Proteine spielen auf der zellulären Ebene eines Organismus eine fundamentale Rolle. Sie sind quasi die „Maschinen“ der Zelle. Ihre Bedeutung wird nicht zuletzt in ihrem Namen deutlich, welcher 1838 erstmals von J. Berzelius verwendet wurde und „das Erste“, „das Wichtigste“ bedeutet. Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaute Moleküle. Unter physiologischen Bedingungen besitzen sie eine definierte dreidimensionale Gestalt, welche für ihre biologische Funktion bestimmend ist. Es wird heutzutage davon ausgegangen, dass diese dreidimensionale, stabile Struktur von Proteinen eindeutig durch die Abfolge der einzelnen Aminosäuren, der Sequenz, bestimmt ist. Diese Abfolge ist für jedes Protein in der Desoxyribonukleinsäure (DNS) gespeichert. Es ist allerdings eines der größten ungelösten Probleme der letzten Jahrzehnte, wie die Beziehung zwischen Sequenz und 3D-Struktur tatsächlich aussieht. Die Beantwortung dieser Fragestellung erfordert interdisziplinäre Ansätze aus Biologie, Informatik und Physik. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Methoden der theoretischen (Bio-) Physik einige der damit verbundenen Aspekte untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf Wechselwirkungen der einzelnen Aminosäuren eines Proteins untereinander, wofür in dieser Arbeit ein entsprechendes Energiemodell entwickelt wurde. Es werden Grundzustände sowie Energielandschaften untersucht und mit experimentellen Daten verglichen. Die Stärke der Wechselwirkung einzelner Aminosäuren erlaubt zusätzlich Aussagen über die Stabilität von Proteinen bezüglich mechanischer Kräfte. Die vorliegende Arbeit unterteilt sich wie folgt: Kapitel 2 dient der Einleitung und stellt Proteine und ihre Funktionen dar. Kapitel 3 stellt die Modellierung der Proteinstrukturen in zwei verschiedenen Modellen vor, welche in dieser Arbeit entwickelt wurden, um 3D-Strukturen von Proteinen zu beschreiben. Anschließend wird in Kapitel 4 ein Algorithmus zum Auffinden des exakten Energieminimums dargestellt. Kapitel 5 beschäftigt sich mit der Frage, wie eine geeignete diskrete Energiefunktion aus experimentellen Daten gewonnen werden kann. In Kapitel 6 werden erste Ergebnisse dieses Modells dargestellt. Der Frage, ob der experimentell bestimmte Zustand dem energetischen Grundzustand eines Proteins entspricht, wird in Kapitel 7 nachgegangen. Die beiden Kapitel 8 und 9 zeigen die Anwendung des Modells an zwei Proteinen, dem Tryptophan cage protein als dem kleinsten, stabilen Protein und Kinesin, einem Motorprotein, für welches 2007 aufschlussreiche Experimente zur mechanischen Stabilität durchgeführt wurden. Kapitel 10 bis 12 widmen sich Membranproteinen. Dabei beschäftigt sich Kapitel 10 mit der Vorhersage von stabilen Bereichen (sog. Entfaltungsbarrieren) unter externer Krafteinwirkung. Zu Beginn wird eine kurze Einleitung zu Membranproteinen gegeben. Im folgenden Kapitel 11 wird die Entfaltung mit Hilfe des Modells und Monte-Carlo-Techniken simuliert. Mit dem an Membranproteine angepassten Wechselwirkungsmodell ist es möglich, den Einfluss von Mutationen auch ohne explizite strukturelle Informationen vorherzusagen. Dieses Thema wird in Kapitel 12 diskutiert. Die Beziehung zwischen Primär- und Tertiärstruktur eines Proteins wird in Kapitel 13 behandelt. Es wird ein Ansatz skizziert, welcher in der Lage ist, Strukturbeziehungen zwischen Proteinen zu detektieren, die mit herkömmlichen Methoden der Bioinformatik nicht gefunden werden können. Die letzten beiden Kapitel schließlich geben eine Zusammenfassung bzw. einen Ausblick auf künftige Entwicklungen und Anwendungen des Modells.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-ds-1222781322751-68621 |
| Date | 30 September 2008 |
| Creators | Dressel, Frank |
| Contributors | Technische Universität Dresden, Physik, Prof. Sigismund Kobe, Prof. Sigismund Kobe, Prof. Michael Schroeder, Prof. U. Hansmann |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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