Warum ist dieses Wissen wichtig? Ein wichtiges Datenobjekt in der Bioinformatik sind biologische Sequenzen, die als abstraktes Modell für DNA- oder Proteinmoleküle stehen. Welcher Abstraktionsgrad hierbei in Kauf genommen wird, soll in den folgenden Übungen bewusst gemacht werden. Sie dienen dazu, eines der eigentlich gemeinten biologischen Objekte, nämlich die DNA (ein fädiges Makromolekül) in ihrer Komplexität darzustellen. Zur Darstellung von Makromolekülen werden wir in diesen Übungen häufig das frei verfügbare Programm Jmol benutzen. Eine in Javascript basierte Variante, die JSmol heißt, wird in diesen Webseiten verwendet. In dieser Übungseinheit lernen Sie einige Eigenschaften des Makromoleküls DNA kennen und die wichtigsten Befehle des Programms Jmol, das wir hier als Applet, d. h. eingebettet in eine HTML-Seite, nutzen. Es gibt auch Versionen, die ohne die Einbettung in eine HTML-Seite lauffähig sind. 

Ein großer Teil der in diesem Kurs vorgestellten Algorithmen arbeitet auf Sequenzen und zwar mit erstaunlichem Erfolg. Das wiederum heißt, dass die Reduzierung einer Problemstellung auf das Modell der Sequenz für eine Vielzahl von Fragestellungen gut geeignet ist, obwohl es, wie Sie gleich feststellen werden, DNA und natürlich auch Proteine nur sehr abstrakt modelliert.
Bezug Diese Übungen ergänzen das Kapitel 1 "Biologische Grundlagen".

Lernziel
Nach dem Bearbeiten der Übung sollten Sie kennen:
  • die 3D-Struktur der DNA,
  • erste Befehle des Programms Jmol/JSmol.
   

3D-Darstellung
3D-Darstellung
aktivieren		 Durch Aktivierung des folgenden Links wird die 3D-Darstellung eines DNA-Fragments in einem separaten Fenster angestoßen. Arrangieren Sie die beiden Fenster (dieses, das Sie im Moment lesen und das mit der 3D-Darstellung) so auf dem Bildschirm, dass Sie sowohl den Text dieser Seite, als auch die 3D-Darstellung gut überblicken können.

Bitte aktivieren Sie die 3D-Darstellung jetzt.
   
Übung 3D_DNA_1
   
Hinweise Rechts neben der 3D-Darstellung finden Sie Tasten, mit denen Sie unterschiedliche Darstellungsarten für die gesamte Struktur oder von Teilen, sowie die Darstellung von Wasserstoffbrückenbindungen wählen können.

Studieren Sie zunächst die unterschiedlichen Darstellungsarten.
Kalotten-
Modell		 Bei jedem Laden der Seite wird ein kurzer Ausschnitt einer DNA zunächst als Stäbchenmodell dargestellt. Klicken Sie auf die Taste Kalotten in der Zeile Gesamte DNA, um auf die Darstellung als Kalottenmodell umzustellen.

Im Kalottenmodell wird ein relativ realistisches Modell der Strukturen vermittelt; die Größe der Kugeln entspricht den van der Waals-Radien der Atome.

Beachten Sie die Farbgebung: Diejenigen Kugeln, die Kohlenstoffatome symbolisieren sind grau, blaue Kugeln stehen für Stickstoff-, rote für Sauerstoff- und orange/gelbe Kugeln für Phosphoratome. Diese Farbwahl entspricht der CPK-Konvention.
Modell bewegen Aktivieren Sie das JSmol-Fenster, indem Sie den Mauszeiger über das Fenster bewegen und einmal kurz klicken. Durch gleichzeitiges Betätigen der linken Maustaste und Bewegen der Maus können Sie nun das 3D-Modell im Raum bewegen.

Durch Drehen das Rädchens Ihrer Maus können Sie den Zoom-Faktor verändern.
Hinweise Positionieren Sie den Mauszeiger über dem JSmol-Fenster und klicken Sie kurz auf die linke Maustaste. Damit interpretiert JSmol die weiteren Maus-Operationen. Betätigen Sie dann die rechte Maustaste. Es erscheint ein Menü, mit dem Sie JSmol-Befehle absetzen können.
   
  Klicken Sie auf die rechte Maustaste und machen Sie ich mit dem Menü vertraut.
   
  Einer der obersten Einträge (425D) verweist auf den Namen des Datensatzes. In unserem Fall wurde der PDB-Datensatz 425D.pdb geladen.

Wenn Sie den Mauszeiger über diesen Eintrag bewegen, bekommen Sie die Anzahl von Elementen angezeigt.
Weshalb enthält der Datensatz zwei Ketten (chains)?

