Strukturbiologie

Die Strukturbiologie befasst sich mit der Strukturanalyse lebenden Materials (das von lebenden Zellen gebildet, zusammengesetzt und/oder erhalten und verfeinert wird) auf jeder Organisationsebene. ^{[ 1 ]}

Frühe Strukturbiologen des 19. und frühen 20. Jahrhunderts konnten Strukturen hauptsächlich nur bis zur Grenze der Sehschärfe des bloßen Auges und mithilfe von Vergrößerungsgläsern und Lichtmikroskopen untersuchen. Im 20. Jahrhundert wurden verschiedene experimentelle Techniken zur Untersuchung der dreidimensionalen Strukturen biologischer Moleküle entwickelt. Die wichtigsten Techniken sind die Röntgenkristallographie , die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR ) und die Elektronenmikroskopie . Durch die Entdeckung der Röntgenstrahlen und ihre Anwendung auf Proteinkristalle wurde die Strukturbiologie revolutioniert, da Wissenschaftler nun die dreidimensionalen Strukturen biologischer Moleküle bis ins atomare Detail bestimmen konnten. ^{[ 2 ]} Ebenso ermöglichte die NMR-Spektroskopie die Gewinnung von Informationen über Proteinstruktur und -dynamik. ^{[ 3 ]} Schließlich erlebte die Elektronenmikroskopie im 21. Jahrhundert eine drastische Revolution mit der Entwicklung kohärenterer Elektronenquellen, der Aberrationskorrektur für Elektronenmikroskope und der Rekonstruktionssoftware, die die erfolgreiche Implementierung der hochauflösenden Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglichte und damit die Untersuchung einzelner Proteine ​​und Molekülkomplexe in drei Dimensionen mit einer Auflösung im Angström-Bereich erlaubte.

Mit der Entwicklung dieser drei Techniken erweiterte sich das Gebiet der Strukturbiologie und wurde zu einem eigenständigen Zweig der Molekularbiologie , Biochemie und Biophysik. Dieser befasst sich mit der molekularen Struktur biologischer Makromoleküle (insbesondere Proteinen , die aus Aminosäuren bestehen , RNA oder DNA , die aus Nukleotiden bestehen , und Membranen , die aus Lipiden bestehen ), wie diese ihre Strukturen erlangen und wie Veränderungen ihrer Struktur ihre Funktion beeinflussen. ^{[ 4 ]} Dieses Thema ist für Biologen von großem Interesse, da Makromoleküle die meisten Zellfunktionen ausführen und diese Funktionen nur durch das Aufwickeln in spezifische dreidimensionale Strukturen erfüllen können. Diese Architektur, die sogenannte Tertiärstruktur der Moleküle, hängt in komplexer Weise von der jeweiligen Grundzusammensetzung, der Primärstruktur , ab . Bei niedrigeren Auflösungen haben Verfahren wie die FIB-SEM-Tomographie ein besseres Verständnis von Zellen und ihren Organellen in drei Dimensionen ermöglicht und aufgezeigt, wie die verschiedenen hierarchischen Ebenen der extrazellulären Matrix zur Funktion beitragen (beispielsweise im Knochen). In den letzten Jahren ist es zudem möglich geworden, hochpräzise physikalische Molekülmodelle zu erstellen , die die experimentelle Untersuchung biologischer Strukturen ergänzen. ^{[ 5 ]} Computergestützte Verfahren wie Molekulardynamiksimulationen können in Verbindung mit empirischen Strategien zur Strukturbestimmung eingesetzt werden, um die Struktur, Konformation und Funktion von Proteinen umfassender zu untersuchen. ^{[ 6 ]}

1912 bestrahlte Max von Laue kristallisiertes Kupfersulfat mit Röntgenstrahlen und erzeugte so ein Beugungsmuster . ^{[ 7 ]} Diese Experimente führten zur Entwicklung der Röntgenkristallographie und ihrer Anwendung zur Erforschung biologischer Strukturen. ^{[ 5 ]} 1951 nutzten Rosalind Franklin und Maurice Wilkins Röntgenbeugungsmuster, um das erste Bild von Desoxyribonukleinsäure (DNA) aufzunehmen. Francis Crick und James Watson modellierten 1953 mit derselben Technik die Doppelhelixstruktur der DNA und erhielten dafür 1962 zusammen mit Wilkins den Nobelpreis für Medizin. ^{[ 8 ]}

Pepsinkristalle waren die ersten Proteine, die für die Röntgenbeugung kristallisiert wurden. Theodore Svedberg erhielt dafür 1962 den Nobelpreis für Chemie. ^{[ 9 ]} Die erste Tertiärstruktur eines Proteins , die von Myoglobin , wurde 1958 von John Kendrew veröffentlicht . ^{[ 10 ]} Damals wurden Proteinstrukturen mithilfe von Balsaholz- oder Drahtmodellen modelliert . ^{[ 11 ]} Mit der Entwicklung von Modellierungssoftware wie CCP4 Ende der 1970er Jahre ^{[ 12 ]} erfolgt die Modellierung heute computergestützt. Zu den jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet zählen die Erzeugung von Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern , die die Analyse der Dynamik und Bewegung biologischer Moleküle ermöglichen, ^{[ 13 ]} sowie die Anwendung der Strukturbiologie in der synthetischen Biologie . ^{[ 14 ]}

In den späten 1930er und frühen 1940er Jahren führte die gemeinsame Arbeit von Isidor Rabi , Felix Bloch und Edward Mills Purcell zur Entwicklung der Kernspinresonanz (NMR). Heute wird die Festkörper-NMR in der Strukturbiologie häufig zur Bestimmung der Struktur und Dynamik von Proteinen eingesetzt ( Protein-NMR ). ^{[ 15 ]}

