The Solaris of Genome Annotation

V5: Bioinformatische Analyse von Proteinstrukturen
Angelehnt an Kapitel 1 und 5 aus dem Buch von Arthur Lesk
- Hierarchischer Aufbau der Proteinstruktur
- Klassifikation von Proteinstrukturen
5. Vorlesung WS 2006/07
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1
Funktion von Proteinen
Strukturproteine (Hüllenproteine von Viren, Cytoskelett)
Enzyme, die chemische Reaktionen katalysieren
Transport- und Speicherproteine (Hämoglobin)
Regulatoren wie Hormone und Rezeptoren/Signalübertragungsproteine
Proteine, die die Transkription kontrollieren
oder an Erkennungsvorgängen beteiligt sind:
Zelladhäsionsproteine, Antikörper
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2
Warum sind Proteine so groß?
Proteine sind große Moleküle.
Ihre Funktion ist oft in einem kleinen Teil der Struktur, dem aktiven Zentrum,
lokalisiert.
Der Rest?
- Korrekte Orientierung der Aminosäuren des aktiven Zentrums
- Bindungsstellen für Interaktionspartner
- Konformationelle Dynamik
Evolution der Proteine: Veränderungen der Struktur, die durch Mutationen in ihrer
Aminosäuresequenz hervorgerufen werden.
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3
Hierarchischer Aufbau
Primärstruktur – Sekundärstruktur – Tertiärstruktur – Quartärnere Struktur –
Komplexe
Welche „Kräfte“ sind für die Ausbildung der verschiedenen „Strukturen“
wichtig?
Lösliche Proteine: wichtigstes Prinzip ist der hydrophobe Effekt.
Membranproteine: sind im Transmembranbereich außen hydrophober als innen.
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4
Hydrophober Effekt
Beobachtung, dass die Überführung einer unpolaren
Substanz/Oberflächenbereichs aus einem organischen bzw. Unpolaren
Lösungsmittel nach Wasser
(a) energetisch stark ungünstig ist
(b) bei Raumtemperatur zu einer Abnahme der Entropie führt
(c) zu einer Zunahme der Wärmekapazität führt.
Eisberg-Modell
Kauzman 1959
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5
Hydrophober Effekt
Der Beitrag hydrophober WW zur Freien Enthalpie bei der Proteinfaltung und der
Protein-Liganden-Wechselwirkung kann als proportional zur Grösse der während
dieser Prozesse vergrabenen hydrophoben Oberfläche angesehen werden.
Löslichkeit von Kohlenwasserstoffen in Wasser: -0.10 bis -0.14 kJ mol-1 Å-2 .
Typische Oberflächen :
Methan CH4
Benzol CH6
Die Vergrabung einer zusätzlichen Methylgruppe (ca. 25 Å2 ) liefert
-2.75 bis -6 kJ mol-1 , was eine Erhöhung der Assoziationskonstanten um einen
Faktor 3-11 bewirkt.
Hydrophobe Aminosäuren: aliphatisch :
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Ile – Val – Leu
aromatisch :
Phe – Tyr – Trp
sonstige :
Ala – Pro – Cys
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6
Anwendungen der Hydrophobizität
Lesk-Buch
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7
Einleitung: Peptidbindung
In Peptiden und Proteinen sind die Aminosäuren miteinander als lange
Ketten verknüpft.
Ein Paar ist jeweils über eine „Peptidbindung“ verknüpft.
Die Aminosäuresequenz eines
Proteins bestimmt seinen
„genetischen code“.
H
+
H3N
R1
Die Kenntnis der Sequenz eines
Proteins allein verrät noch nicht
viel über seine Funktion.
Entscheidend ist seine
drei-dimensionale Struktur.
O
O
+
+
 G>0
H3N
H
N
R1
H R2
H O
+
H3N
O
R2
O
H3N
H O
+
H
H
O
+
-
H2O
O
O
N
R1
H R2
O
peptide bond
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8
Eigenschaften der Peptidbindung
E.J. Corey und Linus Pauling studierten die Petidbindung in den
1940‘ern und 1950‘ern.
Sie fanden: die C-N Länge ist 1.33 Å.
Sie liegt damit zwischen 1.52 Å und 1.25 Å,
was die Werte für eine Einfach- bzw.
Doppelbindung sind.
Linus Pauling
Nobelpreise für
Chemie 1954 und
Frieden 1963
H
+
H3N
R1
Die benachbarte C=O Bindung hat eine Länge
Von 1.24 Å, was etwas länger als eine typische
Carbonyl- C=O Doppelbindung ist (1.215 Å).
