Gibt es Regeln für die Bildung von Proteinen?

Proteine ​​entstehen durch die Aneinanderreihung verschiedener Aminosäuren. Unterschiedliche Aminosäuren haben unterschiedliche Eigenschaften (z. B. von Wasser angezogen oder abgestoßen, positiv oder negativ geladen, groß, klein usw.).

Was ich gerne wissen würde, ist, ob es irgendwelche Regeln oder Prinzipien gibt, die bestimmen, wie Aminosäuren aneinandergereiht werden, um Proteine ​​zu bilden? Wenn ja, wie lauten diese Regeln und kann mir jemand Quellen empfehlen, in denen ich mehr über dieses Thema erfahren kann?

Vielen Dank.

MEHR DETAILS

Lassen Sie mich versuchen zu erklären, was ich zu fragen versuche. Ich verstehe, dass es Grammatikregeln gibt, die ich befolgen muss, um einen wohlgeformten englischen Satz zusammenzusetzen. Ich frage mich, ob es so etwas wie das Aneinanderreihen von Aminosäuren gibt, um ein „wohlgeformtes“ Protein zu erzeugen. (Ich beziehe mich NICHT darauf, wie DNA Aminosäuren kodiert).

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, ich wollte ein neues Protein herstellen und hätte einen Haufen Aminosäuren zur Verfügung. Es scheint mir, dass ich, wenn ich die Prinzipien und Regeln verstehen würde, nach denen Aminosäureketten funktionieren, wissen könnte, welche Aminosäuren aneinandergereiht werden müssen und in welcher Reihenfolge sie aneinandergereiht werden müssen, um die bestimmte Art von Protein zu erzeugen, die ich mir wünsche schaffen.

Das ist ähnlich, wie ich Buchstaben und Wörter aneinanderreihen kann, um wohlgeformte Sätze zu bilden, oder wie ich wohlgeformte Sätze aneinanderreihen kann, um logische Argumente zu erstellen. Es gibt eine Logik, wie man einen Satz bildet, und eine andere Logik, wie man ein Argument bildet – und es ist möglich, diese Logik zu erkennen, indem man die Syntax und vernünftige Argumente studiert.

Ich nehme an, das gleiche gilt für Proteine. Es muss eine Art Logik oder System geben, wie Aminosäuren aneinandergereiht werden – eine Art Verbindung zwischen dem dreidimensionalen, funktionellen Protein und der Natur der Eigenschaften der einzelnen Aminosäuren und wie sie zusammen organisiert sind. Ich frage mich, ob wir überhaupt eine Vorstellung davon haben, was dieses logische System ist.

Du meinst neben ihrer Sequenz im DNA-Code? Wie bekommen sie im Grunde die Form, die sie haben?
Deine Frage ist etwas unklar. Was meinst du mit wie? Wollen Sie fragen, ob es irgendwelche Regeln dafür gibt, welche Aminosäure auf welche Aminosäure folgt? Oder versuchen Sie zu fragen, wie sich Proteine ​​falten?
@tel Ja, das ist unklar. Ich bin mir jedoch ziemlich sicher, dass er meint, wie Proteine ​​​​gefaltet werden
Es gibt sicherlich eine Reihe von Regeln, und viele (aber nicht alle) davon sind der Wissenschaft bekannt. Sie können diese Regeln aus jedem einführenden Text zur Biochemie lernen, da die Faltung mittlerweile ein ganzes Teilgebiet der Untersuchung umfasst. Was genau fragst du?
dies könnte als Bitte um einige Hinweise zur Proteinfaltung formuliert werden, dem Poster sei verziehen, dass es nicht genau die richtigen Worte verwendet hat.
Ohne dass das OP abwägt, um genau zu klären, was gefragt wird, sollte diese Frage in der Warteschleife bleiben. Ich habe die vorherige Bearbeitung rückgängig gemacht, da sie Annahmen macht, die nicht überprüft werden können. Während ich es lese, fragt der Autor eindeutig nach der Vorlage, die die Reihenfolge beschreibt, in der Aminosäuren hinzugefügt werden. Durch Bearbeiten der Frage werden die bereits gegebenen Antworten ungültig. @Moshe, bitte klären Sie Ihre Frage - fragen Sie nach der Reihenfolge, in der Aminosäuren hinzugefügt werden, oder interessieren Sie sich dafür, wie die lineare Kette von Aminosäuren eine 3D-Struktur bildet?
Tut mir leid, dass ich nicht klar genug war. Hier ist ein weiterer Versuch (siehe auch meine Bearbeitung der ursprünglichen Frage): Die DNA schreibt vor, welche Aminosäuren in welcher Reihenfolge verwendet werden, sagt uns jedoch nichts über die Logik oder das System, das bestimmt, welche Aminosäuren in welcher Reihenfolge verwendet werden sollen Ich frage mich, ob wir irgendetwas über die Logik oder die Regeln des Systems wissen, das die Verbindung zwischen der Reihenfolge der Aminosäuren und dem daraus resultierenden dreidimensionalen Protein bestimmt.

