Die Anordnung von Aminosäuren in Proteinen wird auch als Aminosäuresequenz bezeichnet und ist eine Grundlage für die Funktion und Vielfalt der Lebewesen auf der Erde. Durch den Vergleich von Aminosäuresequenzen verschiedener Lebewesen lassen sich allerdings auch Rückschlüsse auf die Evolution und die Entwicklung von Lebewesen bis zu ihrem heutigen Stand zurückverfolgen.
Die Aminosäuresequenz
Um Proteine zu bilden, müssen viele Aminosäuren zu einem Polypeptid aneinander gekettet werden. Die Reihenfolge dieser Proteine – ihre Sequenz – ist in der DNA festgelegt.
Von der Basensequenz zur Aminosäuresequenz
Die DNA ist aufgebaut durch die Abfolge von vier verschiedenen Basen: Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin. Diese Abfolge wird auch als Basensequenz bezeichnet. Im Rahmen der Transkription wird der DNA-Strang zu einem mRNA-Strang umgeschrieben. Dieser mRNA-Strang kann wiederum im Rahmen der Translation zu einem Polypeptid (also einem Protein) übersetzt werden.
Der genetische Code
Um die Abfolge von Basen in der mRNA zu einer Sequenz von Aminosäuren umwandeln zu können, bedienen sich Lebewesen eines genetischen Codes. Im genetischen Code sind Abfolgen von drei Basen jeweils einer von 21 Aminosäuren zugeordnet.
Neben den 20 kanonischen (standardmäßigen) Aminosäuren gibt es noch nicht-kanonische, die von manchen Lebewesen eingebaut werden können. Dazu gehört Selenocystein. Diese Aminosäure unterscheidet sich nur sehr schwach von der Aminosäure Cystein, hat aber ein Selen-Atom anstelle eines Schwefel-Atoms verbaut. Allerdings hat diese Aminosäure keinen speziellen Code, die ihren Einbau signalisiert. Daher müssen die betroffenen Lebewesen Umprogrammierungen durchführen, um diese Aminosäure in Proteine einbauen zu können.
Wird die Sequenz der Basen abgelesen, können daher die entsprechenden Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge aneinander gekettet werden und bilden somit eine Polypeptid-Kette. Die Abfolge der Aminosäuren in dieser Kette wird als die Aminosäuresequenz bezeichnet.
Falls Du Dich näher für diesen Prozess interessierst, könnten Dir die Artikel zur Translation und der Proteinbiosynthese weiterhelfen!
Der Aufbau von Proteinen
Die Bildung von Proteinen ist allein durch die Aneinanderreihung der richtigen Aminosäuren allerdings noch nicht getan.
Primärstruktur
Die durch die Aneinanderreihung entstehende Polypeptid-Kette wird auch als die Primärstruktur eines Proteins bezeichnet. Die Aminosäuren sind darin durch ein wiederkehrendes Polypeptid-Rückgrat miteinander verknüpft und bilden die Aminosäuresequenz.
Sekundärstruktur
Im Polypeptid-Rückgrat können sich Wasserstoffbrücken zu anderen Stellen des Rückgrates ausbilden. Aufgrund dieser Art von Wechselwirkung ordnet sich die Polypeptid-Kette in verschiedene Strukturen – wie α-Helices oder β-Faltblätter – an. In dieser Form wird die Kette auch als Sekundärstruktur des Proteins bezeichnet.
Tertiärstruktur
Durch weitere Wechselwirkungen zwischen den Resten der Aminosäuren – z. B. Van-der-Waals-Kräfte, ionische Kräfte, Disulfid-Brücken oder hydrophobe Wechselwirkungen – ordnet sich das Protein zu einer übergeordneten dreidimensionalen Struktur an. Diese wird auch als Tertiärstruktur bezeichnet.
Quartärstruktur
Falls das Protein aus mehreren Untereinheiten besteht, kann es auch sein, dass sich mehrere solcher Tertiärstrukturen zu einer Quartärstruktur anordnen.
Die Abfolge der Aminosäuren – also die Aminosäuresequenz – ist wichtig dafür, auf welche Art und Weise sich das Protein faltet, denn Reste an verschiedenen Stellen der Kette führen zu unterschiedlichen Arten von Wechselwirkungen. Die variierende Struktur hilft Proteinen, jeweils unterschiedliche Funktionen erfüllen zu können.
Aminosäuresequenzvergleich Funktion
Viele Lebewesen haben Proteine mit ähnlichen oder gleichen Funktionen, die überlebensnotwendig sind. Diese Proteine wurden in den Organismen im Rahmen der Evolution mithilfe von Mutationen der Basensequenz angepasst. Diese Mutationen fanden allerdings nur in kleinem Ausmaß statt, da die Funktion der Proteine erhalten bleiben musste.