+
 G>0
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-
H3N
+
H
O
R2
O
H3N
H
+
H R2
H O
H3N
H
O
-
O
N
R1
H R2
-
O
N
R1
+
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O
+
H O
 die Peptidbindung hat einen teilweise
konjugierten Charakter und ist nicht frei drehbar.
Es bleiben damit pro Residue 2 frei drehbare
Diederwinkel des Proteinrückgrats übrig.
O
O
peptide bond
9
H2O
Sekundärstrukturelemente
Wie seit den 1950‘er Jahren bekannt,
können Aminosäure-Stränge
Sekundärstrukturelemente
bilden:
(aus Stryer, Biochemistry)
-Helices
und -Stränge.
In diesen Konformationen
bilden sich jeweils
Wasserstoffbrückenbindungen
zwischen den C=O und N-H
Atomen des Rückgrats. Daher
sind diese Einheiten strukturell
stabil.
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10
Diederwinkel des Proteinrückgrats
Die dreidimensionale
Faltung des Proteins wird
vor allem durch die
Diederwinkel des
Proteinrückgrats bestimmt.
Pro Residue gibt es 2 frei
drehbare Diederwinkel, die
als  und  bezeichnet
werden.
Lesk-Buch
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11
Stabilität und Faltung von Proteinen
Die gefaltete Struktur eines Proteins ist
die Konformation, die die günstigste freie
Enthalpie G für diese
Aminosäuresequenz besitzt.
-Faltblatt-Region
Der Ramachandran-Plot charakterisiert
die energetisch günstigen Bereiche des
Aminosäurerückgrats.
Die einzige Residue, die außerhalb der
erlaubten Bereich liegt, also alle
möglichen Torsionswinkel annehmen
kann, ist Glycin.
r-Helix-Region
(rechtsgängige Helix)
Grund: es hat keine Seitenkette.
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12
Domänen
Kompakter Bereich im
Faltungsmuster einer
Molekülkette,
der den Anschein hat, “er
könnte auch unabhängig von
den anderen stabil sein”.
Lesk-Buch
SERCA Calcium-Pumpe
cAMP-abhängige Proteinkinase
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13
Modular aufgebaute Proteine
Modular aufgebaute Proteine bestehen aus mehreren Domänen.
Anwendung von SMART (www.smart.embl-heidelberg.de) für die Src-Kinase HcK
ergibt
Sequenz:
MGGRSSCEDP
YVPDPTSTIK
KGDQMVVLEE
RKDAERQLLA
RTLDNGGFYI
EKDAWEIPRE
AFLAEANVMK
SKQPLPKLID
GLARVIEDNE
VTYGRIPYPG
RPTFEYIQSV
GCPRDEERAP
PGPNSHNSNT
SGEWWKARSL
PGNMLGSFMI
SPRSTFSTLQ
SLKLEKKLGA
TLQHDKLVKL
FSAQIAEGMA
YTAREGAKFP
MSNPEVIRAL
LDDFYTATES
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RMGCMKSKFL
PGIREAGSED
ATRKEGYIPS
RDSETTKGSY
ELVDHYKKGN
GQFGEVWMAT
HAVVTKEPIY
FIEQRNYIHR
IKWTAPEAIN
ERGYRMPRPE
QYQQQP
QVGGNTFSKT
IIVVALYDYE
NYVARVDSLE
SLSVRDYDPR
DGLCQKLSVP
YNKHTKVAVK
IITEFMAKGS
DLRAANILVS
FGSFTIKSDV
NCPEELYNIM
ETSASPHCPV
AIHHEDLSFQ
TEEWFFKGIS
QGDTVKHYKI
CMSSKPQKPW
TMKPGSMSVE
LLDFLKSDEG
ASLVCKIADF
WSFGILLMEI
MRCWKNRPEE
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14
Beispiel: Src-Kinase HcK
http://jkweb.berkeley.edu/
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15
Klassifikation von Proteinen
Die Klassifikation von Proteinstrukturen
nimmt in der Bioinformatik eine
Schlüsselposition ein, weil sie das
Bindeglied zwischen Sequenz und
Funktion darstellt.
Lesk-Buch
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16
Topologie von Membranproteinen
Im Inneren der Lipidschicht kann das Proteinrückgrat keine WasserstoffbrückenBindungen mit den Lipiden ausbilden 
die Atome des Rückgrats müssen miteinander Wasserstoffbrückenbindungen
ausbilden,
sie müssen entweder helikale oder -Faltblattkonformation annehmen.