Antworten (5)

Es hört sich so an, als ob Ihre Frage lautet: "Was sind die Regeln für die Proteinfaltung?"

Das ist nicht die einzige Möglichkeit, Ihre Frage zu lesen.

Die Proteinfaltung ist ein einzigartiges Problem – eine 1D-Sequenz wird einem 3D-Objekt zugeordnet. Da Proteine ​​nahezu alle biochemischen Umwandlungen und somit Lebensprozesse vermitteln, ist die Proteinfaltung heute eines der großen ungelösten Probleme der Wissenschaft.

Sie können in der gefalteten Beispielstruktur oben sehen, dass es Spiralen und flache Schichten verbundener Stränge gibt. Wie elegant diese Strukturen sein können, sehen Sie unten im schematischen Alpha-Beta-Barrel-Motiv der Triose-Phosphat-Isomerase (TIM).

das TIM alpha beta Barrel

Obwohl die Kombinationen und die Gesamtorganisation der Beta-Faltblätter und der Alpha-Helices grenzenlos sind, gibt es einige vereinheitlichende Motive in diesen Strukturen.

Vor langer Zeit haben ein paar Forscher die Wahrscheinlichkeit von Aminosäuren in Alpha-Helices oder Beta-Strängen tabelliert. Das Chou-Fasman-Modell ist insofern wichtig, als es eine Wahrscheinlichkeit von etwa 70 % hat, Alpha-Helices und Beta-Stränge zu erkennen. Es ist keine große Genauigkeit, aber das wirklich Erstaunliche an diesen Algorithmen ist, dass sie zeigen, dass lokale Kräfte – die Wechselwirkung von Aminosäuren, die in der Sequenz nahe beieinander liegen, etwas mit der Bildung von mindestens Alpha-Helices und Beta-Strängen zu tun haben.

Seitdem wurden Papiere im Wert von Pfund geschrieben. Im Allgemeinen waren statistische Erhebungen von Proteinsequenzen in der Lage, Faltungen oder Motive durch eine lange Liste von String- und maschinellen Lernalgorithmen zu identifizieren. Versteckte Markov-Modelle und Bayes'sche Profile sind beliebt. All dies ähnelt natürlich Chou-Fasman darin, dass sie mehr oder weniger in kurzen Abschnitten an der Sequenz arbeiten.

Eine Zeit lang wurde angenommen, dass Molekulardynamik und andere diskrete Simulationen helfen könnten, die Proteinfaltung zu lösen, indem sie Wechselwirkungen über große Entfernungen ermöglichen. Einfach das gesamte Proteinmolekül in einem Computerprogramm zu simulieren, während es sich in eine gefaltete Konformation bewegt, hat sich jedoch aus mehreren Gründen als nicht möglich erwiesen: (1) Es dauert lange, bis sich ein Protein im Verhältnis zu seiner Länge faltet Eine handhabbare Simulation (2) Die an der Proteinfaltung beteiligten Kräfte und Molekülgrößenskalen sind nicht wirklich einfach zu simulieren - sie simulieren nicht genau die Kräfte und das Verhalten, denen Moleküle ausgesetzt sind, und sie beinhalten viel mehr Lösungsmittelmoleküle, als die meisten Berechnungen beinhalten können - selbst die heutigen Serverfarmen würden mit einer respektablen Proteinfaltungssimulation verstopft werden.

