UAufgabe 12: (evolutiv konservierte Aminosäuren)

Transkript

1 UAufgabe 12: (evolutiv konservierte Aminosäuren) Aufgabenstellung Wählen Sie zur Darstellung evolutiv konservierter Aminosäure-Positionen in "1lla" eine ihnen sinnvoll erscheinende Anfärbung. Exportieren sie diese Färbungen mit der entsprechenden Funktion im "Sequence Dialog" als RASMOL-SCRIPT. Untersuchen Sie die Struktur von "1lla" unter Berücksichtung dieser aus der Molekularen Phylogenie gewonnen Informationen. Ergebnisse Verwendet wurde das Alignment aus Aufgabe 2 vom Burmester-Teil: es handelt sich um ein Alignment von ca. 60 Hämocyaninen und 5 Prophenoloxidasen. Die Hexamerine wurden bis auf eine Darstellung des aktiven Zentrums nicht berücksichtigt. Darstellung einer Hämocyanin-Untereinheit Abb.12.1: Einfärbung von 1LLA-UE nach Konservierung. Links in Cartoon-Darstellung, rechts in Spacefill-Darstellung im Slab-Modus. rot: 100% konservierte AS, blau: 80% konserviert, grün: 60% konserviert, weiß: < 60% konserviert. Der Austausch isofunktioneller AS war erlaubt (als isofunktionell galten :D,N; E,Q; S,T; K,R; F,Y,W; L,I,V,M = Standard Einstellung in Genedoc). Die Bereiche in der Mitte des Proteins sind besonders stark konserviert.

2 Abb12.2: Einfärbung der Hämocyanin-UE nach Konservierung im Spacefill-Modus links: Seite des Interfaces rechts: Seite zum Wasser hin Farben wie bei Die Seite zum Interface ist etwas konserviert. Die Seite zum Wasser hin ist kaum konserviert Darstellung eines Hämocyanin-Trimers Abb.12.3: Konservierung innerhalb eines Hämocyanin-Trimers Trimer in Spacefill-Darstellung und im Slab Modus. Links: slab 55, Mitte: slab 50, Rechts: slab:45 Farben wie in Abb Die Interfaces sind fast gar nicht konserviert. Nur im Innern der einzelnen Untereinheiten sind stark konservierte Bereiche zu finden.

3 Darstellung des aktiven Zentrums Abb.12.4: Aktives Zentrum mit Histidinen und Cu-Atomen und Konservierungsgrad Histidin-Seitenketten in Wireframe-Darstellung, backbone in Cartoon-Darstellung. Cu-Atome in Spacefill-Darstellung und gelb. Farbe der Histidine = Konservierungsgrad (Farben wie Abb.12.1) links: Alignment ohne Hexamerine, rechts: Alignment mit Hexamerinen. Werden die Hexamerine nicht mit ins Alignment einbezogen ist das aktive Zentrum 100% konserviert Darstellung des Four α-helix bundles Abb. 12.5: Konservierung des Four α-helix bundles Four α-helix bundle in Spacefill-Darstellung links: Seite zum Wasser hin, rechts: Seite ins Proteininnere Farben wie in Abb Die Seite zum Wasser hin ist kaum konserviert während die Seite, die ins Proteininnere zeigt, relativ stark konserviert ist.

