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So finden Sie die Aminosäure im DNA-Protein

So finden Sie die Aminosäure im DNA-Protein



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3' A T A G T A C C G C A T G T A C G G G C G A G A C A T T C G A G C A T T C A T 5'

Dies ein Schablonen-DNA.

Wie findet man die Anzahl der Aminosäuren Aminosäuren im Protein, das durch das obige Gen kodiert wird?

Die Antwort ist $7$.

Mein Versuch:

Zuerst habe ich die obige DNA in RNA umgewandelt und bekam

5' U A U C A U G G C G U A C A U G C C C G C U C U G U A G C U C G U A A G U A 3'

Dann habe ich das Startcodon gefunden, das A U G . ist

5' U A U C |A U G| G C G U A C A U G C C C G C U C U G U A A G C U C G U A A G U A 3'

Von hier aus verstehe ich nicht, wie ich vorgehen soll.

Kann jemand bitte erklären, wie man das löst?


Dann müssen Sie nur noch das Codon lesen, bis Sie ein Stop-Codon erreichen. Es gibt drei StoppcodonsUAA,UGAundUAG. Also in deinem Beispiel…

Start Stop 5' U A U C | A U G | G C G | U A C | A U G | C C C | G C U | C U G | U A A | G C U C G U A A G U A 3'

Ihr Protein ist daher 7 Aminosäuren lang (einschließlich des Ausgangsmethionins). Der genetische Code ist

Daher sind die 7 Aminosäuren

Met Ala Tyr Met Pro Ala Leu

Falls Sie verwirrt sind, ein zu habenAUGCodon in der Mitte eines offenen Leserasters, dann sollten Sie sich den Post-Effekt einer Verdoppelung des Startcodons in einem Gen ansehen.

Ich bin natürlich davon ausgegangen, dass die Region tatsächlich transkribiert ist und die ersteAUGist tatsächlich das Startcodon und nicht nur ein Methionin in der Mitte eines offenen Leserasters.


Jedes Protein-kodierende Gen besteht aus kodierenden und nicht-kodierenden Regionen. Die kodierende Region, auch bekannt als CDS (siehe: Kodierende Region und offener Leserahmen), wird zwischen der Translationsinitiationsstelle (TIS) und einem der Stoppcodons überspannt. Nicht-kodierende Regionen umfassen Introns und nicht-translatierte Regionen (5'UTR oder 3'UTR) in den Exons.

Sie müssen zuerst wissen, ob (und wo) Ihre DNA-Vorlage die Informationen über die Aminosäuresequenz enthält. Ist Ihre DNA-Vorlage nur die proteinkodierende Region oder haben Sie einige nicht-kodierende Teile (zB Introns).

(Kurze Anmerkung: Methionin ist auch innerhalb der Aminosäurekette zu finden, nicht nur bei TIS = nicht jedes Methionin ist ein TIS)


So finden Sie die Aminosäure im DNA-Protein - Biologie

In unserer in Nature veröffentlichten Studie zeigen wir, wie die Forschung zur künstlichen Intelligenz neue wissenschaftliche Entdeckungen vorantreiben und beschleunigen kann. Wir haben ein engagiertes, interdisziplinäres Team zusammengestellt, um mit KI die Grundlagenforschung voranzutreiben: Wir bringen Experten aus den Bereichen Strukturbiologie, Physik und maschinelles Lernen zusammen, um modernste Techniken anzuwenden, um die 3D-Struktur eines Proteins vorherzusagen allein auf seiner genetischen Sequenz.

Unser System AlphaFold – beschrieben in von Experten begutachteten Artikeln, die jetzt in Nature und PROTEINS veröffentlicht wurden – ist das Ergebnis mehrjähriger Arbeit und baut auf jahrzehntelanger früherer Forschung mit großen genomischen Datensätzen zur Vorhersage der Proteinstruktur auf. Die 3D-Modelle von Proteinen, die AlphaFold erzeugt, sind weitaus genauer als alle bisherigen Modelle – ein bedeutender Fortschritt bei einer der zentralen Herausforderungen der Biologie. Der bei CASP13 verwendete AlphaFold-Code ist hier auf Github für alle verfügbar, die mehr erfahren oder unsere Ergebnisse replizieren möchten. Wir freuen uns auch über die Tatsache, dass diese Arbeit bereits andere, unabhängige Implementierungen inspiriert hat, einschließlich des in diesem Dokument beschriebenen Modells und einer von der Community erstellten Open-Source-Implementierung, die hier beschrieben wird.

Was ist das Problem der Proteinfaltung?

Proteine ​​sind große, komplexe Moleküle, die für alles Leben unerlässlich sind. Fast jede Funktion, die unser Körper ausführt – Muskelkontraktion, Lichtwahrnehmung oder Umwandlung von Nahrung in Energie – hängt von Proteinen ab und wie sie sich bewegen und verändern. Was ein bestimmtes Protein tun kann, hängt von seiner einzigartigen 3D-Struktur ab. Zum Beispiel sind Antikörperproteine, die von unserem Immunsystem verwendet werden, „Y-förmig“ und bilden einzigartige Haken. Durch das Anheften an Viren und Bakterien sind diese Antikörperproteine ​​in der Lage, Krankheiten zu erkennen und zu markieren – wodurch Mikroorganismen zur Eliminierung veranlasst werden. Kollagenproteine ​​haben die Form von Schnüren, die Spannungen zwischen Knorpel, Bändern, Knochen und Haut übertragen. Andere Arten von Proteinen sind Cas9, das unter Verwendung von CRISPR-Sequenzen als Leitfaden wie eine Schere wirkt, um Abschnitte von DNA-Frostschutzproteinen zu schneiden und einzufügen, deren 3D-Struktur es ihnen ermöglicht, an Eiskristalle zu binden und das Einfrieren von Organismen zu verhindern, und Ribosomen, die wie ein programmiertes Fließband, das hilft, Proteine ​​selbst zu bauen.

Die Rezepte für diese Proteine ​​- Gene genannt - sind in unserer DNA kodiert. Ein Fehler in der genetischen Rezeptur kann zu einem missgebildeten Protein führen, was für einen Organismus zu Krankheit oder Tod führen kann. Viele Krankheiten sind daher grundsätzlich mit Proteinen verbunden. Aber nur weil Sie das genetische Rezept eines Proteins kennen, heißt das nicht, dass Sie automatisch seine Form kennen. Proteine ​​bestehen aus Ketten von Aminosäuren (auch als Aminosäurereste bezeichnet). Aber DNA enthält nur Informationen über die Reihenfolge von Aminosäuren - nicht wie sie sich in Form falten. Je größer das Protein, desto schwieriger ist es zu modellieren, da mehr Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren zu berücksichtigen sind. Wie Levinthals Paradox zeigt, würde es länger dauern als das Alter des bekannten Universums, um alle möglichen Konfigurationen eines typischen Proteins zufällig aufzuzählen, bevor es die wahre 3D-Struktur erreicht – doch Proteine ​​selbst falten sich innerhalb von Millisekunden spontan. Die Vorhersage, wie sich diese Ketten zu der komplizierten 3D-Struktur eines Proteins falten, ist das sogenannte „Proteinfaltungsproblem“ – eine Herausforderung, an der Wissenschaftler seit Jahrzehnten arbeiten. Dieses ungelöste Problem hat bereits unzählige Entwicklungen inspiriert, von IBMs Bemühungen im Supercomputing ( BlueGene ) über neuartige Citizen-Science-Bemühungen ( [email protected] und FoldIt ) bis hin zu neuen Ingenieurbereichen wie dem rationalen Proteindesign.

Warum ist die Proteinfaltung wichtig?

