konserviert

UAufgabe 12: (evolutiv konservierte Aminosäuren)
Aufgabenstellung
Wählen Sie zur Darstellung evolutiv konservierter Aminosäure-Positionen in "1lla"
eine ihnen sinnvoll erscheinende Anfärbung. Exportieren sie diese Färbungen mit der
entsprechenden Funktion im "Sequence Dialog" als RASMOL-SCRIPT.
Untersuchen Sie die Struktur von "1lla" unter Berücksichtung dieser aus der
Molekularen Phylogenie gewonnen Informationen.
Ergebnisse
Verwendet wurde das Alignment aus Aufgabe 2 vom Burmester-Teil:
es handelt sich um ein Alignment von ca. 60 Hämocyaninen und 5
Prophenoloxidasen. Die Hexamerine wurden bis auf eine Darstellung des aktiven
Zentrums nicht berücksichtigt.
Darstellung einer Hämocyanin-Untereinheit
Abb.12.1: Einfärbung von 1LLA-UE nach Konservierung.
Links in Cartoon-Darstellung, rechts in Spacefill-Darstellung im Slab-Modus.
rot: 100% konservierte AS, blau: 80% konserviert, grün: 60% konserviert, weiß: < 60% konserviert.
Der Austausch isofunktioneller AS war erlaubt (als isofunktionell galten :D,N; E,Q; S,T; K,R; F,Y,W;
L,I,V,M = Standard Einstellung in Genedoc).
Die Bereiche in der Mitte des Proteins sind besonders stark konserviert.
Abb12.2: Einfärbung der Hämocyanin-UE nach Konservierung im Spacefill-Modus
links: Seite des Interfaces
rechts: Seite zum Wasser hin
Farben wie bei 12.1.
Die Seite zum Interface ist etwas konserviert. Die Seite zum Wasser hin ist kaum konserviert
Darstellung eines Hämocyanin-Trimers
Abb.12.3: Konservierung innerhalb eines Hämocyanin-Trimers
Trimer in Spacefill-Darstellung und im Slab Modus. Links: slab 55, Mitte: slab 50, Rechts: slab:45
Farben wie in Abb.12.1.
Die Interfaces sind fast gar nicht konserviert.
Nur im Innern der einzelnen Untereinheiten sind stark konservierte Bereiche zu finden.
Darstellung des aktiven Zentrums
Abb.12.4: Aktives Zentrum mit Histidinen und Cu-Atomen und Konservierungsgrad
Histidin-Seitenketten in Wireframe-Darstellung, backbone in Cartoon-Darstellung. Cu-Atome in
Spacefill-Darstellung und gelb. Farbe der Histidine = Konservierungsgrad (Farben wie Abb.12.1)
links: Alignment ohne Hexamerine, rechts: Alignment mit Hexamerinen.
Werden die Hexamerine nicht mit ins Alignment einbezogen ist das aktive Zentrum 100% konserviert
Darstellung des „Four α-Helix“ bundles
Abb. 12.5: Konservierung des Four α-Helix bundles
„Four α-Helix bundle“ in Spacefill-Darstellung
links: Seite zum Wasser hin, rechts: Seite ins Proteininnere
Farben wie in Abb.12.1.
Die Seite zum Wasser hin ist kaum konserviert während die Seite,
die ins Proteininnere zeigt, relativ stark konserviert ist.
