Warum ist dieses Wissen wichtig? Die folgenden Übungen führen weiter in die 3D-Struktur von Proteinen ein und vertiefen den Umgang mit JSmol.
Bezug Die Übungen ergänzen die Kapitel 1 "Biologische Grundlagen" und 19 "Vergleich von Protein-3D-Strukturen".

Lernziel
Nach dem Bearbeiten der Übung sollten Sie Ihr Verständnis der
  • Darstellungsarten von Atomen und Residuen sowie der
  • Sekundärstrukturelemente von Proteinen
gefestigt haben.
 
Übung 3D_PROT_1
Ein zentrales Dogma des Sequenzvergleichs ist, dass bei hinreichender Sequenzähnlichkeit auf ähnliche Funktion geschlossen werden kann. Allerdings ist die Funktion weniger stark konserviert als die Struktur, daher ist der Schluss auf ähnliche 3D-Struktur der sicherere. In dieser Übung lernen Sie zwei Proteine kennen, die praktisch die gleiche Struktur, aber völlig unterschiedliche Funktionen besitzen. Die beiden Strukturen sind bereits optimal überlagert (superpositioniert), sodass die mittlere Lageabweichung zwischen korrespondierenden Atomen minimal ist. 

Sie können hier unterschiedliche Darstellungsarten für Proteinstrukturen miteinander vergleichen. Diese sind auf der Schaltfläche angegeben.

 
 

Darstellungsart
Backbone Ball & Stick Kalotten Cartoon Aus
                   
Protein A
Protein B        
 
Wählen Sie zunächst das Protein A aus, indem Sie die Darstellung des Protein B abschalten. Vergleich Sie nun für Protein A die unterschiedlichen Darstellungsarten.
 
Lassen Sie sich anschließend das Proteinrückgrat beider Proteine darstellen. Sie sollten erkennen, dass der Verlauf der beiden Hauptketten sehr ähnlich ist.

Hier finden Sie die PDB-Datei dieses Datensatzes.  

Er enthält die Koordinaten beider Strukturen.
Stellen Sie fest, welche Funktion die beiden Proteine besitzen.

Beachten Sie hierzu die Einträge hinter den Schlüsseln JRNL und REMARK.

Für die Überlassung der pdb-Datei danke ich Frau Prof. K. Kisker ganz herzlich.
 

Interaktive 3D-Darstellung
  In dieser Übung lernen Sie weitere Möglichkeiten kennen, die 3D-Darstellung von DNA und Proteinen nach Ihren Vorstellungen anzupassen. 
3D-Darstellung
aktivieren		 Durch Aktivierung des folgenden Links wird die 3D-Darstellung eines DNA/Protein-Komplexes in einem separaten Fenster angestoßen. Arrangieren Sie die beiden Fenster so auf dem Bildschirm, dass Sie sowohl den hier folgenden Text, als auch die 3D-Darstellung gut überblicken können.

Bitte aktivieren Sie die 3D-Darstellung jetzt.
   
Übung 3D_PROT_2
   
PDB-File
interpretieren		 Stellen Sie fest um welches Protein es sich hierbei handelt.
Hier finden Sie den PDB-File. Den Namen des Proteins finden Sie im Header.
Abstract lesen Hier finden Sie die Zusammenfassung (Abstract) der Publikation, mit der diese Struktur veröffentlicht wurde.
  Der Datensatz enthält, wie Sie sicherlich erkennen, ein DNA-Fragment und ein daran gebundenes Protein. Studieren Sie zunächst die DNA genauer:
Protein ausblenden Schalten Sie zunächst die Darstellung des Proteins ab. Benutzen Sie die rechte Maustaste zum Aktivieren der Menüs und dann:

Select/Display Selected Only

Select/Nucleic/All
 

Stellen Sie nun die Atome gemäß der CPK-Konventionen dar:

Color/Atoms/By Scheme/Element (CPK)

 
DNA untersuchen Studieren Sie nun den Verlauf der beiden DNA-Moleküle. Was fällt Ihnen auf? Studieren Sie die Struktur der Doppelhelix und beachten Sie zur Beantwortung den Inhalt oben angegebener Publikation.
 
Nun wollen wir die Wirkung des Proteins genauer studieren, indem wir den Protein-DNA-Komplex genauer betrachten.
   
Protein zusätzlich visualisieren Lassen Sie nun zusätzlich das Protein in der Cartoon-Darstellung anzeigen. Gehen Sie wie folgt vor:

Deaktivieren Sie zunächst das exklusive Anzeigen der gewählten Strukturelemente 
Select/Display Selected Only

Wählen Sie nun das Protein aus:

Select/Protein/All

und lassen Sie es als Cartoon darstellen:

Style/Structures/Cartoon

Im Datensatz sind Wassermoleküle vorhanden, deren Darstellung wir ausblenden wollen:

Select/Hetero/All Water
 Select/Invert Selected
Select/Display Selected Only

Nun sind nur noch die DNA und das Protein zu sehen.
Sekundär-
strukturelemente
darstellen		 Färben Sie die Sekundärstrukturelemente mit unterschiedlichen Farben ein durch:
Color/Structures/Cartoon/By Scheme/Secondary Structure
  Untersuchen Sie nun das Ineinandergreifen der beiden Moleküle.
   