Ich denke, dass wir in der Lage sein werden, durch die Untersuchung der Moleküle, aus denen der menschliche Körper besteht, einschließlich der anormalen Moleküle, ein umfassenderes Verständnis der Natur von Krankheiten im Allgemeinen zu erlangen, und dieses Verständnis wird es ermöglichen. das Krankheitsproblem einfacher anzugehen, so dass neue Therapiemethoden entwickelt werden.

Wissenschaftler sind seit langem daran interessiert, die Struktur von Proteinen aufzuklären, weil angenommen wird, dass die Form eines Proteins seine Funktion bestimmt. Sobald die Form eines Proteins verstanden ist, kann seine Rolle innerhalb der Zelle erraten werden, und Wissenschaftler können Medikamente entwickeln, die mit der einzigartigen Form des Proteins arbeiten.

In den letzten fünf Jahrzehnten konnten Forscher mithilfe experimenteller Techniken wie Kryo-Elektronenmikroskopie, Kernspinresonanz und Röntgenkristallographie die Formen von Proteinen im Labor bestimmen, aber jede Methode hängt von vielen Versuchen und Irrtümern ab, die dauern können Jahre der Arbeit und kosten Zehn- oder Hunderttausende Dollar pro Proteinstruktur. Als Alternative zu diesem langwierigen Verfahren für schwierige Proteine ​​setzen Biologen deshalb auf KI-Methoden. Die Fähigkeit, die Form eines Proteins allein anhand seines genetischen Codes rechnerisch vorherzusagen – anstatt sie durch kostspielige Experimente zu bestimmen – könnte die Forschung beschleunigen.

Wie kann KI etwas bewirken?

Glücklicherweise ist das Gebiet der Genomik dank der schnellen Reduzierung der Kosten für die genetische Sequenzierung recht reich an Daten. Infolgedessen wurden in den letzten Jahren Deep-Learning-Ansätze für das Vorhersageproblem, die auf Genomdaten beruhen, immer beliebter. Um die Forschung zu katalysieren und Fortschritte bei den neuesten Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit von Vorhersagen zu messen, wurde 1994 ein alle zwei Jahre stattfindender globaler Wettbewerb namens CASP (Critical Assessment of Protein Structure Prediction) ins Leben gerufen, der sich zum Goldstandard für die Bewertung von Vorhersagetechniken entwickelt hat. Wir sind der jahrzehntelangen Vorarbeit der CASP-Organisatoren ebenso zu Dank verpflichtet wie den Tausenden von Experimentatoren, deren Strukturen diese Art der Bewertung ermöglichen.

Die Arbeit von DeepMind an diesem Problem führte zu AlphaFold, das wir bei CASP13 eingereicht haben. Wir sind stolz darauf, Teil des von den CASP-Organisatoren so genannten „beispiellosen Fortschritts bei der Fähigkeit von Computermethoden zur Vorhersage der Proteinstruktur“ zu sein und den ersten Platz unter den teilnehmenden Teams zu erreichen (unser Beitrag ist A7D).

Unser Team konzentrierte sich speziell auf das Problem, Zielformen von Grund auf neu zu modellieren, ohne zuvor gelöste Proteine ​​als Template zu verwenden. Wir erreichten ein hohes Maß an Genauigkeit bei der Vorhersage der physikalischen Eigenschaften einer Proteinstruktur und verwendeten dann zwei verschiedene Methoden, um Vorhersagen über vollständige Proteinstrukturen zu erstellen.

Verwendung neuronaler Netze zur Vorhersage physikalischer Eigenschaften

Beide Methoden beruhten auf tiefen neuronalen Netzen, die darauf trainiert sind, Eigenschaften des Proteins aus seiner genetischen Sequenz vorherzusagen. Die von unseren Netzwerken vorhergesagten Eigenschaften sind: (a) die Abstände zwischen Aminosäurepaaren und (b) die Winkel zwischen chemischen Bindungen, die diese Aminosäuren verbinden. Die erste Entwicklung ist ein Fortschritt bei häufig verwendeten Techniken, die abschätzen, ob Aminosäurepaare nahe beieinander liegen.

Wir trainierten ein neuronales Netzwerk, um eine Verteilung der Abstände zwischen jedem Paar von Resten in einem Protein vorherzusagen (in Abbildung 2 dargestellt). Diese Wahrscheinlichkeiten wurden dann zu einem Score kombiniert, der abschätzt, wie genau eine vorgeschlagene Proteinstruktur ist. Wir haben auch ein separates neuronales Netzwerk trainiert, das alle Entfernungen zusammen verwendet, um abzuschätzen, wie nah die vorgeschlagene Struktur an der richtigen Antwort liegt.

Abbildung 2: Zwei Möglichkeiten, die Genauigkeit der Vorhersagen von AlphaFold zu visualisieren. Die obere Abbildung zeigt die Distanzmatrizen für drei Proteine. Die Helligkeit jedes Pixels stellt den Abstand zwischen den Aminosäuren in der Sequenz dar, aus der das Protein besteht – je heller das Pixel, desto näher das Paar. In der oberen Zeile sind die realen, experimentell ermittelten Distanzen und in der unteren Zeile der Durchschnitt der von AlphaFold vorhergesagten Distanzverteilungen dargestellt. Wichtig ist, dass diese sowohl auf globaler als auch auf lokaler Ebene gut zusammenpassen. Die unteren Felder stellen den gleichen Vergleich mit 3D-Modellen dar und zeigen die Vorhersagen von AlphaFold (blau) im Vergleich zu Ground-Truth-Daten (grün) für die gleichen drei Proteine.

Mithilfe dieser Bewertungsfunktionen konnten wir die Proteinlandschaft durchsuchen, um Strukturen zu finden, die unseren Vorhersagen entsprachen. Unsere erste Methode baute auf Techniken auf, die üblicherweise in der Strukturbiologie verwendet werden, und ersetzte wiederholt Teile einer Proteinstruktur durch neue Proteinfragmente. Wir trainierten ein generatives neuronales Netzwerk, um neue Fragmente zu erfinden, die verwendet wurden, um den Score der vorgeschlagenen Proteinstruktur kontinuierlich zu verbessern.

Die zweite Methode optimierte die Ergebnisse durch Gradientenabstieg – eine mathematische Technik, die häufig im maschinellen Lernen verwendet wird, um kleine, inkrementelle Verbesserungen vorzunehmen – was zu hochpräzisen Strukturen führte. Diese Technik wurde auf ganze Proteinketten angewendet und nicht auf Teile, die separat gefaltet werden müssen, bevor sie zu einer größeren Struktur zusammengesetzt werden, um den Vorhersageprozess zu vereinfachen.

Die bei CASP13 verwendete AlphaFold-Version ist auf Github für alle verfügbar, die mehr erfahren oder unsere Proteinfaltungsergebnisse replizieren möchten.

Was passiert als nächstes?

Obwohl wir vom Erfolg unseres Proteinfaltungsmodells begeistert sind, gibt es im Bereich der Proteinbiologie noch viel zu tun, und wir freuen uns, unsere Bemühungen auf diesem Gebiet fortzusetzen. Wir sind bestrebt, Wege zu finden, wie KI zu grundlegenden wissenschaftlichen Entdeckungen beitragen kann, in der Hoffnung, Auswirkungen in der realen Welt zu erzielen. Dieser Ansatz könnte letztendlich dazu beitragen, unser Verständnis des Körpers und seiner Funktionsweise zu verbessern und es Wissenschaftlern zu ermöglichen, neue, wirksame Heilmittel für Krankheiten effizienter zu entwickeln und zu entwickeln. Wissenschaftler haben nur für etwa die Hälfte aller Proteine, die von menschlichen Zellen hergestellt werden, Strukturen kartiert. Einige seltene Krankheiten beinhalten Mutationen in einem einzelnen Gen, die zu einem missgebildeten Protein führen, das tiefgreifende Auswirkungen auf die Gesundheit des gesamten Organismus haben kann. Ein Tool wie AlphaFold könnte Forschern für seltene Krankheiten helfen, die Form eines interessierenden Proteins schnell und wirtschaftlich vorherzusagen. Da Wissenschaftler durch Simulationen und Modelle mehr Wissen über die Formen von Proteinen und ihre Funktionsweise erlangen, kann uns diese Methode schließlich helfen, zu einer effizienten Wirkstoffforschung beizutragen und gleichzeitig die mit Experimenten verbundenen Kosten zu senken. Wir hoffen, dass KI für die Krankheitsforschung nützlich sein und letztendlich die Lebensqualität von Millionen von Patienten auf der ganzen Welt verbessern wird.