Seit 1994 bietet die Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) alle 2 Jahre einen offenen Wettbewerb an, bei dem experimentell ermittelte 3D-Strukturen ab Veröffentlichung ausgeschrieben werden. Obwohl es gut besucht ist, tauchte um das Jahr 2000 herum eine neue Klasse von Algorithmen auf . Diese Algorithmen gehen von der Annahme aus, dass lokale Kräfte für die Proteinfaltung wichtig sind, beziehen jedoch häufig molekulare Dynamiken mit ein. Unter Verwendung von MD oder Statistiken basierend auf Proteinstrukturen (siehe RCSB für das Repository) werden Segmente der Proteinsequenz auf strukturelle Tendenzen getestet. Indem diese Vorhersagen miteinander verkettet werden, werden anfängliche Proteinfaltungen zusammengesetzt. Einmal zusammengesetzt, können langfristige Wechselwirkungen eine Proteinstruktur aufbauen.

Übrigens heißt das nicht, dass die Proteinfaltung gelöst ist - die Lösungen, die herauskommen, erzeugen oft eine Struktur, die der endgültigen Struktur wirklich ähnlich ist, aber oft gibt es erhebliche Unterschiede.

Wenn man sich nur die einzelne Sequenz ansieht, gibt es keine einfachen Regeln, um zu entscheiden, wie sich das Protein faltet – letztendlich bestimmt die Molekularphysik der einzelnen Sequenz, wohin die Faltung gehen wird.

Das ist unglaublich knapp, aber es könnte Ihnen den Einstieg erleichtern. Das Studium von Proteinen ohne Helices oder Betastränge ist ein Thema für sich - sie können auf die gleiche Weise wie oben behandelt werden. Dann gibt es auch Proteine, die keine einzige Falte haben, sondern dynamisch sind und ständig herumflattern oder nur bei Kontakt mit irgendeiner Oberfläche eine Form haben. Es gibt also noch mehr.

Danke für diese Antwort (sehr hilfreich). Sie schrieben: "Letztendlich bestimmt die Molekularphysik der einzelnen Sequenzen, wohin die Faltung gehen wird". Könnten die Regeln, nach denen ich frage, nicht „einfach“ das „Wissen“ darüber sein, wie die Prinzipien der Molekularphysik basierend auf den Eigenschaften jeder Aminosäure umgesetzt werden können? Was mich zu der Annahme veranlasst, dass so etwas wahr sein könnte, ist die Tatsache, dass alle Proteine ​​​​(in ihrer enormen Vielfalt an Formen und Funktionen) aus nur 20 verschiedenen Aminosäuren gebildet werden.
Ja - es hängt wirklich davon ab, was Sie Regeln nennen. Wenn Sie Newtons Gesetze „Regeln für die Bewegung von Objekten“ nennen, könnten Sie sie einfach Regeln nennen. Wir könnten sagen, dass "VanderWaals-Kräfte, Maxwell-Gleichungen, Hooke-Potentiale und Newton-Gesetze" die Regeln der Proteinfaltung sind, aber es ist keine große Richtlinie. Oh Nüsse, ich habe auch vergessen zu erwähnen, dass die Proteinfaltung nicht wirklich gelöst ist. das stell ich ein..

Haftungsausschluss: Dies ist eine interessante Frage, wenn ich verstanden habe, was Sie zu fragen versuchen. Aber leider ist es so, dass es so viele verschiedene Fälle gibt, dass es unmöglich ist, sie hier zu behandeln. Andere Antworten sprechen von Faltung und Modifikation, aber diese hängen immer noch stark von der "2d" -DNA-Sequenz ab und sind nicht nützlich, wenn alles, was man hat, ein endgültiges Protein ist, also werde ich die "Regeln" einer endgültigen Struktur diskutieren. Dies begann als Kommentar und wurde zu lang!

Zusammenfassend, nein , es gibt nicht viele Beispiele im großen Schema der Dinge, wo Regeln auf Proteinebene in irgendeiner grammatikalischen Weise existieren. Es dreht sich alles um 3D-Chemie.

Proteinstruktur in Bezug auf Funktion.