Auswertung / Diskussion
In dieser Aufgabe wurde die Struktur 1LLA auf evolutiv konservierte AminosäurePositionen untersucht wobei die Daten hierüber aus der molekularen Phylogenie
gewonnenen wurden. Dabei ergab sich, dass alle hoch konservierten Bereiche im
Innern der einzelnen Untereinheiten liegen (vgl. Abb.12.1, Abb.12.3). Die Außenseite
des Proteins, die an das wässrige Medium angrenzt, ist hingegen fast gar nicht
konserviert (Abb.12.2 + 12.3). Selbst innerhalb konservierter Domänen wie im „Four
α-Helix bundle“ ist die Außenseite kaum konserviert (Abb.12.5). Dies ist
folgendermaßen zu erklären: wenn es im Innern des Proteins zu einem Austausch
zwischen nicht-isofunktionellen Aminosäuren kommt, hat dies mit großer
Wahrscheinlichkeit einen Einfluss auf die Funktion des Proteins, da sich z.B. das
aktive Zentrum so verändern könnte, dass es das Substrat nicht mehr binden kann
oder allgemein die Faltung des gesamten Proteins verändert wird. Die Außenseite
hingegen ist weit vom aktiven Zentrum entfernt. Außerdem beeinflusst hier ein
Austausch zwischen nicht-isofunktionellen Aminosäuren nicht die Faltung anderer
Proteinbereiche, sodass die Funktion des Proteins erhalten bleibt.
Die interfaces sind ebenfalls kaum konserviert. Dies ist in Abb.12.3 zu erkennen.
Dies könnte mehrere Gründe haben. Zunächst ist es möglich dass zwischen den
Untereinheiten günstige Kontakte zwischen verschiedenen AS ausgebildet werden.
So könnte es z.B. zum Austausch einer positiv geladenen AS gegen eine andere
positiv geladene Aminosäure kommen. Aber auch ein Austausch gegen eine negativ
geladene Aminosäure ist möglich, wenn in der gegenüberliegenden Untereinheit eine
passende positive Aminosäure vorhanden ist. Außerdem ist es möglich dass es zu
einer Verschiebung um eine Aminosäureposition kommt. In diesem Fall kann es
immer noch zu einem günstigen Kontakt zwischen den Untereinheiten kommen,
jedoch beeinflusst diese Verschiebung das Alignment, sodass auch der
Konservierungsgrad beeinflusst wird, wenn es während der Evolution zu mehreren
verschiedenen Verschiebungen kommt. Weiterhin ist es möglich, dass die Natur
ursprünglich ein Monomer entwickelt hat, bei dem aus den oben genannten Gründen
nur das innere konserviert war, während die Außenseite nicht konserviert war.
Möglicherweise wurde dies bei der Bildung von Oligomeren beibehalten. Vielleicht
dient der geringe Konservierungsgrad der Interfaces auch dazu, dass sich
verschiedenen Monomere zusammenlagern können, sodass eine größere Vielfalt
erreicht wird.
Bei genauerer Betrachtung des aktiven Zentrums fällt auf, dass das aktive Zentrum
nur als hochkonserviert dargestellt wird, wenn die Hexamerine nicht in das Alignment
mit einbezogen wurden (Abb.12.4). Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die
Hexamerine ihre Funktion als Sauerstofftransporter verloren haben und keinen
Sauerstoff mehr binden müssen. Deshalb veränderte sich während der Evolution das
aktive Zentrum, welches sich nun von dem der Hämocyanine unterscheidet.
Wenn die Hexamerine nicht mit in das Alignment einbezogen werden, wird das aktive
Zentrum der Hämocyanine und Prophenoloxidasen als 100% konserviert dargestellt.
Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die positive Ladung der Histidine essentiell für
die koordinative Bindung der Cu-Atome ist. Diese Bindung wurde während der
Evolution also nur einmal erfunden und dann von der Natur beibehalten.
Dennoch könnte man sich vorstellen, dass Histidin durch die ebenfalls positiv
geladenen Aminosäuren Arginin oder Lysin ersetzt werden könnte. Dies ist jedoch
nicht der Fall, wie man dem Alignment entnehmen kann, weil Lysin und Arginin
wahrscheinlich beide zu groß und zu beweglich sind: Wären Lysin oder Arginin an
der koordinativen Bindung beteiligt, wäre somit keine definierte Fixierung möglich.
Jedoch ist ein genau definierter Abstand zwischen den beiden Kupfer-Atomen
essentiell für die Sauerstoffbindung. Deshalb also ist die Struktur um das aktive
Zentrum hoch konserviert und es findet kein Austausch zwischen Histidin und Lysin
oder Arginin statt.