Aber potenzielle Vorteile sind nicht nur auf die Gesundheit beschränkt – das Verständnis der Proteinfaltung wird das Proteindesign unterstützen, das eine enorme Anzahl von Vorteilen erschließen könnte. Fortschritte bei biologisch abbaubaren Enzymen, die durch Proteindesign ermöglicht werden können, könnten beispielsweise dazu beitragen, Schadstoffe wie Plastik und Öl zu bewältigen und uns dabei helfen, Abfälle auf eine umweltfreundlichere Weise abzubauen. Tatsächlich haben Forscher bereits damit begonnen, Bakterien so zu entwickeln, dass sie Proteine ​​absondern, die Abfall biologisch abbaubar und leichter zu verarbeiten machen.

Der Erfolg unseres ersten Ausflugs in die Proteinfaltung zeigt, wie maschinelle Lernsysteme verschiedene Informationsquellen integrieren können, um Wissenschaftlern zu helfen, schnell kreative Lösungen für komplexe Probleme zu finden. So wie wir gesehen haben, wie KI Menschen durch Systeme wie AlphaGo und AlphaZero helfen kann, komplexe Spiele zu meistern, hoffen wir auch, dass eines Tages KI-Durchbrüche als Plattform dienen werden, um auch unser Verständnis grundlegender wissenschaftlicher Probleme zu verbessern.

Es ist aufregend, diese frühen Anzeichen von Fortschritten bei der Proteinfaltung zu sehen, die den Nutzen der KI für die wissenschaftliche Entdeckung demonstrieren. Auch wenn noch viel zu tun ist, bevor wir einen quantifizierbaren Einfluss auf die Behandlung von Krankheiten, das Abfallmanagement und mehr haben können, wissen wir, dass das Potenzial enorm ist. Mit einem engagierten Team, das sich darauf konzentriert, zu erforschen, wie maschinelles Lernen die Welt der Wissenschaft voranbringen kann, freuen wir uns darauf, die vielen Möglichkeiten zu sehen, wie unsere Technologie einen Unterschied machen kann.

Hören Sie unseren Podcast mit den Forschern hinter dieser Arbeit.

Dieser Blogbeitrag basiert auf folgender Arbeit:

Die bei CASP13 verwendete AlphaFold-Version ist auf Github für alle verfügbar, die mehr erfahren oder unsere Proteinfaltungsergebnisse replizieren möchten.

Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Andrew Senior, Richard Evans, John Jumper, James Kirkpatrick, Laurent Sifre, Tim Green, Chongli Qin, Augustin Žídek, Sandy Nelson, Alex Bridgland, Hugo Penedones, Stig Petersen, Karen Simonyan, Steve Crossan, Pushmeet Kohli, David Jones, David Silver, Koray Kavukcuoglu und Demis Hassabis


Aminosäurezusammensetzung

Bei niedriger Auflösung können wir die Aminosäurezusammensetzung des Proteins bestimmen, indem wir das Protein in 6 N HCl, 100 °C, unter Vakuum für verschiedene Zeitintervalle hydrolysieren. Nach dem Entfernen der HCl wird das Hydrolysat auf eine Ionenaustausch- oder hydrophobe Wechselwirkungssäule aufgetragen und die Aminosäuren eluiert und in Bezug auf bekannte Standards quantifiziert. Eine nicht natürlich vorkommende Aminosäure wie Norleucin wird in bekannten Mengen als interner Standard zugegeben, um die quantitative Wiederfindung während der Reaktionen zu überwachen. Die abgetrennten Aminosäuren werden oft mit Ninhydrin oder Phenylisothiocyantat derivatisiert, um ihren Nachweis zu erleichtern. Die Reaktion wird normalerweise 24, 36 und 48 Stunden lang durchgeführt, da Aminosäuren mit OH (wie ser) zerstört werden. Ein zeitlicher Verlauf erlaubt die Extrapolation der Konzentration von Ser zum Zeitpunkt t=0. Trp wird auch während des Prozesses zerstört. Außerdem werden die Amidbindungen in den Seitenketten von Gln und Asn hydrolysiert, um Glu bzw. Asp zu bilden.


Hydrophobizitätsindex für gängige Aminosäuren

Der Hydrophobizitätsindex ist ein Maß für die relative Hydrophobie oder wie löslich eine Aminosäure in Wasser ist. In einem Protein sind hydrophobe Aminosäuren wahrscheinlich im Inneren zu finden, während hydrophile Aminosäuren wahrscheinlich mit der wässrigen Umgebung in Kontakt stehen.

Die Werte in der folgenden Tabelle sind normalisiert, so dass der hydrophobste Rest einen Wert von 100 relativ zu Glycin erhält, das als neutral angesehen wird (0-Wert). Die Skalen wurden auf Reste extrapoliert, die hydrophiler als Glycin sind.

A pH 2-Werte: Normalisiert nach Sereda et al., J.Chrom. 676: 139-153 (1994).
B pH 7-Werte: Monera et al., J. Protein Sci. 1: 319-329 (1995).


Proteine

Proteine ​​sind die vielfältigsten Biomoleküle und spielen eine bedeutende Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen. Enzyme sind die wichtigsten funktionellen Proteine, die biologische Reaktionen katalysieren. Proteine ​​reagieren empfindlich auf Hitze und pH-Änderungen. Aufgrund extremer Temperatur- oder pH-Änderungen unterliegen sie oft irreversiblen Strukturänderungen, die als Proteindenaturierung bezeichnet werden. Aminosäuren sind die Monomere komplexer Proteine.

Peptidbindungen und Polypeptide

Die Carboxylgruppe einer Aminosäure reagiert mit der Aminogruppe einer anderen Aminosäure, um ein durch eine Peptidbindung verbundenes Dipeptid zu bilden. Wenn 100 oder mehr Aminosäuren durch Peptidbindungen verbunden sind, wird die resultierende Aminosäurekette als Polypeptid bezeichnet. Eine oder mehrere Polypeptidketten bilden ein Protein.

Struktur von Proteinen

Proteine ​​haben vier Ebenen der strukturellen Organisation, einschließlich Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen. Eine Kette von Aminosäuren, die durch eine Peptidbindung verbunden sind, die ein Polypeptid bildet, ist als die Primärstruktur von Proteinen bekannt. Die Polypeptidketten können sich weiter biegen oder falten, um die Sekundärstruktur zu bilden. Es gibt zwei Arten von Sekundärstrukturen, einschließlich α-Helix und β-Faltblätter. Die α-Helix ist eine Kette von Aminosäuren, die sich in eine Helixform winden und durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen C=O- und NH-Gruppen verschiedener Aminosäuren stabilisiert werden. Die β-Faltblätter werden gebildet, wenn die Polypeptidketten nebeneinander angeordnet sind und durch Wasserstoffbrücken zwischen C=O- und NH-Gruppen zusammengehalten werden.