4 Auswertung / Diskussion In dieser Aufgabe wurde die Struktur 1LLA auf evolutiv konservierte Aminosäure- Positionen untersucht wobei die Daten hierüber aus der molekularen Phylogenie gewonnenen wurden. Dabei ergab sich, dass alle hoch konservierten Bereiche im Innern der einzelnen Untereinheiten liegen (vgl. Abb.12.1, Abb.12.3). Die Außenseite des Proteins, die an das wässrige Medium angrenzt, ist hingegen fast gar nicht konserviert (Abb ). Selbst innerhalb konservierter Domänen wie im Four α-helix bundle ist die Außenseite kaum konserviert (Abb.12.5). Dies ist folgendermaßen zu erklären: wenn es im Innern des Proteins zu einem Austausch zwischen nicht-isofunktionellen Aminosäuren kommt, hat dies mit großer Wahrscheinlichkeit einen Einfluss auf die Funktion des Proteins, da sich z.b. das aktive Zentrum so verändern könnte, dass es das Substrat nicht mehr binden kann oder allgemein die Faltung des gesamten Proteins verändert wird. Die Außenseite hingegen ist weit vom aktiven Zentrum entfernt. Außerdem beeinflusst hier ein Austausch zwischen nicht-isofunktionellen Aminosäuren nicht die Faltung anderer Proteinbereiche, sodass die Funktion des Proteins erhalten bleibt. Die interfaces sind ebenfalls kaum konserviert. Dies ist in Abb.12.3 zu erkennen. Dies könnte mehrere Gründe haben. Zunächst ist es möglich dass zwischen den Untereinheiten günstige Kontakte zwischen verschiedenen AS ausgebildet werden. So könnte es z.b. zum Austausch einer positiv geladenen AS gegen eine andere positiv geladene Aminosäure kommen. Aber auch ein Austausch gegen eine negativ geladene Aminosäure ist möglich, wenn in der gegenüberliegenden Untereinheit eine passende positive Aminosäure vorhanden ist. Außerdem ist es möglich dass es zu einer Verschiebung um eine Aminosäureposition kommt. In diesem Fall kann es immer noch zu einem günstigen Kontakt zwischen den Untereinheiten kommen, jedoch beeinflusst diese Verschiebung das Alignment, sodass auch der Konservierungsgrad beeinflusst wird, wenn es während der Evolution zu mehreren verschiedenen Verschiebungen kommt. Weiterhin ist es möglich, dass die Natur ursprünglich ein Monomer entwickelt hat, bei dem aus den oben genannten Gründen nur das innere konserviert war, während die Außenseite nicht konserviert war. Möglicherweise wurde dies bei der Bildung von Oligomeren beibehalten. Vielleicht dient der geringe Konservierungsgrad der Interfaces auch dazu, dass sich verschiedenen Monomere zusammenlagern können, sodass eine größere Vielfalt erreicht wird. Bei genauerer Betrachtung des aktiven Zentrums fällt auf, dass das aktive Zentrum nur als hochkonserviert dargestellt wird, wenn die Hexamerine nicht in das Alignment mit einbezogen wurden (Abb.12.4). Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die Hexamerine ihre Funktion als Sauerstofftransporter verloren haben und keinen Sauerstoff mehr binden müssen. Deshalb veränderte sich während der Evolution das aktive Zentrum, welches sich nun von dem der Hämocyanine unterscheidet. Wenn die Hexamerine nicht mit in das Alignment einbezogen werden, wird das aktive Zentrum der Hämocyanine und Prophenoloxidasen als 100% konserviert dargestellt. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die positive Ladung der Histidine essentiell für die koordinative Bindung der Cu-Atome ist. Diese Bindung wurde während der Evolution also nur einmal erfunden und dann von der Natur beibehalten.

5 Dennoch könnte man sich vorstellen, dass Histidin durch die ebenfalls positiv geladenen Aminosäuren Arginin oder Lysin ersetzt werden könnte. Dies ist jedoch nicht der Fall, wie man dem Alignment entnehmen kann, weil Lysin und Arginin wahrscheinlich beide zu groß und zu beweglich sind: Wären Lysin oder Arginin an der koordinativen Bindung beteiligt, wäre somit keine definierte Fixierung möglich. Jedoch ist ein genau definierter Abstand zwischen den beiden Kupfer-Atomen essentiell für die Sauerstoffbindung. Deshalb also ist die Struktur um das aktive Zentrum hoch konserviert und es findet kein Austausch zwischen Histidin und Lysin oder Arginin statt.