Je nachdem wie nah die Organismen miteinander verwandt sind, zeigt sich dies an der Menge der Mutationen in der entsprechenden Basensequenz. Aufgrund des genetischen Codes finden sich solche Änderungen auch in der Aminosäuresequenz wieder. Daher kann der Verwandtschaftsgrad zweier Organismen auch an Unterschieden ihrer Aminosäuresequenz abgeleitet werden.
Proteine mit vergleichbaren Aminosäuresequenzen
Einige bestimmte Proteine sind für einen Aminosäuresequenzvergleich besonders geeignet, da sie nur eine geringe Zahl an Mutationen aufweisen, um ihre Funktion erhalten zu können und in vielen Lebewesen vorkommen.
Aminosäurensequenzvergleich Cytochrom c
Das am häufigsten für einen Aminosäuresequenzvergleich genutzte Protein ist das Cytochrom c. Cytochrom c stammt aus Mitochondrien und hat dort eine Funktion als Elektronentransporter in der Zellatmung inne.
Es besteht (im Menschen) aus 104 Aminosäuren, von denen ungefähr ein Drittel konserviert sind.
In der Biologie ist eine Aminosäuresequenz (oder auch eine Basensequenz) konserviert, wenn sie im Laufe der Evolution nicht verändert, sondern erhalten wurde.
Cytochrom c ist in allen Organismen mit Mitochondrien zu finden, also sowohl in Pflanzen als auch in Tieren und aeroben Bakterien. Daher kann bei einem Aminosäuresequenzvergleich dieses Proteins ein Stammbaum erstellt werden, der weit über eng verwandte Organismen hinausreicht. Dieser zeigt meistens an, wie viele Mutationen es her ist, dass sich zwei Organismen von einem gemeinsamen Vorfahren abgespalten haben.
Einen solchen Stammbaum kannst Du in Abbildung 1 betrachten. Zwischen Haien und Menschen unterscheiden sich zum Beispiel nur 21 Aminosäuren des Cytochrom c.
Im Übrigen gibt es zwischen Schimpansen und Menschen eine 100-prozentige Übereinstimmung zwischen den Aminosäuresequenzen des Cytochrom c. Hieran lässt sich gut verdeutlichen, wie nah wir mit den Menschenaffen verwandt sind. Zwischen dem Menschen und seinem besten Freund – dem Hund – gibt es im übrigen 13 vertauschte Aminosäuren.
Insulin
Ein anderes Protein, das für einen Aminosäuresequenzvergleich oft genutzt wird, ist Insulin. Insulin ist ein Hormon, das die Verarbeitung von Kohlenhydraten wie Zucker anregt und somit an der Regulation des Blutzuckerspiegels beteiligt ist.
Insulin von Tieren wie Rindern oder Schweinen hat eine sehr hohe Ähnlichkeit in der Aminosäuresequenz des menschlichen Insulins. Daher wurde es früher bei Menschen mit Diabetes zur Regulierung des Blutspiegels angewendet. Heute kann Insulin mit der Hilfe von Biotechnologie allerdings neu hergestellt werden und muss nicht mehr aus Tieren extrahiert werden.
Aminosäuresequenz Bestimmen
Um nun im Rahmen einer Untersuchung zur Verwandtschaft zweier Organismen oder Arten die Aminosäuresequenz zu bestimmen, können verschiedene Methoden angewendet werden.
Edmann-Abbau
Beim Edmann-Abbau werden die Aminosäuresequenzen von Proteinen wie dem Cytochrom c direkt ermittelt. Dafür wird die Aminosäure am N-terminalen Ende des Proteins markiert und abgespalten. Durch weitere Methoden kann die abgespaltene Aminosäure identifiziert und der Prozess wiederholt werden. Durch die Bestimmung der nachfolgenden Aminosäuren wird so die Reihenfolge und Sequenz der Aminosäuren im Protein rekonstruiert.
Diese Methode ist allerdings sehr ungenau und aufwendig, weshalb sie heute nicht mehr oft verwendet wird.
Präzipitintest
Bei einem Präzipitintest wird das Blutserum eines Organismus – also zum Beispiel eines Menschen – in ein Kaninchen injiziert.
Das Blutserum bezeichnet den flüssigen Überstand des Blutes, der zurückbleibt, wenn Blutkörperchen, Thrombozyten und Gerinnungsfaktoren entfernt wurden.
Im Blutserum sind Proteine enthalten, die vom Immunsystem des Kaninchens als Fremdkörper erkannt werden. Daher werden von Immunzellen des Kaninchens Antikörper gebildet, die ganz spezifisch an die Proteine aus dem menschlichen Blutserum binden können. Bildet sich ein Komplex aus Antikörper und Protein, fängt das Blut an, zu verklumpen. Der Grad an Verklumpungen kann ermittelt und als die 100-prozentige Menge an Verklumpungen festgehalten werden.
Eine solche Verklumpung wird auch als Ausfällung oder Präzipitation bezeichnet. Daher kommt auch der Name dieses Tests. Da Antikörper zwei Arme haben, mit denen sie zwei Proteine binden können, entstehen oft große Netzwerke aus Proteinen, die mithilfe der Antikörper zusammengehalten werden. Diese Vernetzungen führen dann zu der Bildung von Klumpen und der Ausfällung.