Die Seitenketten-R-Gruppen von Aminosäuren in der Polypeptidkette interagieren durch verschiedene interatomare Kräfte wie Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Bindungen, Disulfidbindungen oder Van-der-Waals-Kräfte. Diese Organisationsebene ist als Tertiärstruktur bekannt. Zwei oder mehr Polypeptidketten können durch Wasserstoffbrückenbindungen, kovalente Bindungen und/oder hydrophobe Wechselwirkungen wechselwirken, um die Quartärstruktur zu bilden. Dies ist die stabilste Struktur von Proteinen und gibt den Proteinen eine endgültige dreidimensionale Form.


Nanoporen können die Aminosäuren in Proteinen identifizieren, der erste Schritt zur Sequenzierung

In dieser künstlerischen Darstellung bewegt sich ein Teil eines Proteins durch eine Aerolysin-Nanopore. Bildnachweis: Aleksei Aksimentiev

Während die DNA-Sequenzierung ein nützliches Werkzeug ist, um zu bestimmen, was in einer Zelle oder im Körper einer Person vor sich geht, erzählt sie nur einen Teil der Geschichte. Die Proteinsequenzierung könnte Forschern bald ein breiteres Fenster in die Funktionsweise einer Zelle geben. Eine neue Studie zeigt, dass Nanoporen verwendet werden können, um alle 20 Aminosäuren in Proteinen zu identifizieren, ein wichtiger Schritt in Richtung Proteinsequenzierung.

Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign, der Cergy-Pontoise University in Frankreich und der Universität Freiburg in Deutschland veröffentlichten die Ergebnisse in der Zeitschrift Natur Biotechnologie.

„DNA kodiert für viele Dinge, die passieren können, sie sagt uns, was potenziell möglich ist. Das eigentliche Produkt, das dabei herauskommt – die Proteine, die die Arbeit in der Zelle verrichten – kann man nicht allein an der DNA erkennen“, sagte der Physikprofessor Aleksei . aus Illinois Aksimentiev, ein Co-Leiter der Studie. "Viele Modifikationen passieren während des Prozesses der Proteinherstellung aus DNA. Die Proteine ​​werden gespleißt, chemisch modifiziert, gefaltet und vieles mehr."

Ein DNA-Molekül ist selbst eine für die Replikation entworfene Matrize, daher ist es relativ einfach, Kopien für die Sequenzierung zu erstellen. Für Proteine ​​gibt es keine solche natürliche Maschinerie, um Kopien zu erstellen oder sie zu lesen. Erschwerend kommt hinzu, dass 20 Aminosäuren Proteine ​​bilden, verglichen mit den vier Basen in der DNA, und während der Proteinproduktion und -faltung können an jeder Aminosäure zahlreiche kleine Modifikationen vorgenommen werden.

"Viele Aminosäuren sind sich sehr ähnlich", sagte Aksimentiev. "Wenn man sich zum Beispiel Leucin und Isoleucin ansieht, haben sie die gleichen Atome, das gleiche Molekulargewicht und der einzige Unterschied besteht darin, dass die Atome in einer etwas anderen Reihenfolge verbunden sind."

Nanoporen, kleine Proteinkanäle, die in eine Membran eingebettet sind, sind ein beliebtes Werkzeug für die DNA-Sequenzierung. Bisher dachten Wissenschaftler, dass die Unterschiede bei den Aminosäuren zu gering seien, um sie mit der Nanoporen-Technologie zu erfassen. Die neue Studie zeigt etwas anderes.

Als Nanopore verwendeten die Forscher einen natürlich von Bakterien gebildeten Membrankanal namens Aerolysin. Sowohl bei der Computermodellierung als auch bei experimentellen Arbeiten zerhackten sie Proteine ​​und verwendeten einen chemischen Träger, um die Aminosäuren in die Nanopore zu treiben. Das Trägermolekül hielt die Aminosäuren auch lange genug in der Pore, um einen messbaren Unterschied in der elektrischen Signatur jeder Aminosäure zu registrieren – sogar Leucin und Isoleucin, die nahezu identischen Zwillinge.

"Diese Arbeit schafft Vertrauen und versichert der Nanoporen-Gemeinschaft, dass Proteinsequenzierung tatsächlich möglich ist", sagte Abdelghani Oukhaled, Professor für Biophysik an der Cergy-Pontoise, dessen Team einen Großteil der experimentellen Arbeit durchführte.

Die Forscher fanden heraus, dass sie modifizierte Formen von Aminosäuren weiter differenzieren können, indem sie ein empfindlicheres Messgerät verwenden oder das Protein mit einer Chemikalie behandeln, um die Differenzierung zu verbessern. Die Messungen sind präzise genug, um potenziell Hunderte von Modifikationen zu identifizieren, sagte Aksimentiev, und noch mehr können durch Feinabstimmung der Pore erkannt werden.

"Dies ist eine Machbarkeitsstudie, die zeigt, dass wir die verschiedenen Aminosäuren identifizieren können", sagte er. „Die derzeitige Methode zur Proteincharakterisierung ist die Massenspektrometrie, die jedoch nicht die Sequenz bestimmt, die eine Probe mit dem vergleicht, was bereits in der Datenbank vorhanden ist. Ihre Fähigkeit, neue Variationen oder Mutationen zu charakterisieren, ist begrenzt. Mit Nanoporen könnten wir uns endlich diese Modifikationen ansehen.“ die noch nicht untersucht wurden."

Die Aerolysin-Nanopore könnte in Standard-Nanoporen-Setups integriert werden, sagte Aksimentiev, um sie anderen Wissenschaftlern zugänglich zu machen. Die Forscher untersuchen nun Ansätze, um die Aminosäuren in sequentieller Reihenfolge zu lesen, während sie aus dem Protein geschnitten werden. Sie ziehen auch andere Anwendungen für das System in Betracht.

"Eine mögliche Anwendung wäre die Kombination mit Immunoassays, um interessierende Proteine ​​herauszufischen und sie dann zu sequenzieren. Die Sequenzierung wird uns sagen, ob sie modifiziert sind oder nicht, und das könnte zu einem klinischen Diagnosewerkzeug führen", sagte Aksimentiev.

"Diese Arbeit zeigt, dass es wirklich keine Grenzen gibt, wie genau wir biologische Moleküle charakterisieren können", sagte er. „Sehr wahrscheinlich werden wir eines Tages in der Lage sein, den molekularen Aufbau der Zelle – woraus wir bestehen – bis auf die Ebene einzelner Atome zu erkennen.“


Übersetzung (Fortgeschritten)

Das gelbe Molekül ist Messanger-RNA (mRNA) es verlässt den Kern am Ribosom, ribosomale RNA (rRNA) bindet an mRNA-Transfer-RNA oder tRNA (in Grün) kann den Drei-Buchstaben-Code auf mRNA oder Codon lesen, jedes Codon codiert für eine Animosäure (rotes Molekül an tRNA gebunden) Die Abfolge der Codons auf der mRNA bestimmt die Aminosäuresequenz im Protein, die wiederum die Struktur und Funktion des Proteins bestimmt.

