Bioinformatik. Methoden zur Vorhersage vo n RNA- und Proteinstrukture n. Gerhard Steger

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1 Bioinformatik Methoden zur Vorhersage vo n RNA- und Proteinstrukture n Gerhard Steger

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3 Vorwort ix Strukturvorhersage von Nukleinsäuren 1 Struktur und Funktion von RNA RNA-Struktur fl 1.2 Thermodynamik der RNA-Faltung Kinetik der RNA-Faltung RNA-Struktur-Bestimmung RNA-Funktionen Kooperative Gleichgewichte in doppelsträngigen Nukleinsäuren Einfaches chemisches Gleichgewicht zwischen Isomeren Protonierungsgleichgewicht Modell für Denaturierung von doppelsträngiger Nukleinsäure Graphen und Alignments Globales paarweises Alignment Varianten des paarweisen Alignments Kosten für Lücken Multiple Alignments 66

4 4. RNA-Sekundärstruktur-Vorhersage per Graphentheorie Definition von Sekundär- und Tertiärstruktur Tinoco-Plot :. :, A), : +.,. : A... A.A., : A Zahl möglicher Strukturen :x W Struktur mit maximaler Zahl Basenpaare Strukturen mit submaximaler Zahl Basenpaare Energie-Werte für RNA-Sekundärstrukturen Thermodynamisch optimale Sekundärstrukturen Bestimmung von Strukturverteilungen Qualität der Vorhersage von Strukturen un d Strukturverteilungen Tertiärstrukturvorhersage Simultane Optimierung von Struktur und Alignment RNA-Sekundärstruktur-Vorhersage per Informationstheorie Kommunikationstheorie : "Sequence Logos" : Darstellung der Information in Alignments "Expected mutual information rate" oder "rate of informatio n transmission" Maximal gewichtete Zuordnungen Optimierung der Konsensus-Struktur ConStruct RNA-Sekundärstruktur-Vorhersage mit Genetischen Algorithmen Prinzip eines Genetischen Algorithmus Beispiel für Genetischen Algorithmus Vorhersage von RNA-Sekundärstruktur Vorhersage des Faltungswegs von RNA-Sekundärstruktur Programmierter Zelltod durch hok/sok des Plasmids R RNA-Sekundärstrukturfaltung Toleranzschwellen-Algorithmus Sintflut-Algorithmus Kinetische Parameter für Strukturbildung RNA-Faltung durch Lösung der "master equation" :..,, Vorhersage von RNA-Faltung 135

5 Strukturvorhersage von Proteinen Protein-Struktur Aminosäuren als Bausteine 15( 8.2 Die Polypeptidkette Die Peptidbindung Ramachandran-Plot 15 ( 8.5 Sekundärstrukturen 15 ( 8.6 Supersekundärstrukturen Tertiärstrukturen Folds und Superfolds, Familien und Superfamilien 1T 8.9 Quartärstrukturen 17L 9. Energetik von Protein-Strukturen Nicht-kovalente Wechselwirkungen, die die Proteinstruktur bestimmen 9.2 Salzbrücken : 9.3 Molekulare Packung 18 ; 10. Protein-Sekundärstruktur-Vorhersage 18 ; 10.1 Sekundärstruktur nach Chou & Fasman (1978) Sekundärstruktur nach Garnier et al. (1978) 19 : 10.3 Hydropathie und Amphiphilie von a-helices , 10.4 Antigenitätsindex nach Jameson & Wolf (1988) 19 ' 11. Qualität von Vorhersagen Eine binäre Aussage oder eine Aussage mit Wertebereich Aussagen mit mehr als zwei Klassen 20 : 11.3 Objektive Prüfung von Vorhersagen Vorhersage von Transmembran-Helices per Hidden-Markov-Modell 20 ' 12.1 Markov-Ketten Hidden-Markov-Modell 20! 12.3 Hidden-Markov-Modelle zur Sequenz-Analyse Transmembran-Helices per Hidden-Markov-Modell (TMHMM) 21, 12.5 Qualität von Programmen zur Vorhersage vo n Transmembranregionen 21' 1 T

6 13. Protein-Sekundärstruktur-Vorhersage per Neuronalem Netz Neuronale Netze PHD - Strukturvorhersage unter Verwendung evolutionärer Information Ausgabebeispiel von PHD Vorhersage von Signalpeptiden und Signalankern Proteinfaltung mit ab-initio-methoden,.,,;.,.; ; ; Elemente der ab-initio-methoden Stand der Forschung in MD-Simulationen Inverse Proteinfaltung - Threading" D-1D-Profile für Threading Verbesserungen des Algorithmus Strukturvorhersage mit GenThreader Proteinfaltung per Homologie-Modellierung Identifizierung von verwandten Proteinen mit bekannte r 3D-Struktur Alignment der Target-Sequenz mit dem Template Loop-Modellierung Modellierung der Seitenketten Fehler bei der Homologie-Modellierung Modell-Bewertung 278 Literaturverzeichnis 279 Index zu Programmen 295 Index 297