Nucleotide

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Gelelektrophorese

.. Methode zur Trennung unterschiedlich groÿer Moleküle

Mischung aus zu trennenden,elektr. geladenen Molekülen (RNAs) wandertunter Ein�uss eines elektr. Feldes durch ein Gel

Geschwindigkeit abhaengig von Gröÿedes Moleküls (kurz → schnell, lang → langsam)

Reibung wirkt Fluss entgegen

→ Molekülebleiben stehen, wenn beide Kräfte ausgeglichen

Gröÿe an Kontrolle ablesbar

Moleküle sortiert, können spezi�sch extrahiert werden

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Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR)

.. misst Energieabsorption von Kernen beim Übergang zw. benachbartenkernmagnet. Spin-Niveaus.

elektronische Umgebung einzelner Atome + Wechselwirkungen mitNachbaratomen

benötigt Moleküle in gelöstem Zustand (hohe Konzentration)

+ hohe Au�ösung → genauere Strukturen

- unerwünschte Strukturänderung inhochkonzentr. Moleküllösungen

- auf kleine Moleküle beschränkt (50ntbzw. 100aa)

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Kristallstrukturanalyse.. bestimmt atomare und molekulare Struktur eines Kristalls mittels(Röntgen)-Strahlung.

Kristallatome beugen Strahlen in spezi�scheRichtungen

Winkel und Intensitäten sind messbar

→ 3D Bild von Elektronen eines Kristalls

⇒ mittlere Position von Atomen u. chem. Bindungen

Primärstruktur wird aufgelegt - Atome zugeordnet

+ mächtigste Technik zur Strukturaufklärung

+ beliebig groÿe Moleküle analysierbar

- Kristallisation von Molekülen kann native Struktur verändern

- enorme Datenmengen auszuwerten

- Vorzeichenfehler durch quadrat. Amplitudenmessung

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Präzise Berechnung von Molekülstrukturen

1 bestimme Gesamtenergie E aller möglichen Geometrien einesAggregates aus Ionen und Elektronen

2 Grundzustand ist die Geometrie mit geringster Energie

+ Exakte Bestimmung des räumlichen Aufbaus

- bei N > 2 Atomen zu viele Geometrien möglich, GlobalesEnergieminimum schwierig zu �nden, da Anzahl lokaler Minima sehrgroÿ werden kann.

- der Zwang vereinfachte Formen interatomarer Kräfte zu benutzenschränkt Aussagekraft der Rechnung stark ein.

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Vorhersage von Molekülstrukturen

Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoÿungsmodell (VSEPR/EPA-Modell)

.. Elektronenwolken in der Valenzschale eines Atoms entfernen sich so weitwie möglich→ Molekülgestalt ist Resultat der gegenseitigen Abstoÿung vonElektronenwolken der Atome

Tetraederwinkel: 109.5◦ vs. 90◦ im Quadrat!

Für groÿe Moleküle nicht eindeutig, da zu viele versch. Geometrien fürgleiche Anzahl Atome möglich..

⇒ Vorhersage der Sekundärstruktur von Nukleinsäuren u. Proteine mittels:Graphentheorie, Informationstheorie und genetischen Algorithmen

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Referenzen

Bilder

Sämtliche Bilder wurden Wikipedia oder der Rfam Database entnommenund unterliegen somit keinem Copyright.

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