Dauer: 3 Minuten, 3 Sekunden

Die Aufgabe dieser mRNA besteht darin, die Gene-Botschaft von der DNA aus dem Nukleus zu einem Ribosom zu transportieren, um das bestimmte Protein zu produzieren, für das dieses Gen kodiert. In einer typischen eukaryotischen Zelle können mehrere Millionen Ribosomen enthalten sein. Diese komplexen katalytischen Maschinen nutzen die mrna-Kopie der genetischen Information, um Aminosäure-Bausteine ​​zu den lebenswichtigen dreidimensionalen Proteinen zusammenzusetzen. Mal sehen, wie es funktioniert. Das Ribosom besteht aus einer großen und einer kleinen Untereinheit, die sich um die Boten-RNA anordnen, die dann wie ein Computerband durch das Ribosom wandert. Die Aminosäurebausteine ​​(das sind die kleinen leuchtend roten Moleküle) werden in das Ribosom transportiert, das an spezifische Transfer-RNAs gebunden ist. Das sind die größeren grünen Moleküle, die auch als tRNA bezeichnet werden. Die kleine Untereinheit des Ribosoms positioniert die mRNA so, dass sie in Gruppen von drei Buchstaben, bekannt als Codon, gelesen werden kann. Jedes Codon auf der mRNA entspricht einem entsprechenden Anti-Codon auf der Basis eines Transfer-RNA-Moleküls. Die größere Untereinheit des Ribosoms entfernt jede Aminosäure und fügt sie an die wachsende Proteinkette an. Beim Ratschen der mRNA durch das Ribosom wird die mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Es gibt drei Stellen innerhalb des Ribosoms, die als A-Stelle, P-Stelle und E-Stelle bezeichnet werden. Die Zugabe jeder Aminosäure ist ein dreistufiger Zyklus: Zuerst dringt die tRNA an der A-Stelle in das Ribosom ein und wird auf eine Codon/Anti-Codon-Übereinstimmung mit der mRNA getestet. Als nächstes wird die tRNA bei korrekter Übereinstimmung an die P-Stelle verschoben und die darin enthaltene Aminosäure an das Ende der Aminosäurekette angehängt. Die mRNA wird auch auf drei Nukleotiden oder einem Codon geratchet. Drittens wird die verbrauchte tRNA zur E-Stelle bewegt und dann aus dem Ribosom ausgeworfen, um recycelt zu werden. Im weiteren Verlauf der Proteinsynthese tritt die fertige Kette aus dem Ribosom aus. Es faltet sich in eine präzise Form, die durch die genaue Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt wird. So erklärt das Zentrale Dogma, wie der Vier-Buchstaben-DNA-Code – im wahrsten Sinne des Wortes – in Fleisch und Blut verwandelt wird.

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12 Proteine

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Beschreiben Sie die Funktionen von Proteinen in der Zelle und im Gewebe
  • Diskutieren Sie die Beziehung zwischen Aminosäuren und Proteinen
  • Erklären Sie die vier Ebenen der Proteinorganisation
  • Beschreiben Sie die Art und Weise, wie Proteinform und -funktion verknüpft sind

Proteine ​​sind eines der am häufigsten vorkommenden organischen Moleküle in lebenden Systemen und haben das vielfältigste Funktionsspektrum aller Makromoleküle. Proteine ​​können strukturell, regulatorisch, kontraktil oder schützend sein. Sie können dem Transport, der Lagerung oder der Membran dienen, oder sie können Toxine oder Enzyme sein. Jede Zelle in einem lebenden System kann Tausende von Proteinen enthalten, von denen jedes eine einzigartige Funktion hat. Ihre Strukturen sind ebenso wie ihre Funktionen sehr unterschiedlich. Sie alle sind jedoch Aminosäurepolymere, die in einer linearen Abfolge angeordnet sind.

Arten und Funktionen von Proteinen

Enzyme, die lebende Zellen produzieren, sind Katalysatoren bei biochemischen Reaktionen (wie der Verdauung) und sind normalerweise komplexe oder konjugierte Proteine. Jedes Enzym ist spezifisch für das Substrat (ein Reaktant, der an ein Enzym bindet), auf das es einwirkt. Das Enzym kann bei Abbau-, Umlagerungs- oder Synthesereaktionen helfen. Wir nennen Enzyme, die ihre Substrate abbauen, katabole Enzyme. Diejenigen, die komplexere Moleküle aus ihren Substraten aufbauen, sind anabole Enzyme, und Enzyme, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, sind katalytische Enzyme. Beachten Sie, dass alle Enzyme die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen und daher organische Katalysatoren sind. Ein Beispiel für ein Enzym ist die Speichel-Amylase, die ihr Substrat Amylose, einen Bestandteil der Stärke, hydrolysiert.

Hormone sind chemische Signalmoleküle, normalerweise kleine Proteine ​​oder Steroide, die von endokrinen Zellen sezerniert werden und bestimmte physiologische Prozesse steuern oder regulieren, einschließlich Wachstum, Entwicklung, Stoffwechsel und Fortpflanzung. Insulin ist beispielsweise ein Proteinhormon, das hilft, den Blutzuckerspiegel zu regulieren. (Abbildung) listet die wichtigsten Arten und Funktionen von Proteinen auf.

Proteinarten und -funktionen
Typ Beispiele Funktionen
Verdauungsenzyme Amylase, Lipase, Pepsin, Trypsin Hilfe in der Nahrung durch Abbau von Nährstoffen in monomere Einheiten
Transport Hämoglobin, Albumin Transportieren von Substanzen aus dem Blut oder der Lymphe durch den Körper
Struktur Aktin, Tubulin, Keratin Konstruieren Sie verschiedene Strukturen, wie das Zytoskelett
Hormone Insulin, Thyroxin Koordinieren Sie verschiedene Körpersysteme’-Aktivität
Verteidigung Immunglobuline Schützen Sie den Körper vor fremden Krankheitserregern
Kontraktil Aktin, Myosin Effekt Muskelkontraktion
Lagerung Hülsenfrucht-Speicherproteine, Eiweiß (Albumin) Bieten Nahrung in der frühen Embryonalentwicklung und dem Sämling

Proteine ​​haben unterschiedliche Formen und Molekulargewichte. Einige Proteine ​​haben eine kugelförmige Form, während andere faserförmig sind. Hämoglobin ist beispielsweise ein kugelförmiges Protein, aber Kollagen, das sich in unserer Haut befindet, ist ein faseriges Protein. Die Form des Proteins ist entscheidend für seine Funktion, und viele verschiedene Arten chemischer Bindungen behalten diese Form bei. Änderungen der Temperatur, des pH-Werts und der Einwirkung von Chemikalien können zu dauerhaften Veränderungen der Form des Proteins führen, was zu Funktionsverlust oder Denaturierung führen kann . Unterschiedliche Anordnungen der gleichen 20 Arten von Aminosäuren umfassen alle Proteine. Vor kurzem wurden zwei seltene neue Aminosäuren entdeckt (Selenocystein und Pirrolysin), und der Liste können weitere neue Entdeckungen hinzugefügt werden.

Aminosäuren

Aminosäuren sind die Monomere, aus denen Proteine ​​bestehen. Jede Aminosäure hat die gleiche Grundstruktur, die aus einem zentralen Kohlenstoffatom oder dem Alpha (α) Kohlenstoff, gebunden an eine Aminogruppe (NH2), eine Carboxylgruppe (COOH) und ein Wasserstoffatom. Jede Aminosäure hat auch ein anderes Atom oder eine Gruppe von Atomen, die an das Zentralatom gebunden ist, die als R-Gruppe bekannt ist ((Abbildung)).


Wissenschaftler verwenden den Namen “Aminosäure”, weil diese Säuren in ihrer Grundstruktur sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carboxylsäuregruppe enthalten. Wie bereits erwähnt, sind in Proteinen 20 gängige Aminosäuren vorhanden. Neun davon sind für den Menschen essentielle Aminosäuren, da der menschliche Körper sie nicht selbst herstellen kann und wir sie über die Nahrung aufnehmen. Für jede Aminosäure ist die R-Gruppe (oder Seitenkette) unterschiedlich ((Abbildung)).


Welche Kategorien von Aminosäuren würden Sie auf der Oberfläche eines löslichen Proteins erwarten und welche würden Sie im Inneren finden? Welche Verteilung von Aminosäuren würden Sie in einem Protein erwarten, das in eine Lipiddoppelschicht eingebettet ist?