Funktionelle Bereiche in einem Protein bestehen oft aus Strukturen wie Alpha-Helices und Beta-Faltblättern, die durch sehr flexible Schleifenregionen verbunden sind. Die Art und Weise, wie diese Strukturelemente verbunden sind, ist grundsätzlich bei jedem Protein anders. Einige Motive, die ähnliche Aufgaben erfüllen, können jedoch anhand ihrer 3D-Form und Verbindungsreihenfolge identifiziert werden (was meiner Meinung nach das ist, wonach Sie fragen). Zum Beispiel hat das OB-Motiv (Bilder und guter Ausgangspunkt hier ) eine strenge Reihenfolge, der die Beta-Blätter folgen, während die Helix optional ist. Obwohl dies ein ordentliches Beispiel für Protein-"Grammatik" ist, ist es sehr außergewöhnlich, wenn Motive wie dieses identifiziert werden.

Keine offensichtlichen Regeln.

Diese folgende Antwort ist eine fundierte Vermutung, und die Kommentare anderer Leute wären hilfreich.

Proteine ​​sind viel komplexer als eine zweidimensionale Sprache wie Englisch oder DNA. Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, warum Ihre Frage schwer zu beantworten ist, besteht darin, zu bedenken, dass die Proteinbiochemie im 3D-Raum stattfindet, während unsere anderen Beispiele, Sprache und DNA, linear in einer 2D-Linie operieren.

Jeder Hinweis auf eine lineare Ordnung in einem fertigen Protein impliziert eine sehr einfache Faltung und posttranslationale Verarbeitung. Die meisten biochemischen Aufgaben sind nicht einfach und erfordern komplexe Nuancen in der Chemie der Enzyme (die aus der 3D-Chemie stammt, nicht aus der 2D-Sequenz). DNA ist auch kompliziert, aber wie unsere Sprache ist sie so konzipiert, dass sie einfach ist und schnell in einer Zeile gelesen werden kann. Das heißt, wenn eine Sequenz etwas raffinierter sein soll, braucht sie eine bestimmte Reihenfolge. Dies ist im 3D-Raum kein Problem, da es neben der Sequenz noch viel mehr zu Variationen gibt.

"Proteine ​​sind viel komplexer als eine zweidimensionale Sprache wie Englisch oder DNA." Guter Punkt, aber was sollen wir davon halten, dass die anfängliche Bildung eines Proteins in einer linearen, zweidimensionalen Kette von nur 20 Aminosäuren stattfindet? Es scheint auf sprachliche Art und Weise zu beginnen (denkst du nicht?). Wenn ja, sollte die Frage nicht lauten, welche Regeln oder Prinzipien bestimmen, wie die Transformation von einem zweidimensionalen, sprachähnlichen System zu einer dreidimensionalen, funktionalen Maschine erfolgt?

Ich gehe davon aus, dass Sie meinen: "Gibt es irgendwelche Regeln dafür, welche Aminosäuren welchen Aminosäuren in einem Protein folgen können?" Die Antwort ist nein. Hinsichtlich der Chemie eines Proteins gibt es keine Einschränkung bezüglich der Aminosäuresequenz.

Jedoch falten sich nicht alle Aminosäuresequenzen zu einer bestimmten 3D-Struktur, und nicht alle Aminosäuresequenzen sind in Wasser löslich. Aus diesen Gründen können einige Aminosäuresequenzen nicht über den Standard- in-vivo -Prozess (dh durch ein Ribosom) hergestellt werden, aber es gibt keinen Grund, warum sie nicht durch chemische Synthese hergestellt werden könnten.

Ich nehme an, Sie fragen nicht, wie DNA für mRNA codiert, die Codons (Sätze von 3 Nukleinsäuren) hat, wenn sie im richtigen Leserahmen gelesen wird (wobei jeweils 3 Basenpaare ab dem Startcodon gelesen werden), ein Ribosom übersetzt dies dann in Protein ... es gibt viel mehr Details als das, was ich gesagt habe ... das nennt sich Übersetzung:

http://en.wikipedia.org/wiki/Translation_%28biology%29

Danach wird das Protein in eine 3D-Form gefaltet

http://en.wikipedia.org/wiki/Folding_funnel

Andere Dinge (außer Aminosäuren) können hinzugefügt werden, wie unter anderem ein Lipid zur Verankerung in der Membran (GPI-Anker oder Prenylierung) oder Zucker (Glykosylierung), dies wird als posttranslationale Modifikation bezeichnet.

