Proteine II: Funktion

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1 Proteine II: Funktion Strukturproteine: Aufbau der Zellstruktur, auch Haar Enzyme: ermöglichen / beschleunigen chemische Reaktionen Ionenkanäle: Regulation der Ionenkonzentration in der Zelle; Erregbarkeit von Nerven und Muskeln Transportproteine: übernehmen den Transport von kleinen Molekülen Hormone: Steuerung von Vorgängen im Körper Rezeptoren: binden Hormone und geben Signal über Membran hinweg Antikörper: dienen der Infektionsabwehr Gene Ontology : t=4&usemenu=no Mutationen in einem Gen verursachen Fehler im Aufbau des Proteins, das durch das Gen kodiert wird. Folge: Änderung der Proteinaktivität. Grund für viele erbliche Krankheiten. 37

2 4 Hierarchie Ebenen: 38

3 Proteine IIIa (allgemein): wie ermöglichen Bausteine eine Funktion? Abfolge = "Sequenz", "Primärstruktur" Sequenz bestimmt Struktur* (im Raum), "2. genetischer Code" Nahordnung = "Sekundärstruktur" Anordnung der Sekundärstruktur = "Tertiärstruktur" = räumliche Struktur, "Faltung" Fernordnung = "Quartärstruktur" = Komplexbildung zwischen Proteinen 39

4 Proteine IIIb (speziell) Sekundärstruktur: alpha-helix beta-stränge bilden beta-faltblatt Wechselwirkung (WW) über H-Brücken random coil ionische WW, H-Brücken, van der WaalsWW führen zur Bildung von Tertiärstrukturen Quartärstrukturen durch WW an Oberfläche 40

5 Proteine IV marginale Stabilität Funktion und Struktur Dynamik Abbau 41

6 Sequenzen allgemein: UniProtKB/Swiss-Prot: a curated protein sequence database which strives to provide a high level of annotation (such as the description of the function of a protein, its domains structure, post-translational modifications, variants, etc.), a minimal level of redundancy and high level of integration with other databases UniProtKB/TrEMBL: a computer-annotated supplement of Swiss-Prot that contains all the translations of EMBL nucleotide sequence 42 entries not yet integrated in Swiss-Prot

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16 Wachstum von UniProtKB/SWISS-PROT (Quelle: Swissprot Release Notes, rel 2016_04:

17 Wachstum von UniProtKB/trEMBL UniProtKB/TrEMBL Release 40.2 Einträge in UniProtKB/TrEMBL rel 2016_04:

18 Wachstum von trembl trembl Release Datum Anzahl 19 16/11/ ? /05/ = 1.39*vorh 13 5/ = 1.44*vorh 10 5/ = 1.38*vorh 6 6/ =1.40 *vorh 3 5/

19 Hausaufgabe Wie verlief das Wachstum von trembl in den Jahren ? (was könnte das Wörtchen "wie" im letzten Satz bedeuten?? Hinweis: gesucht ist der mathematische Zusammenhang) Wie verläuft es seitdem? Analog: Wachstum der PDB? 55

20 Wachstum der Protein-Daten-Bank (PDB; 56

21 Bis ca Reste; Atome 57

22 NMR bis ca. 500 Reste 58

23 die größten Strukturen (bis Reste) 59

24 Daten woher? Sequenzen: Proteine DNA Genome: (JCVI) Methode: shotgun sequencing (J. Craig Venter) 60

25 TIGR CMR = " comprehensive microbial resource " ~ jährliche Updates Beispiel: Version 23.0 vom hat 571 komplette Genome Ca. 40 Archaea >3 Viren Eine der ältesten öffentlich zugänglichen Ressourcen 61

26 Genomes OnLine Database GOLD ~ jährliche Updates ~ Genome projects ( Biosamples ) Ongoing:? archaeal,? bacterial,? eukaryotic 2012: 4327 complete (187/3957/183) (6.5.08): 777 fertig; 1755 bakterielle, 935 eukaryontische in Arbeit Fotos und Erklärungen siehe auch: ed_genomes/genome_guide_p1.shtml 62

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28 Datenbanken für Organismen Brehm s Tierleben (1876, Download-Version 17,90, 2000 Species, Seiten) Encyclopedia of Life "Imagine an electronic page for each species of organism on Earth..." - Edward O. Wilson ( 1.8 mio species, *2007) Catalogue of life ( indexing the world s known species (z.b. 293 mal rat ) Fishbase ( Arten, Namen, Bilder Amphibiaweb (amphibiaweb.org) A searchable online database of amphibians with much information relating to their biology and conservation. 64

29 Sequenzen in Swiss-Prot The average sequence length in Swiss-Prot is 366 amino acids. Titin_mouse: residues! 65

30 Taxonomic distribution in Swiss-Prot 49.6 (2006) Kingdom sequences (% of the database) : Archaea ( 5%) Bacteria ( 48%) Eukaryota ( 43%) Viruses 9900 ( 5%) 66

31 Eukaryota in Swiss-Prot 49.6 (2006): 67

32 Swiss-Prot: Häufigkeit der Aminosäuren gray = aliphatic, red = acidic, green = small hydroxy, blue = basic, black = aromatic, white = amide, yellow = sulfur 68

33 Mittlere Aminosäure-Häufigkeiten in unterschiedlichen Organismen ( A AF 0.08 MJ OT MT AA HI 0.08 EC 0.10 HP MG MP SS 0.09 SC C D E F G 0.08 H I K L M N P Q R 0.03 S 0.09 T V W Y

34 Organism Category Genome Abbreviation ORFs Physiological condition Pyrococcus horikoshii (Strain OT3) archaea OT C, anaerobe Aquifex aeolicus (Deckert et al., 1998) eubacteria, gram negative AA C Methanococcus janaschii archaea MJ C, anaerobe Archaeoglobus fulgidus archaea AF C, anaerobe Methanobacterium thermoautotrophicum archaea MT C, anaerobe Haemophilus influenzae eubacteria, gram negative HI 1680 mesophilic temp. Mycoplasma genitalium eubacteria, gram positive MG 470 mesophilic temp. Mycoplasma pneumoniae eubacteria, gram positive MP 677 mesophilic temp. Helicobactor pylori eubacteria, gram negative HI 1590 mesophilic temp. Escherichia coli eubacteria, gram negative EC 4288 mesophilic temp. Synechocystis sp. cyanobacteria SS 3168 mesophilic temp. eukaryote, fungus SC 6218 mesophilic temp. Saccharomyces cerevisiae 70

35 Hausaufgabe Untersuchen Sie die AminosäureHäufigkeiten auf Ähnlichkeiten und Unterschiede! Von welchem Protein mit ca 390 Resten gibt es sehr viele Sequenzen in Swissprot? Wenn sie beliebig gewählte Proteine alignen, wie hoch ist dann der Prozentsatz zufälliger Übereinstimmungen? 71

36 insgesamt Species die ersten 20 Einträge machen ein Sechstel der Sequenzen in SwissProt/trEMBL aus 72

37 Rahmenbedingungen * öffentlich geförderte Forschung sollte Ergebnisse dauerhaft verfügbar machen: Datenbanken * : 200 -> 1700 molekularbiologische Datenbanken * 2016: NCBI (National Center for Biotechnology Information) speichert 20PB in Datenbanken; Verdopplung in Monaten * SwissProt funding crisis KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) crisis 2011; TAIR (The Arabidopsis Information Resource) 2013 * Schätzung: 300 Mio $/yr kostet Unterhaltung der Datenbanken [Nature Methods 13 (Sep 2016), 699] 73