Die chemische Natur der Seitenkette bestimmt die Natur der Aminosäure (d. h. ob sie sauer, basisch, polar oder unpolar ist). Beispielsweise weist die Aminosäure Glycin als R-Gruppe ein Wasserstoffatom auf. Aminosäuren wie Valin, Methionin und Alanin sind von Natur aus unpolar oder hydrophob, während Aminosäuren wie Serin, Threonin und Cystein polar sind und hydrophile Seitenketten aufweisen. Die Seitenketten von Lysin und Arginin sind positiv geladen, daher sind diese Aminosäuren auch basische Aminosäuren. Prolin hat eine R-Gruppe, die mit der Aminogruppe verbunden ist und eine ringartige Struktur bildet. Prolin ist eine Ausnahme von der Standardstruktur der Aminosäure, da seine Aminogruppe nicht von der Seitenkette getrennt ist ((Abbildung)).

Ein einzelner Großbuchstabe oder eine dreibuchstabige Abkürzung steht für Aminosäuren. Zum Beispiel steht der Buchstabe V oder das Drei-Buchstaben-Symbol val für Valin. So wie einige Fettsäuren für eine Ernährung essentiell sind, sind auch einige Aminosäuren notwendig. Zu diesen essentiellen Aminosäuren beim Menschen gehören Isoleucin, Leucin und Cystein. Essentielle Aminosäuren beziehen sich auf diejenigen, die zum Aufbau von Proteinen im Körper notwendig sind, aber nicht auf diejenigen, die der Körper selbst produziert. Welche Aminosäuren essentiell sind, ist von Organismus zu Organismus unterschiedlich.

Die Sequenz und die Anzahl der Aminosäuren bestimmen letztendlich die Form, Größe und Funktion des Proteins. An jede Aminosäure bindet eine kovalente Bindung oder Peptidbindung, die eine Dehydratisierungsreaktion bildet. Die Carboxylgruppe einer Aminosäure und die Aminogruppe der eingehenden Aminosäure verbinden sich und setzen ein Wassermolekül frei. Die resultierende Bindung ist die Peptidbindung ((Abbildung)).


Die Produkte, die solche Verknüpfungen bilden, sind Peptide. Wenn sich mehr Aminosäuren an diese wachsende Kette anschließen, ist die resultierende Kette ein Polypeptid. Jedes Polypeptid weist an einem Ende eine freie Aminogruppe auf. Dieses Ende ist das N-Ende oder das Amino-Ende und das andere Ende weist eine freie Carboxylgruppe auf, ebenfalls das C- oder Carboxyl-Ende. Während die Begriffe Polypeptid und Protein manchmal austauschbar verwendet werden, ist ein Polypeptid technisch gesehen ein Polymer von Aminosäuren, während der Begriff Protein für ein Polypeptid oder Polypeptide verwendet wird, die sich miteinander verbunden haben, oft gebundene nicht-peptidische prothetische Gruppen haben, eine unterschiedliche Form haben , und haben eine einzigartige Funktion. Nach der Proteinsynthese (Translation) werden die meisten Proteine ​​modifiziert. Diese werden als posttranslationale Modifikationen bezeichnet. Sie können gespalten oder phosphoryliert werden oder das Hinzufügen anderer chemischer Gruppen erfordern. Erst nach diesen Modifikationen ist das Protein vollständig funktionsfähig.

Klicken Sie sich durch die Schritte der Proteinsynthese in diesem interaktiven Tutorial.

Die evolutionäre Bedeutung von Cytochrom c Cytochrom c ist ein wichtiger Bestandteil der Elektronentransportkette, einem Teil der Zellatmung, und befindet sich normalerweise in der Zellorganelle, dem Mitochondrium. Dieses Protein hat eine prothetische Hämgruppe, und das Zentralion des Häms reduziert und oxidiert abwechselnd während des Elektronentransfers. Da die Rolle dieses essentiellen Proteins bei der Produktion von Zellenergie entscheidend ist, hat es sich über Millionen von Jahren nur sehr wenig verändert. Die Proteinsequenzierung hat gezeigt, dass es eine beträchtliche Menge an Cytochrom-c-Aminosäuresequenzhomologie zwischen verschiedenen Spezies gibt. Mit anderen Worten, wir können die evolutionäre Verwandtschaft beurteilen, indem wir die Ähnlichkeiten oder Unterschiede zwischen den DNA- oder Proteinsequenzen verschiedener Arten messen.

Wissenschaftler haben festgestellt, dass das menschliche Cytochrom C 104 Aminosäuren enthält. Für jedes Cytochrom-c-Molekül aus verschiedenen Organismen, das Wissenschaftler bisher sequenziert haben, erscheinen 37 dieser Aminosäuren in allen Cytochrom-c-Proben an derselben Position. Dies deutet darauf hin, dass es möglicherweise einen gemeinsamen Vorfahren gab. Beim Vergleich der Proteinsequenzen von Mensch und Schimpanse fanden die Wissenschaftler keinen Sequenzunterschied. Als die Forscher die Sequenzen von Menschen und Rhesusaffen verglichen, lag der einzige Unterschied in einer Aminosäure. In einem anderen Vergleich zeigt die Sequenzierung von Mensch zu Hefe einen Unterschied in der 44. Position.

Proteinstruktur

Wie bereits erwähnt, ist die Form eines Proteins entscheidend für seine Funktion. Beispielsweise kann ein Enzym an einem aktiven Zentrum an ein spezifisches Substrat binden. Wenn dieses aktive Zentrum aufgrund lokaler Veränderungen oder Veränderungen der gesamten Proteinstruktur verändert wird, kann das Enzym möglicherweise nicht an das Substrat binden. Um zu verstehen, wie das Protein seine endgültige Form oder Konformation erhält, müssen wir die vier Ebenen der Proteinstruktur verstehen: primär, sekundär, tertiär und quaternär.

Primärstruktur

Die einzigartige Sequenz von Aminosäuren in einer Polypeptidkette ist ihre Primärstruktur. Das Pankreashormon Insulin hat beispielsweise zwei Polypeptidketten, A und B, die durch Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Die N-terminale Aminosäure der A-Kette ist Glycin, während die C-terminale Aminosäure Asparagin ist ((Abbildung)). Die Aminosäuresequenzen in den A- und B-Ketten sind einzigartig für Insulin.


Das für das Protein kodierende Gen bestimmt letztendlich die einzigartige Sequenz für jedes Protein. Eine Änderung der Nukleotidsequenz der kodierenden Region des Gens kann dazu führen, dass der wachsenden Polypeptidkette eine andere Aminosäure hinzugefügt wird, was zu einer Veränderung der Proteinstruktur und -funktion führt. Bei der Sichelzellenanämie wird das Hämoglobin β Kette (einen kleinen Teil davon zeigen wir in (Abbildung)) hat eine einzelne Aminosäuresubstitution, die eine Veränderung der Proteinstruktur und -funktion verursacht. Insbesondere Valin in der β Kette ersetzt die Aminosäure Glutamin. Am bemerkenswertesten ist, dass ein Hämoglobinmolekül aus zwei Alpha- und zwei Betaketten besteht, die jeweils aus etwa 150 Aminosäuren bestehen. Das Molekül hat daher etwa 600 Aminosäuren. Der strukturelle Unterschied zwischen einem normalen Hämoglobin-Molekül und einem Sichelzellen-Molekül – das die Lebenserwartung drastisch verkürzt – ist eine einzelne der 600 Aminosäuren. Noch bemerkenswerter ist, dass drei Nukleotide jeweils für diese 600 Aminosäuren kodieren und eine einzige Basenänderung (Punktmutation), 1 von 1800 Basen verursacht die Mutation.