http://en.wikipedia.org/wiki/Posttranslational_modification

Wenn Sie nach der Evolution von Proteinen fragen, hier ist ein weiterer Artikel:

http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_family

Wikipedia kann ziemlich detailliert werden, auch gibt es vielleicht nicht viele Bilder ... Lippincotts illustrierte Biochemie hat viele großartige Bilder ... aber es ist ein Buch für Studenten der Gesundheitswissenschaften, nicht sehr abstrakt / theoretisch / philosophisch, also wirst du es nicht tun viel über die Evolution von Proteinfamilien unter verschiedenen Lebensformen erfahren ...

Wenn Sie sich fragen, welche Aminosäuren zusammenpassen können und welche nicht, ich weiß nicht, ich bin kein Biochemiker ...

Ich hoffe, ich habe verstanden, was Sie fragen. Sie geben das Beispiel von Wörtern, es ist kein gutes. Betrachten Sie das Protein wie eine Maschine oder vielleicht einen Schrank. Sie haben einen bei Ikea gekauft und müssen nun der Anleitung folgen, um alle Elemente zusammenzubringen. Wenn Sie nur alle Teile zusammenfügen, erhalten Sie keinen funktionierenden Schrank. Welche Regeln befolgen die Schrankteile? Physik.

Nehmen Sie zu Beginn das Bohrsche Atommodell. Wenn Sie ein einfacheres Beispiel wünschen - Planeten im Sonnensystem. Danach fügen Sie 10 Atome zu der einfachsten Aminosäure zusammen. Welche Struktur bekommen sie? Bringen Sie eine andere Aminosäure in die Nähe. Wie werden sie miteinander interagieren?

Die Regeln stammen aus der Physik. Und sie sind sehr, sehr, sehr kompliziert. Um zu verstehen, welche Struktur ein Protein bekommt oder wie es mit einem anderen Protein interagiert, müssen Sie alle Atome im System nehmen und wissen, wie sie miteinander agieren. Nur riesige Computer können solche Dinge berechnen - und nur die einfachsten davon.

Bearbeiten: Antwort auf den Kommentar:
Das ist das Erstaunliche in der Natur. Die Evolution hat den Weg gefunden, alle Körperproteine ​​aus nur etwa 20 Aminosäuren aufzubauen. Das heißt übrigens nicht, dass es nur 20 ac gibt, es gibt mehr als 500. 240 davon kommen frei in der Natur vor und andere nur als Zwischenprodukte im Stoffwechsel. ( http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.198308161/abstract )

Wenn Sie ein weiteres Beispiel wollen - nehmen Sie Lego. Sie haben – sagen wir mal – 20 Arten von verschiedenen Stücken, aber Sie können viele verschiedene Dinge daraus machen.

Die Natur muss eine minimale Menge an Bausteinen verwenden. Dies gibt einen Vorteil in der Evolution, weil es einfacher ist. Sehen Sie sich die DNA an. Es ist nur aus 4 Bausteinen aufgebaut! Und sich um alle Informationen kümmern, wie man den ganzen Körper formt. Ist es nicht erstaunlich? :)

Ich stimme zu, dass das Protein eine Maschine ist, und ich verstehe (dank Antworten wie Ihrer), dass die Gesetze der Physik beteiligt sind. Dennoch scheint mir ein entscheidender Unterschied zwischen von Menschenhand geschaffenen Maschinen und Proteinmaschinen zu bestehen. Die Maschinen, die wir herstellen (einschließlich von IKEA), bestehen nicht aus 20 grundlegenden Teilen, die mir, wenn sie richtig zusammengesetzt und gefaltet werden, das Endprodukt liefern, das ich brauche. Aber so werden Proteine ​​hergestellt – deutet das nicht darauf hin, dass es eine dazwischenliegende Logik oder ein System geben muss, das zwischen der Verknüpfung der grundlegenden Einheiten und dem Funktionieren der 3-D-Maschine vermittelt?
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Gibt es Regeln für die Bildung von Proteinen?
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