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17
Topologie von Membranproteinen
Die hydrophobe Umgebung erzwingt, dass (zumindest die bisher bekannten)
Strukturen von Transmembranproteinen entweder reine -Barrels (links)
oder reine -helikale Bündel (rechts) sind.
http://www.biologie.uni-konstanz.de/folding/Structure%20gallery%201.html
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18
Superposition von Strukturen und Struktur-Alignment
Vergleich von zwei Proteinstrukturen:
Angabe des RMS-Werts, die Wurzel
der mittleren quadratischen
Abweichung,
oder root-mean-square deviation
RMS 
d
2
i
n
di : Abstand zwischen den Koordinaten des
i-ten Atompaares
n : Anzahl an Atompaaren
Interessanterweise ist bei zwei
verschiedenen Proteinen oft nicht klar,
welche Atome überlagert werden
sollen!
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19
DALI (Distance-matrix Alignment)
L. Holm & C. Sander
Während der Evolution eines Proteins verändert sich seine Struktur.
Was häufig erhalten bleibt, ist die Verteilung der Kontakte zwischen den Aminosäuren.
 Konstruiere Kontaktmatrix (distance matrix) für beide Proteine (leicht)
 finde maximal übereinstimmende Untermatrizen der Kontaktmatrizen (schwierig)
http://www.ebi.ac.uk/dali
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20
Wie kann man 2 Proteinstrukturen vergleichen?
Paarweise Sequenzvergleiche
Paarweise Strukturvergleiche?
Erkläre Kontaktmatrix an der Tafel
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21
Partitioning protein space into homologous families
The tramtrack protein [2drp] is a small
protein (525 heavy atoms, 63 residues,
and 6 elements of secondary structure).
Yet it exhibits typical modular protein
architecture with two compact structural
domains, the so-called zinc fingers.
(A) The most detailed description of
atomic positions is required to understand
the function of the tramtrack protein (gray
and black, running left to right), which
involves binding to a specific base
sequence of DNA (white).
Holm, Sander Science 273, 5275 (1996)
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22
Partitioning protein space into homologous families
(B) When side chains are stripped off, the
polypeptide backbone (thick) can be seen
meandering from the bottom left to the
upper right.
Thin lines: hydrogen bonds between
amide and carbonyl groups of the
polypeptide backbone give rise to
secondary structure.
(C)
shows secondary structure elements
schematically as arrows for  strands and
cylinders for  helices (with zinc atoms as
spheres).
Holm, Sander Science 273, 5275 (1996)
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23
Meaning of structural equivalence
Shape comparison aims at the 1:1
enumeration of equivalent polymer units
in 2 protein molecules.
The problem and solution can be
represented
- in 3D, as a rigid-body superimposition;
- in 2D, as similar patterns in distance
matrices;
- in 1D, as an alignment of amino acid
sequences.
Here, the comparison of the tramtrack
protein with another zinc finger protein,
the human enhancer-binding protein
MBP-1 [1bbo], is used as an example.
(A) In the 3D comparison, the problem is to find
a translation and rotation of one molecule (red:
1bbo) onto the other (blue: 2drpA).
The 3D superimposition (residue centers only,
green lines join equivalenced residue centers,
zinc atoms as spheres) is not exact because of
an internal rotation of the two zinc finger
domains relative to one another.
Holm, Sander Science 273, 5275 (1996)
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24
Partitioning protein space into homologous families
(B) The 2D distance matrices reveal
the conserved structure of the zinc
fingers (left: distance matrices of the
whole structures; black dots are
intramolecular distances less than
12 Å, 1bbo at bottom and 2drpA on
top; right: distance matrices brought
into register by keeping only rows or
columns corresponding to
structurally equivalent residues).
(C) One-dimensional alignment of
amino acid strings. Evolutionary
comparison aligns the histidine (H)
residues involved in zinc binding
(bold; helices and strands of
secondary structure are underlined).
Holm, Sander Science 273, 5275 (1996)
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Zusammenfassung
Die Sekundärstrukturelemente -Helix und -Faltblatt werden durch energetisch
günstige Wasserstoffbrücken zwischen Atomen des Peptidrückgrats gebildet.
 Sie sind sequenzunabhängig.
 Protein ”folds” ergeben sich durch die Assemblierung von
Sekundärstrukturelementen.
Der Ramachandran-Plot ist ein wichtiges Werkzeug um die Güte von Proteinstrukturen (bzw. –modellen) zu beurteilen.
Proteine sind oft modular aus mehreren Domänen aufgebaut.
Der Vergleich mehrerer Proteinstrukturen ist nicht-trivial.
Eine weitverbreitete Methode (DALI) vergleicht die Kontaktmatrizen der beiden
Proteine.
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