Aufgrund dieser Veränderung einer Aminosäure in der Kette bilden Hämoglobinmoleküle lange Fasern, die die bikonkaven oder scheibenförmigen roten Blutkörperchen verzerren und dazu führen, dass sie eine Sichel- oder „Sichel“-Form annehmen, die die Blutgefäße verstopft ((Abbildung )). Dies kann zu unzähligen ernsthaften Gesundheitsproblemen wie Atemnot, Schwindel, Kopf- und Bauchschmerzen bei den von dieser Krankheit Betroffenen führen.


Sekundärstruktur

Durch die lokale Faltung des Polypeptids in einigen Regionen entsteht die Sekundärstruktur des Proteins. Am häufigsten sind die α-Helix und β-plissierte Blechstrukturen ((Abbildung)). Beide Strukturen werden durch Wasserstoffbrücken in Form gehalten. Die Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich zwischen dem Sauerstoffatom in der Carbonylgruppe in einer Aminosäure und einer anderen Aminosäure, die vier Aminosäuren weiter entlang der Kette liegt.


Jede Helixwindung in einer Alpha-Helix hat 3,6 Aminosäurereste. Die R-Gruppen des Polypeptids (die Variantengruppen) ragen aus dem α-Helix-Kette. In dem β-plissiertes Blatt, Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Atomen auf dem Rückgrat der Polypeptidkette bilden die “Plissees”. Die R-Gruppen sind an den Kohlenstoffen befestigt und erstrecken sich oberhalb und unterhalb der Falten. Die gefalteten Segmente sind parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet und es bilden sich Wasserstoffbrücken zwischen dem teilweise positiven Stickstoffatom in der Aminogruppe und dem teilweise negativen Sauerstoffatom in der Carbonylgruppe des Peptidrückgrats. Die α-Helix und β-plissierte Blattstrukturen kommen in den meisten kugeligen und faserigen Proteinen vor und spielen eine wichtige strukturelle Rolle.

Tertiärstruktur

Die einzigartige dreidimensionale Struktur des Polypeptids ist seine Tertiärstruktur ((Abbildung)). Diese Struktur ist teilweise auf chemische Wechselwirkungen an der Polypeptidkette zurückzuführen. In erster Linie erzeugen die Wechselwirkungen zwischen den R-Gruppen die komplexe dreidimensionale Tertiärstruktur des Proteins. Die Natur der R-Gruppen in den beteiligten Aminosäuren kann der Bildung der Wasserstoffbrückenbindungen entgegenwirken, die wir für Standard-Sekundärstrukturen beschrieben haben. Zum Beispiel stoßen sich R-Gruppen mit gleichen Ladungen gegenseitig ab und solche mit ungleichen Ladungen werden voneinander angezogen (ionische Bindungen). Bei der Proteinfaltung liegen die hydrophoben R-Gruppen der unpolaren Aminosäuren im Inneren des Proteins, während die hydrophilen R-Gruppen außen liegen. Wissenschaftler nennen die erstgenannten Interaktionstypen auch hydrophobe Interaktionen. Die Wechselwirkung zwischen Cysteinseitenketten bildet in Gegenwart von Sauerstoff Disulfidbrücken, die einzige kovalente Bindung, die sich während der Proteinfaltung bildet.


All diese Wechselwirkungen, schwach und stark, bestimmen die endgültige dreidimensionale Form des Proteins. Wenn ein Protein seine dreidimensionale Form verliert, ist es möglicherweise nicht mehr funktionsfähig.

Quartäre Struktur

In der Natur bilden sich einige Proteine ​​aus mehreren Polypeptiden oder Untereinheiten, und die Wechselwirkung dieser Untereinheiten bildet die Quartärstruktur. Schwache Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten tragen zur Stabilisierung der Gesamtstruktur bei. Zum Beispiel hat Insulin (ein kugelförmiges Protein) eine Kombination aus Wasserstoff- und Disulfidbrücken, die dazu führt, dass es meist in eine Kugelform verklumpt. Insulin beginnt als einzelnes Polypeptid und verliert einige interne Sequenzen in Gegenwart einer posttranslationalen Modifikation, nachdem es die Disulfidbrücken gebildet hat, die die verbleibenden Ketten zusammenhalten. Seide (ein faseriges Protein) hat jedoch eine β-plissierte Blattstruktur, die das Ergebnis von Wasserstoffbrücken zwischen verschiedenen Ketten ist.

(Abbildung) veranschaulicht die vier Ebenen der Proteinstruktur (primär, sekundär, tertiär und quartär).


Denaturierung und Proteinfaltung

Jedes Protein hat seine eigene einzigartige Sequenz und Form, die chemische Wechselwirkungen zusammenhalten. Wenn das Protein Temperatur-, pH- oder Chemikalienänderungen ausgesetzt ist, kann sich die Proteinstruktur ändern und seine Form verlieren, ohne seine Primärsequenz zu verlieren, was Wissenschaftler als Denaturierung bezeichnen. Die Denaturierung ist oft reversibel, da die Primärstruktur des Polypeptids bei der Entfernung des Denaturierungsmittels erhalten bleibt, sodass das Protein seine Funktion wieder aufnehmen kann. Manchmal ist die Denaturierung irreversibel und führt zu einem Funktionsverlust. Ein Beispiel für irreversible Proteindenaturierung ist das Braten eines Eies. Das Albuminprotein im flüssigen Eiweiß denaturiert, wenn es in eine heiße Pfanne gegeben wird. Nicht alle Proteine ​​denaturieren bei hohen Temperaturen. Zum Beispiel haben Bakterien, die in heißen Quellen überleben, Proteine, die bei Temperaturen nahe dem Siedepunkt funktionieren. Der Magen ist auch sehr sauer, hat einen niedrigen pH-Wert und denaturiert Proteine ​​als Teil des Verdauungsprozesses, jedoch behalten die Verdauungsenzyme des Magens ihre Aktivität unter diesen Bedingungen.

Die Proteinfaltung ist entscheidend für ihre Funktion. Wissenschaftler dachten ursprünglich, dass die Proteine ​​selbst für den Faltungsprozess verantwortlich sind. Erst kürzlich entdeckten Forscher, dass sie beim Faltungsprozess oft von Proteinhelfern oder Chaperonen (oder Chaperoninen) unterstützt werden, die während des Faltungsprozesses mit dem Zielprotein assoziieren. Sie wirken, indem sie die Polypeptidaggregation verhindern, die die vollständige Proteinstruktur umfasst, und sie dissoziieren vom Protein, sobald das Zielprotein gefaltet ist.

Eine weitere Perspektive auf Proteine ​​finden Sie in dieser Animation mit dem Titel „Biomoleküle: Die Proteine“.

Abschnittszusammenfassung

Proteine ​​sind eine Klasse von Makromolekülen, die vielfältige Funktionen für die Zelle erfüllen. Sie helfen beim Stoffwechsel, indem sie als Enzyme, Träger oder Hormone fungieren und strukturelle Unterstützung bieten. Die Bausteine ​​der Proteine ​​(Monomere) sind Aminosäuren. Jede Aminosäure hat einen zentralen Kohlenstoff, der an eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, ein Wasserstoffatom und eine R-Gruppe oder Seitenkette bindet. Es gibt 20 häufig vorkommende Aminosäuren, die sich jeweils in der R-Gruppe unterscheiden. Eine Peptidbindung verbindet jede Aminosäure mit ihren Nachbarn. Eine lange Aminosäurekette ist ein Polypeptid.

