Fachmodul Strukturbiologie II - Cheatsheet

Methoden zur Bestimmung von Proteinstrukturen

Definition:

Verschiedene Techniken zur Analyse und Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen.

Details:

• Röntgenkristallographie: Beugungsmuster von Protein-Kristallen analysieren; Auflösung ca. 1-3 Å.
• Kernspinresonanzspektroskopie (NMR): Analyse von Kernspins in magnetischen Feldern; geeignet für Proteine in Lösung.
• Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM): Elektronenstrahlen zur Abbildung von Proteinkomplexen; keine Kristallisierung notwendig.
• Massen-Spektrometrie: Bestimmung der Proteingröße und posttranslationaler Modifikationen durch Ionenanalyse.
• Small Angle X-ray Scattering (SAXS): Analyse der Proteinstruktur in Lösung mit geringer Auflösung (ca. 10-30 Å).
• Computational Methods: Molekulardynamik-Simulationen und Homologiemodellierung.

Röntgenkristallographie: Probenpräparation und Kristallzüchtung

Definition:

Probenpräparation und Kristallzüchtung - grundlegende Schritte zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Kristalls für die Röntgenkristallographie.

Details:

• Reinigung des Proteins: Hohe Reinheit essenziell
• Kristallisationsangaben: Temperatur, pH, Konzentration
• Screening: Verschiedene Bedingungen testen
• Züchtung: Versuchen verschiedene Methoden; Hängender Tropfen, Sitting Drop
• Optimierung: Anpassen von Bedingungen für größere Kristalle

Datenbanken und Softwaretools zur Strukturaufbereitung

Definition:

Datenbanken und Softwaretools helfen bei der Aufbereitung und Analyse von biologischen Strukturen.

Details:

• PDB: Protein-Datenbank mit 3D-Strukturdaten
• EMDB: Datenbank für Elektronenmikroskopie-Daten
• CCDC: Kristallographische Datenbank
• Software: PyMOL, Chimera, Coot, UCSF ChimeraX
• PyMOL: Visualisierung und Bearbeitung von Molekülstrukturen
• Chimera: Analyse von Molekülstrukturen
• Coot: Modellierung und Validierung von Kristallstrukturen
• UCSF ChimeraX: Erweiterte 3D-Darstellungen und Analysen

Kernspinresonanzspektroskopie: Spektreninterpretation und Strukturbestimmung

Definition:

Analyse von NMR-Spektren zur Bestimmung molekularer Strukturen basierend auf chemischen Verschiebungen, Kopplungskonstanten und NOE-Daten.

Details:

• Nutzung von 1D- und 2D-NMR-Spektren zur Strukturaufklärung.
• Chemische Verschiebungen: Identifikation von funktionellen Gruppen.
• Kopplungskonstanten \( J \): Information über die Konnektivität der Atome.
• NOE-Daten (Nuclear Overhauser Effect): Räumliche Nähe zwischen Atomen.
• Komplexe Proben: Einsatz von mehrdimensionalen NMR-Techniken (COSY, HSQC, NOESY).
• Strukturverfeinerung: Kombination von NMR-Daten mit molekularen Modellierungstechniken.
• Relevanz in der Biologie: Bestimmung von Protein- und Nukleinsäurestrukturen.

Kryo-Elektronenmikroskopie: Bildaufnahme und Rekonstruktion

Definition:

Kryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) ermöglicht die Strukturbestimmung von Biomolekülen bei kryogenen Temperaturen.

Details:

• Probenvorbereitung: Schnelles Einfrieren der Probe, um amorphes Eis zu erzeugen.
• Bildaufnahme: Elektronenstrahl zur Abbildung der gefrorenen Proben. Minimierung von Strahlenschäden durch niedrige Elektronendosis.
• Rekonstruktion: Verarbeitung der 2D-Einzelpartikelbilder zur 3D-Struktur durch Algorithmen wie der Einzelteilchenrekonstruktion.
• Software: Anwendungen wie RELION und cryoSPARC zur Datenverarbeitung und Strukturverfeinerung.
• Anwendung: Geeignet für die Untersuchung von Proteinstrukturen, Viruspartikeln und großen Molekülkomplexen.

Vergleichende Strukturanalysen

Definition:

Vergleichende Strukturanalysen vergleichen die 3D-Strukturen biologischer Makromoleküle, um funktionelle und evolutionäre Beziehungen zu identifizieren.

Details:

• Nutzt Techniken wie RMSD-Berechnungen (\textit{root-mean-square deviation}) und Strukturüberlagerungen
• Hilft bei der Identifikation konservierter Motive und funktioneller Domänen
• Wichtige Datenbanken: PDB (Protein Data Bank), CATH, SCOP
• Anwendungen: Wirkstoffdesign, evolutionäre Studien, Struktur-Funktionsbeziehungen
• Werkzeuge und Software: PyMOL, Chimera, VMD

Proteindesign: Rationales und computergestütztes Design

Definition:

Verständnis und Anwendung von Prinzipien zur systematischen Gestaltung von Proteinen unter Verwendung von Computer-Modellierung und algorithmischen Techniken.

Details:

• Ziele: Verbesserung der Stabilität, Funktion oder Spezifität von Proteinen.
• Rationales Design: Nutzt strukturelle und funktionelle Kenntnisse vorhandener Proteine.
• Computergestütztes Design: Verwendet Algorithmen und Simulationssoftware (z.B. Rosetta, FoldX).
• Strukturvorhersage: Berechnung der 3D-Struktur von Proteinen aus der Sequenz.
• Energieminimierung: Optimierung der Proteinkonformation für maximale Stabilität.
• Mutationsanalyse: Vorhersage der Auswirkung von Aminosäureänderungen.

Anwendungen von Designerproteinen in der Medizin

Definition:

Designerproteine: maßgeschneiderte Proteine zur Verbesserung therapeutischer Anwendungen.

Details:

• Gezielte Mutagenese zur Erhöhung der Protein-Stabilität
• Verbesserung der Bindungsaffinität zu spezifischen Zielmolekülen
• Anwenden in der Immuntherapie, z.B. CAR-T-Zell-Therapie
• Nutzung zur gezielten Medikamentenabgabe
• Entwicklung neuer Enzymtherapien zur Behandlung genetischer Erkrankungen
• Erhöhung der Spezifität und Minimierung von Nebenwirkungen
• Molekulardynamik-Simulationen zur Vorhersage von Proteinverhalten
• Protein-Engineering für bessere Diagnosetools