Die vom Kaninchen gebildeten Antikörper sind wiederum in seinem eigenen Blutserum zu finden.
Vermischt man nun das Blutserum des Kaninchens mit dem Blutserum eines anderen Tieres, zum Beispiel eines Schimpansen, dann binden dieselben Antikörper an Proteine des Schimpansen. Das ist allerdings nur möglich, wenn die Proteine des Schimpansen aufgrund einer gleichen Aminosäuresequenz mit den menschlichen übereinstimmen. Ansonsten können sie von den Antikörpern, die ja gegen menschliche Proteine produziert wurden, nicht erkannt werden.
Auch der Verklumpungsgrad der Serummischung von Kaninchen und Schimpanse kann ermittelt werden. Er wird mit dem Verklumpungsgrad verglichen, der bei der Injektion menschlichen Serums in Kaninchen ermittelt wurde, da dieser als 100 % angenommen wurde. Aus dem ermittelten Verhältnis lässt sich die Übereinstimmung der Aminosäuresequenzen und somit die Nähe der Verwandtschaft der Arten ermitteln. Je höher die Übereinstimmung, desto näher die Verwandtschaft.
Anders als bei der direkten Untersuchung eines Proteins wird hier die Gesamtheit der Proteine im Blutserum betrachtet. Während Cytochrom c aus Menschen und Schimpansen eine genaue Übereinstimmung zeigen, ist das bei der Betrachtung mehrerer Proteine im Präzipitintest nicht der Fall. Das Serum des Schimpansen weist mit Antikörpern gegen menschliche Proteine nur eine 85-prozentige Ausfällung auf.
Indirekte Bestimmung der Aminosäuresequenz: DNA Untersuchungen
Bei einer anderen Art von Methoden wird nicht die Aminosäuresequenz direkt untersucht, sondern die ihr zugrundeliegende Basensequenz der DNA.
DNA-Hybridisierung
Bei der DNA-Hybridisierung werden Informationen durch Ermittlung der Schmelztemperatur eines DNA-Strangs ermittelt. Die Schmelztemperatur der DNA einer Art gilt dabei als Standard.
Für einen tieferen Einblick in den Aufbau des Genoms kannst Du Dich bei den Artikeln zur DNA und dem DNA-Aufbau umschauen!
Die DNA Stränge werden zu Einzelsträngen getrennt und mit der Einzelstrang-DNA einer anderen Art wieder zu einem Doppelstrang zusammengefügt. Auch von diesem Strang wird die Schmelztemperatur ermittelt. Durch einen Vergleich der beiden Schmelztemperaturen kann das Ausmaß der Unterschiede in der Basensequenz ermittelt werden.
Je näher verwandt zwei Arten sind, desto weniger Unterschiede haben ihre Basensequenzen und desto komplementärer sind ihre DNA-Stränge. Zwei komplementäre Basen einer DNA bilden Wasserstoffbrücken zwischen sich aus und halten damit die beiden Stränge zusammen. Bei sehr nah verwandten Arten werden die Stränge daher mit einer höheren Kraft zusammengehalten und es braucht mehr Energie – also eine höhere Schmelztemperatur –, um die DNA zu zersetzen. Dies führt zu einer ähnlicheren Schmelztemperatur zwischen den zu vergleichenden Arten.
DNA-Sequenzanalyse
Bei der DNA-Sequenzanalyse wird durch Methoden der Gentechnik die genaue Basensequenz der DNA ermittelt. Aus dem Grad der Übereinstimmung kann dann die Nähe der Verwandtschaft ermittelt werden.
Für Einblicke in die verschiedenen Methoden, die für eine DNA-Sequenzanalyse verwendet werden, können Dir Artikel zur Sequenzanalyse, wie zum Beispiel die Sanger-Sequenzierung, weiterhelfen!
Aufgrund der immer billigeren und schnelleren Möglichkeiten zur DNA-Sequenzierung sind die Methoden zur Untersuchung der DNA inzwischen ein Hauptmittel zur Bestimmung der Aminosäuresequenzen.
Heute sind die Basensequenzen – also auch die Aminosäuresequenzen – von vielen Genen verschiedener Organismen frei über Datenbanken zugänglich. Diese Sequenzen können teilweise von jedermann heruntergeladen und verglichen oder untersucht werden.
Aminosäuresequenzvergleich – Das Wichtigste
- Die Aminosäuresequenz beschreibt die Primärstruktur eines Proteins und somit die Abfolge von Aminosäuren in der Polypeptid-Kette.
- Mutationen in der Basensequenz beeinflussen aufgrund des genetischen Codes auch die Aminosäuresequenz.
- Je mehr die Aminosäuresequenzen zweier Organismen übereinstimmen, desto näher sind die Arten verwandt.
- Zur Ermittlung der Aminosäuresequenz kann das Protein oder die zugrundeliegende DNA untersucht werden.
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