Proteine ​​sind auf vier Ebenen organisiert: primär, sekundär, tertiär und (optional) quaternär. Die Primärstruktur ist die einzigartige Sequenz der Aminosäuren. Die lokale Faltung des Polypeptids zu Strukturen wie dem α-Helix und β-Plissee bildet die Sekundärstruktur. Die dreidimensionale Gesamtstruktur ist die Tertiärstruktur. Wenn sich zwei oder mehr Polypeptide verbinden, um die vollständige Proteinstruktur zu bilden, ist die Konfiguration die Quartärstruktur des Proteins. Form und Funktion von Proteinen sind eng miteinander verbunden. Jede Formänderung durch Temperatur- oder pH-Änderungen kann zu Proteindenaturierung und Funktionsverlust führen.

Fragen zur visuellen Verbindung

(Abbildung) Welche Kategorien von Aminosäuren würden Sie auf der Oberfläche eines löslichen Proteins erwarten und welche würden Sie im Inneren finden? Welche Verteilung von Aminosäuren würden Sie in einem Protein erwarten, das in eine Lipiddoppelschicht eingebettet ist?


Forscher stellen fest, dass die Aminosäure Arginin möglicherweise eine wichtigere Rolle bei der chemischen Entstehung des Lebens gespielt hat

Kredit: University of California - Santa Barbara

Das Leben, wie wir es kennen, entstand vor etwa 3,5 bis 4 Milliarden Jahren in Form einer präbiotischen („vor dem Leben“) Suppe organischer Moleküle, die irgendwie begannen, sich selbst zu replizieren und eine genetische Formel weiterzugeben. So zumindest der Gedanke hinter der RNA-Welt, einer der robustesten Hypothesen über die Entstehung des Lebens.

Forscher der UC Santa Barbara haben nun Beweise dafür gefunden, dass die Aminosäure Arginin (oder ihr präbiotisches Äquivalent) eine wichtigere Zutat in dieser Suppe gewesen sein könnte als bisher angenommen.

"Die Leute denken, dass Arginin nicht präbiotisch ist", sagte Irene Chen, eine Biophysikerin, deren Forschung sich auf die chemischen Ursprünge des Lebens konzentriert. "Sie neigen dazu, die einfacheren Aminosäuren wie Glycin und Alanin für plausibel zu halten." Arginin hingegen ist relativ komplexer und soll daher erst zu einem späteren Zeitpunkt ins Spiel gekommen sein.

Primordial Earth hatte nach der RNA World-Theorie die Bedingungen, um verschiedene Arten von Biomolekülen zu beherbergen, darunter Nukleinsäuren (die zu genetischem Material werden), Aminosäuren (die schließlich zu den Proteinen verbunden sind, die für die Struktur und Funktion von Zellen verantwortlich sind). und Lipide (die Energie speichern und Zellen schützen). Unter welchen Umständen und wie diese Biomoleküle zusammenarbeiteten, ist Gegenstand laufender Untersuchungen für Forscher über die Ursprünge des Lebens.

Für ihre Untersuchung analysierten die UCSB-Wissenschaftler einen Datensatz von in vitro entwickelten Komplexen aus Proteinen und Aptameren (kurze RNA- und DNA-Moleküle, die an bestimmte Zielproteine ​​binden).

"Wir haben uns die Grenzfläche angesehen, deren Eigenschaften die Bindung begünstigten", sagte Celia Blanco, Postdoktorandin im Chen Lab und Hauptautorin eines Artikels, der in der Zeitschrift erscheint Aktuelle Biologie. Die In-vitro-Evolution sei ein wichtiger Faktor bei der Auswahl dieser evolutionär unabhängigen Komplexe, betonte sie, um die verwirrenden Effekte der biologischen Evolution zu vermeiden und die Bedingungen einer präbiotischen Welt genau nachzuahmen.

"Es gibt so viele Einschränkungen in der Biologie", sagte Chen, die auch Medizinerin ist. "Biologisch gewachsene Protein-DNA- oder Protein-RNA-Interaktionen müssen innerhalb einer Zelle funktionieren, was bei den Ursprüngen des Lebens nicht unbedingt der Fall sein wird."

Die Forscher fanden heraus, dass Arginin an vielen der chemischen Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Aptameren beteiligt ist.

„Natürlich haben wir erwartet, dass es für elektrostatische Wechselwirkungen sehr wichtig ist, weil es positiv geladen ist“, sagte Chen, „aber es war auch die dominante Aminosäure für hydrophobe Wechselwirkungen, Stapelwechselwirkungen und diese anderen verschiedenen Arten der Wechselwirkung, die andere Aminosäuren sind bekannter für." In geringerem Maße spielte auch Lysin (eine weitere positiv geladene Aminosäure) eine bedeutende Rolle bei diesen Wechselwirkungen.

Unter anderem könnte Arginin übersehen worden sein, weil es eine relativ schwieriger zu synthetisierende Aminosäure ist.

"Normalerweise stützen sich die Leute auf Experimente, was präbiotisch ist und was nicht", sagte Blanco. "Und unter Verwendung von präbiotischen Bedingungen scheinen Arginin und Lysin schwer zu synthetisieren oder zu erkennen zu sein." Aber nur weil so etwas wie Arginin in den bisher durchgeführten Laborexperimenten nicht produziert wurde, so Blanco weiter, heißt das nicht, dass es nicht da war.

Die Forscher weisen darauf hin, dass, obwohl die Aminosäure, die wir Arginin nennen, für die von ihnen untersuchten Aptamer-Protein-Bindungswechselwirkungen wichtig war, das Biomolekül vor Milliarden von Jahren nicht unbedingt das heutige Arginin gewesen sein muss, sondern vielleicht ein positiv geladenes Uräquivalent .

Diese Entwicklung wirft mehr Licht auf die möglicherweise idealen Bedingungen für den Aufstieg des Lebens. Es gibt eine Vielzahl von Hypothesen – von Kometen über hydrothermale Quellen bis hin zu anderen Umgebungen – die für die spätere Evolution von Zellen günstig gewesen sein könnten, sowie mehrere wegweisende Experimente, die die Idee der RNA-Welt untermauern.

„Wenn wir herausgefunden hätten, dass Glycin wirklich wichtig für RNA-Protein-Interaktionen ist – und Glycin ist überall – dann wäre das nicht hilfreich gewesen, um plausible Bedingungen zu bestimmen“, sagte Chen. "Aber die Feststellung, dass Arginin wichtig war, schränkt die Art von Szenarien ein, die den genetischen Code hätten hervorbringen können."


Wenn ein Protein 450 Aminosäuren hätte, wie viele Basenpaare lang war dann die DNA, die dafür kodierte?

Jede Aminosäure wird von einem Codon kodiert, das aus einem Satz von 3 DNA-Paaren besteht. Es würde also 450 Sätze von 3 DNA-Paaren erfordern, um ein Protein mit 450 Aminosäuren zu kodieren.

# 450 xx 3 = 1350 # DNA-Paare.

Neben den DNA-Paaren, die für die eigentliche Aminosäure kodieren, müsste es auch einen Satz von drei DNA-Paaren geben, um die Transkription zu starten und einen Satz von drei DNA-Paaren, um die Transkription zu stoppen

Die DNA benötigt einen zweiten komplementären Strang als Bindungen an den Strang, der für das Protein kodiert.

Der komplementäre Strang kodiert jedoch nicht für das Protein. DNA kann auf den beiden komplementären Strängen unterschiedlich gelesen werden, wodurch unterschiedliche Proteine ​​​​und Anweisungen für die zellulären Prozesse erzeugt werden. Tatsächlich kann DNA in beide Richtungen gelesen werden, so dass der gleiche Strang oder Teile desselben Strangs, die für das gewünschte Protein von 450 Aminosäuren kodieren anders lesen kann ein anderes Protein oder eine andere zelluläre Anweisung erzeugen.


Schau das Video: How to find a number of Amino acids in protein chain? (August 2022).