Strukturbiologie und Proteinengeneering an der RWTH Aachen

Karteikarten und Zusammenfassungen für Strukturbiologie und Proteinengeneering an der RWTH Aachen

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Wieso benötigen wir 3D Strukturen?

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Methoden zur Strukturaufklärung von Proteinen und 3D Molekülen.

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Strukturbestimmungsmöglichkeiten mit Diffraktion

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Wieso Nutzung Röntgenstrahlung (x-rays)?

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Historischer Einfluss von Röntgenstrahlung.

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Schritte der Rötgnekristallographie

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Alternative Methoden zur Strukturanalyse

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Röntgenstrahlung Vs Neutronenstrahlung


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Informationen durch Neutronenkristallographie

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Wieso Kritisches Wasserstoff bei Neutronenkristallisation?


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Neutronendiffration in Strukturstudien

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Wirkstoffentdeckung in der Zukunft

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Strukturbiologie und Proteinengeneering

Wieso benötigen wir 3D Strukturen?

- Strukturinformationen als Durchbruch der modernen Biologie

- tiefers Verständnis der biologischen Grundkonzepten und Prozessen

- Verständnis der Gründe von Krankheiten

- Wirkstoffdesign

- Proteindesign

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Methoden zur Strukturaufklärung von Proteinen und 3D Molekülen.

- Massenbestimmung 

      • Massenspektroskopie

-Massenbestimmung und Q-Struktur(4°)

       • analytische Ultrazentrifugation

       • Lichtstreuung (Rayleigh)

- Molekülform

         • analytische Ultrazentrifugation

         • Lichtstreuung (Rayleigh)

         • Elektronen mikroskopie

- 3D Strukturbestimmung

         • X- ray Diffraktion (Kristallographie)

          • NMR (nuclear magnetic resonanz)

          • Neutronen Diffraktion (selten)


Strukturbiologie und Proteinengeneering

Strukturbestimmungsmöglichkeiten mit Diffraktion

- x-Ray : räumliche Verteilung von Elektronen

- Elektronen Diffraktion: Coulomb Kräfte

- Neutronen Diffraktion: starke Kernkräfte

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Wieso Nutzung Röntgenstrahlung (x-rays)?

- Auflösungslimit bis zu 1/2 Lichtwellenlänge

- Zellen und Organellen bis zu 200 nm

- typische kovalente Bindungen bis zu 0,12nm nötig 


• alle Moleküle diffrakteren Röntgenstrahlung, aber sehr ineffizient

•Kristall als Multiplikator, da große Anzahl identisch organisierter Moleküle vorliegt die Diffraktion messbar macht

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Historischer Einfluss von Röntgenstrahlung.

Übertragungen

- medizinische Radiologie

- industrielle Radiologie


Diffraktion auf regulären Strukturen

• Fasern -> Entdeckung DNA Struktur

• Kristalle -> atomare Informationen von Proteinen, DNA, Viren, ..


Strukturbiologie und Proteinengeneering

Schritte der Rötgnekristallographie

1. Proteinvorbereitung (ultra sauber)

2. Kristallisation

3. Daten sammeln

4. ableiten von Phaseninformationen

5. Elektronendichte Kalkulation

6. Aufbau des molekularen Models

7. Modellverfeinerung

8. Model Validierung 

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Alternative Methoden zur Strukturanalyse

- NMR Spektroskopie

     • hoher Materialverbrauch, hoher Präparativer Aufwand

     • in Lösung

     • manchmal unterbestimmt, flexible Zonen

     • limitierte Partikel (Molekül) Größe

- Elektronenmikroskopie

     • nützliche bei großen Komplexen

     •  bisher keine atomare Auflösung (bis zu 4 A)

     • direkte bildliche Darstellung allerdings nur in 2D -> 3D Rekonstruktion

- Neutronen Streuung

     • Neutronenquellen (Verfügbarkeit, Stabilität und Intensität)

     • Kristall

     • Wasserstoff Sichtbarkeit

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Röntgenstrahlung Vs Neutronenstrahlung


x-Rays

- atomare Streuungsenergie variiert sanft mit Atomanzahl-

- atomare Streuungsenergie sinkt mit sinkendem Streuungswinkel

- hochsensitiv für magnetische Momente

- erhältlich mit hoher Strahlenintensität

- typischerweise stark absorbiert von Elementen mit niedrigem Z


Neutronen

- atomare Streuungsenergie wandert mir Atomanzahl

- atomare Streuungsenergie konstant bei verschiedenen Streuungswinkeln

- Streuung bei magnetischen Moment

- niedrige Strahlenintensität

- schwach absorbiert von den meisten Materialien

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Informationen durch Neutronenkristallographie

- Neutronenstreuung beruht strak auf Z

- klare Unterscheidung zwischen benachbarten Atomen ( meist N, C, O)

- Kontrast zwischen H und D

- lokalisiert Lösungsmittelorientierung um Proteine

- thermische Bewegung von Wasserstoffbeinhaltenden Gruppen

- Wenig Interaktion mit dem Material, tiefe Penetration und nicht zerstörend

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Wieso Kritisches Wasserstoff bei Neutronenkristallisation?


- dominant von Wasser in lebenden Zellen

- Wasserstoffbrücken stellen Stabilität und Vielseitigkeit biologische Makromoleküle dar

- Protein Transfer und Austausch ist bei den meisten Reaktionen Kritisch

- Hydratation und Protonierte Zustände sind wichtig

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Neutronendiffration in Strukturstudien

- Lokalisation von Wasserstoffatmen

- Lösungsmittelstruktur

- Wasserstoffaustausch

Strukturbiologie und Proteinengeneering

Wirkstoffentdeckung in der Zukunft

- enorme Anzahl an potentiellen Wirkstofftargets aus Genom und Proteomzugang ( nur 10% der Proteine sind in 3D dargestellt)

- Hochdurchsatzscreenings sehr kostenintensiv

- kleine Unternehmen keinen Zugang zu großen Stoffbibliotheken

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