Oberfläche darstellen Mit den bisherigen Darstellungsarten ist es nicht möglich, abzuschätzen, welches Volumen vom Protein tatsächlich eingenommen wird.
Um einen Eindruck von der Größe des Proteins zu erhalten, lassen wir uns die Oberfläche darstellen.

Bitte führen Sie aus:
/Select/None
 /Select/Protein/All
/Surfaces/van der Waals Surface
/Select/Display selected only

Betrachten Sie jetzt nochmals das Reaktionszentrum, um zu erkennen, wie tief die DNA in das Protein hineinragt.
   
Übung 3D_PROT_3
   
  Wir wollen nun den prinzipiellen Aufbau von Sekundärstrukturelementen genauer untersuchen.
Auf der Seite, auf der 10MH dargestellt wird, finden Sie zwei Tasten, mit denen Sie eine α-Helix und ein β-Faltblatt darstellen können.

Benutzen Sie diese Tasten für die folgenden Übungen.
  Lagen Sie den Inhalt der Seite 10MH zunächst neu, um JSmol in den Anfangszustand zurückzusetzen.
α-Helix
darstellen		 Untersuchen Sie den Aufbau der Helix.  
  In rot sind in dieser Darstellung Wasserstoffbrücken zwischen Atomen der Hauptkette dargestellt.
Stimmt deren Lage mit Ihrer Erwartung überein?
In welche Richtungen ragen die Seitenketten?
Vermessen Sie die Länge einer Wasserstoffbrückenbindung.

Stellen Sie bitte zunächst ein:
/Measurements/Distance Units Angstroms
/Measurements/Show Measurements
/Measurements/Click for distance measurements

und vermessen Sie dann einige Wasserstoffbrückenbindungen durch Anklicken der beteiligten Atome.
β-Sheets
darstellen		 Untersuchen Sie den Aufbau zweier β-Stränge.  
Klicken Sie nun auf die Taste "beta-Faltblatt"

Es werden zwei β-Stränge dargestellt. Beantworten Sie die folgende Frage:
  Verlaufen die Stränge parallel oder anti-parallel?
 
Wenn Sie den Mauszeiger über einem Hauptkettenatom ruhen lassen, wird Ihnen die Nummer des zugehörigen Residuums gezeigt. Durch Vergleich der Residuenpositionen am Anfang und Ende der Stränge können Sie die Orientierung ableiten.

Studieren Sie die Ausbildung der Wasserstoffbrückenbindungen, die wiederum in rot dargestellt sind.
Im Gegensatz zur Helix wechselwirken hier Atome nebeneinander liegender Sekundärstrukturelemente.
 
Übung 3D_PROT_4
   
  In dieser Übung lernen Sie die Skriptsprache von JMol/JSmol kennen. Diesen "Viewer" haben Sie ja bereits in mehreren Übungen kennen gelernt. Er ist durch Skripte steuerbar und Sie haben bisher schon JSmol-Skripte benutzt. Die Tasten, die Sie bisher verwendet haben, sind mit solchen Skripten unterlegt.
  Eine ausführliche Beschreibung der Skriptsprache finden Sie hier.  
     
Jmol per Console steuern Laden Sie den Datensatz der 10MH-Seite neu und führen Sie aus:

/Console

Es öffnet sich ein Fenster, in das Sie nun Befehle eingeben können.
Übernehmen Sie mit copy&paste den folgenden Text in das untere Fenster und drücken Sie dann die Taste Run. 		 
 
select none
select 114-122,164-173:A
color yellow
spacefill 0.2
wireframe on
display selected
set hbonds backbone
hbonds calculate
color hbonds red
select 117:A
center selected
 
   
Kalottenmodell
generieren		 Das Ergebnis sollte dem entsprechen, das Sie auch durch Drücken der beta-Faltblatt-Taste erzeugen.

Wie Sie obigen Befehlen entnehmen können, ist es möglich, die Darstellung der Strukturen wesentlich detaillierter anzupassen, als es die Befehle erlauben, die per Menü zur Verfügung stehen.
   
PDB-Datenbank Die Datensätze, die Koordinaten von Proteinen bzw. Proteinkomplexen enthalten, werden in der PDB-Datenbank gesammelt.
Der (eindeutige) Schlüssel für einen Datensatz ist jeweils ein vierstelliger Bezeichner wie 10MH.
   

Was Sie jetzt verstanden haben sollten

 In Proteinen kommen Sekundärstrukturelemente vor, deren Abfolge charakteristisch für die jeweilige Topologie ist. Viewer wie JSmol erlauben es, die Struktur von Proteinen und anderen Molekülen genau zu studieren.