Aktivieren Sie nun die Option Select/Display Selected Only.
Wählen Sie dann Select/Nucleic/Backbone.
Hinweis Im gesamten Kurs werden Befehlsfolgen, die Sie interaktiv anstoßen müssen, wie oben eingeführt formatiert und notiert. Durch das Symbol "/" sind aufeinander folgende Befehle bzw. Untermenüs voneinander getrennt.
   
  Welche Atomarten kommen im Rückgrat (backbone) vor?
   
  Orientieren Sie sich an den Farben und beachten Sie die Information, die neben dem Mauszeiger in einem Fenster angezeigt wird, sobald Sie ihn über ein Atom bewegen. Darin wird die Zugehörigkeit des Atoms zur Kette und zum Nukleotid angegeben.
minor,
major groove		 Zwischen den beiden Bändern, die durch den Zucker/Phosphatteil der DNA gebildet werden, liegen die kleine und die große Furche ("minor" und "major groove").

Um deren Form gut zu erkennen, ist es sinnvoll, eine Oberfläche berechnen zu lassen.

Aktivieren Sie  Select/All und Surfaces/Molecular Surface.
   
  Studieren Sie nun Größe und Verlauf der beiden Furchen.
   
  Können Sie die kleine und die große Furche voneinander unterscheiden?
Basenpaare Untersuchen Sie als nächstes, wie viele AT- und GC-Basenpaare vorkommen.
  Schalten Sie zunächst die Oberflächendarstellung aus: Surfaces/Off. Wählen Sie dann Select/Nucleic/AT pairs.
   
  Nun werden nur noch AT-Paare angezeigt. Wie viele sind es?
   
GC-Basenpaar Bestimmen Sie anschließend die Anzahl der GC-Paare. Stellen Sie ein GC-Basenpaar als Stäbchenmodell dar. Benutzen Sie die Taste rechts neben dem JSmol-Fenster. Lassen Sie sich anschließend die Wasserstoffbrücken anzeigen. Auch hierfür ist eine Taste eingebaut.
   
  Bestimmen Sie die Anzahl und vermessen Sie die Länge der Wasserstoffbrückenbindungen.
   
  Arrangieren Sie zunächst die Darstellung so, dass Sie auf das Basenpaar schauen.
Benutzen Sie die Maus zum Ausrichten und stellen Sie die Größe geeignet ein.
Messungen Wählen Sie Measurements/Show Measurements,  Measurements/Distance Units Angstroms und anschließend
Measurements/Click für Distance Measurements.

Klicken Sie nach diesen vorbereitenden Schritten auf die beiden Atome, deren Abstand Sie vermessen wollen.
Dieser wird nun durch eine gestrichelte Linie und mit einem Zahlenwert markiert.

Mit Measurements/Delete Measurements werden diese Anzeigen gelöscht.
AT-Basenpaar Stellen Sie ein AT-Basenpaar als Stäbchenmodell dar. Verwenden Sie wiederum die Taste rechts dem JSmol-Fenster.
   
  Bestimmen Sie die Anzahl und vermessen Sie ebenfalls die Länge der Wasserstoffbrückenbindungen.
   
  Vergleichen Sie die Werte mit denen, die Sie beim GC-Basenpaar bestimmt haben. Wie gut stimmen sie überein?
Generell gehören Wasserstoffbrückenbindungen zu den wichtigsten, nicht-kovalenten Bindungen in Biomolekülen.

Bestimmen Sie nun charakteristische Dimensionen der Doppelhelix durch Abstandsbestimmung zwischen zwei Phosphoratomen, die um genau eine vollständige Windung (10 Nucleotide) voneinander entfernt liegen.

Sie haben nun die Parameter und wichtigsten Eigenschaften der DNA kennengelernt, die für die weitere Befassung und das Verständnis der bioinformatischen Ansätzen zunächst ausreichen sollten.
   
Realistische Dimensionen Aus Gründen der Übersichtlichkeit haben wir hier ein kurzes DNA-Fragment untersucht. Die Realität ist natürlich wesentlich komplexer: Schon das Genom eines einfachen  Bakteriums wie Escherichia coli umfasst bereits mehr als 4 Mio. Basenpaare, die in einem einzigen, in sich geschlossenen DNA-Ring, dem Chromosom, aufeinander folgen. Die lokale Struktur dieses Moleküls ist jedoch immer noch die, die wir in dieser Übung kennen gelernt haben.
 

Was Sie jetzt verstanden haben sollten

 Die doppelsträngige DNA weist die charakteristische Form einer Helix auf. In ihr stehen sich jeweils G-C und A-T Basenpaare gegenüber. Die 3D-Struktur von Proteinen und Nukleinsäuren wird als Datensatz angegeben, in dem für jedes Atom dessen genaue Koordinaten gespeichert sind. Viewer rekonstruieren aus diesen Angaben die Struktur und erlauben unterschiedliche Darstellungsarten.