Fachmodul Strukturbiologie I - Cheatsheet

Konzepte des Proteindesigns

Definition:

Zielgerichtete Veränderung der Aminosäuresequenz zur Erzeugung neuer oder verbesserter Proteine.

Details:

• Rationales Design: Struktur- und Funktionswissen nutzen, um zielgerichtete Mutationen einzuführen.
• Computergestütztes Design: Software und Algorithmen zur Vorhersage günstiger Mutationen verwenden.
• Directed Evolution: Zyklisches Verfahren aus Mutation und Selektion zur Optimierung der Proteinstruktur und -funktion.
• Phasen: Zieldefinition -> Konstruktion -> Testen -> Optimierung.
• Methoden: Mutagenese, rekombinante DNA-Technologien, Screening-Assays.
• Anwendungen: Enzymverbesserung, Therapieentwicklung, industrielle Biokatalyse.

Methoden zur Produktion von Designerproteinen

Definition:

Techniken zur Herstellung von Proteinen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Details:

• Mutagenese: Punktmutationen einfügen.
• Rekombinante DNA-Technologie: Gen-Klonierung und Expression.
• Directed Evolution: Selektion und Optimierung.
• De-novo-Design: Erstellung vollständig neuer Proteinsequenzen.
• CRISPR-Cas9: Genom-Editing zur gezielten Veränderung.
• PEGylierung: Kovalente Kopplung von Polyethylenglykol zur Verlängerung der Halbwertszeit.

Struktur-Funktions-Beziehungen in Designerproteinen

Definition:

Verhältnis zwischen Struktur und Funktion von künstlich hergestellten Proteinen

Details:

• Designerproteine: synthetisch erzeugte Proteine, oft mittels gezielter Mutagenese
• Ziel: Eigenschaften oder Funktionen zu verbessern oder völlig neue Funktionen zu erzeugen
• Verständnis der natürlichen Proteinfaltung und -struktur entscheidend
• Methoden: Röntgenkristallographie, NMR-Spektroskopie, Kryo-EM zur Strukturaufklärung
• Computergestützte Modellierung und Simulationen zur Design-Verifizierung
• Beispiele: Enzyme mit erhöhter Stabilität, Proteine mit neuen Bindungseigenschaften
• Funktionelle Studien notwendig um neue Aktivitäten und Stabilität zu bestätigen

Grundlagen der Röntgenkristallographie

Definition:

Grundlagen der Methode zur Bestimmung molekularer Strukturen mittels Röntgenstrahlen und Kristallproben.

Details:

• Interferenz von Röntgenstrahlen an einer Kristallprobe
• Bragg-Gleichung: \[ n\lambda = 2d \sin(\theta) \]
• Fourier-Transform zur Rekonstruktion der Elektronendichte
• Wellenlänge der Röntgenstrahlen: 0.01 bis 10 nm
• Gute Kristallqualität und ausreichende Größe notwendig
• Datenaufnahme durch Röntgendetektoren
• Phasenproblem: Lösungen via Methoden wie Molekularem Ersatz oder Anomaler Dispersion
• Endziel: 3D-Modell der Molekülstruktur

Einführung in die NMR-Spektroskopie

Definition:

Grundlagen der NMR-Spektroskopie zur Bestimmung der Struktur von Molekülen durch Analyse der Wechselwirkungen von Atomkernen mit einem externen Magnetfeld.

Details:

• Kerne mit ungerader Masse- oder Kernzahl: Eigendrehimpuls (Spin)
• Magnetfeld: Kerne richten sich aus; Energieniveauaufspaltung
• Resonanzbedingung: \(\Delta E = hu = \gamma B_0\)
• Fourier-Transformation: Umwandlung Zeit- in Frequenzdomäne
• Vorteile: Strukturaussagen in Lösung, dynamische Prozesse beobachtbar
• Parameter: chemische Verschiebung (\(\delta\)), Kopplungskonstanten (J-Werte), Relaxationszeiten (T1, T2)

Algorithmen zur Strukturvorhersage

Definition:

Algorithmen zur Vorhersage der 3D-Struktur von Proteinen aus deren Aminosäuresequenz.

Details:

• Homology-Modelling: Strukturvorhersage basierend auf homologen Sequenzen mit bekannter Struktur
• Threading: Anwendung durch Musterausrichtung bekannter Strukturen auf die Zielsequenz
• Ab-initio: Vorhersage ohne Referenzstrukturen, basierend auf physikalischen und chemischen Prinzipien
• Algorithmen umfassen: Rosetta, AlphaFold, SWISS-MODEL
• Ergebnisqualität abhängig von Sequenzidentität und Qualität der homologen Strukturen
• Anwendungen: Strukturaufklärung, Wirkstoffentwicklung, Funktionsanalyse

Datenbanken für Proteinstrukturen (z.B. PDB)

Definition:

Speicher und Organisation von 3D-Strukturdaten von Proteinen und Nukleinsäuren, z.B. Protein Data Bank (PDB).

Details:

• Protein Data Bank (PDB): Hauptdatenbank für 3D-Strukturinformationen von Proteinen und Nukleinsäuren.
• Einträge enthalten Koordinaten der Atome, experimentelle Methoden und Literaturreferenzen.
• Verfügbarkeit: Öffentlich und kostenlos zugänglich.
• Nutzung: Strukturmodellierung, funktionelle Analyse, computergestützte Wirkstoffentdeckung.
• Formate: PDB, mmCIF, XML.
• Wichtige Begriffe: Auflösung (Resolution), R-Wert (R-factor), B-Faktor (B-factor).

Vorbereitung und Kristallisation von Proteinen

Definition:

Vorbereitung und Kristallisation von Proteinen: wichtigste Schritte, um qualitativ hochwertige Proteinkristalle für die Strukturanalyse zu erhalten.

Details:

• Hochreine Proteinlösung durch Reinigungstechniken (z.B.: Chromatographie)
• Optimierung der Proteinkonzentration und Pufferbedingungen
• Screening nach Kristallisationsbedingungen (pH, Salzkonzentration, Temperatur)
• Verwendung von Vapour-Diffusion, Hanging-Drop oder Sitting-Drop Methoden
• Überwachung der Kristallbildung unter dem Mikroskop
• Feinabstimmung der Bedingungen zur Verbesserung der Kristallqualität
• Falls nötig: Co-Kristallisation mit Liganden oder Additiven