1990 gelang Richard Henderson die erste dreidimensionale, hochauflösende Aufnahme von Bakteriorhodopsin mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). ^{[ 16 ]} Seitdem hat sich die Kryo-EM zu einer immer beliebteren Technik zur Bestimmung dreidimensionaler, hochauflösender Strukturen biologischer Proben entwickelt. ^{[ 17 ]}

In jüngerer Zeit wurden computergestützte Methoden zur Modellierung und Untersuchung biologischer Strukturen entwickelt. So wird beispielsweise die Molekulardynamik (MD) häufig zur Analyse der dynamischen Bewegungen biologischer Moleküle eingesetzt. 1975 wurde in Nature die erste Simulation eines biologischen Faltungsprozesses mittels MD veröffentlicht. ^{[ 18 ]} Kürzlich wurde die Vorhersage von Proteinstrukturen durch eine neue Methode des maschinellen Lernens namens AlphaFold deutlich verbessert . ^{[ 19 ]} Einige vertreten die Ansicht, dass computergestützte Ansätze die Strukturbiologie zunehmend dominieren. ^{[ 20 ]}

Biomoleküle sind selbst mit modernsten Lichtmikroskopen zu klein, um sie im Detail zu erkennen . Die Methoden, mit denen Strukturbiologen ihre Strukturen bestimmen, beinhalten daher in der Regel Messungen an einer großen Anzahl identischer Moleküle gleichzeitig. Zu diesen Methoden gehören:

• Massenspektrometrie
• Makromolekulare Kristallographie
• Neutronenbeugung
• Proteolyse
• Kernspinresonanzspektroskopie von Proteinen (NMR)
• Elektronenparamagnetische Resonanz (EPR)
• Kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM)
• Elektronenkristallographie und Mikrokristall-Elektronenbeugung
• Mehrwinkel-Lichtstreuung
• Kleinwinkelstreuung
• Ultraschnelle Laserspektroskopie
• Anisotrope Terahertz-Mikrospektroskopie
• Zweidimensionale Infrarotspektroskopie
• Dualpolarisationsinterferometrie und Zirkulardichroismus

Am häufigsten nutzen Forscher diese Methoden, um den nativen Zustand von Makromolekülen zu untersuchen. Variationen dieser Methoden werden aber auch verwendet, um zu beobachten, wie neu entstehende oder denaturierte Moleküle ihren nativen Zustand annehmen oder wiedererlangen. Siehe Proteinfaltung .

Ein dritter Ansatz der Strukturbiologie zur Erforschung von Proteinstrukturen ist die Bioinformatik. Dabei werden Muster in den vielfältigen Sequenzen gesucht , die zu bestimmten Formen führen. Forscher können häufig Aspekte der Struktur von integralen Membranproteinen aus der durch Hydrophobizitätsanalyse vorhergesagten Membrantopologie ableiten . Siehe Proteinstrukturvorhersage .

Strukturbiologen haben wesentlich zum Verständnis der molekularen Komponenten und Mechanismen menschlicher Erkrankungen beigetragen. So wurden beispielsweise Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) und Festkörper-NMR (ssNMR) eingesetzt, um die Aggregation von Amyloidfibrillen zu untersuchen, die mit Alzheimer , Parkinson und Typ-2-Diabetes in Verbindung stehen . ^{[ 21 ]} Neben Amyloidproteinen nutzten Wissenschaftler die Kryo-EM auch, um hochauflösende Modelle von Tau-Filamenten im Gehirn von Alzheimer-Patienten zu erstellen, die zukünftig zur Entwicklung besserer Therapien beitragen könnten. ^{[ 22 ]} Strukturbiologische Methoden können auch zur Aufklärung von Wechselwirkungen zwischen Krankheitserregern und Wirten eingesetzt werden. Beispielsweise ermöglichten sie Virologen zu verstehen, wie die HIV-Hülle dem Virus erlaubt, der menschlichen Immunantwort zu entgehen. ^{[ 23 ]}

Die Strukturbiologie ist auch ein wichtiger Bestandteil der Wirkstoffforschung . ^{[ 24 ]} Wissenschaftler können mithilfe der Genomik Zielstrukturen identifizieren, diese mithilfe der Strukturbiologie untersuchen und darauf abgestimmte Wirkstoffe entwickeln. Liganden- NMR , Massenspektrometrie und Röntgenkristallographie sind gängige Techniken in der Wirkstoffforschung. So haben Forscher beispielsweise die Strukturbiologie genutzt, um Met , ein von einem Protoonkogen kodiertes Protein und wichtiges Zielmolekül in der Krebstherapie , besser zu verstehen . ^{[ 25 ]} Ähnliche Forschungen wurden für HIV- Zielstrukturen zur Behandlung von AIDS- Patienten durchgeführt . ^{[ 24 ]} Auch neue antimikrobielle Mittel gegen Mykobakterieninfektionen werden mithilfe der strukturorientierten Wirkstoffforschung entwickelt. ^{[ 24 ]}

In der Molekularbiologie bezeichnet der Begriff makromolekulare Anordnung ( MA ) massive chemische Strukturen wie Viren und nicht-biologische Nanopartikel , Zellorganellen und -membranen sowie Ribosomen etc. , die komplexe Gemische aus Polypeptiden , Polynukleotiden , Polysacchariden oder anderen polymeren Makromolekülen darstellen . Sie bestehen in der Regel aus mehr als einem dieser Typen und die Gemische sind räumlich (d. h. hinsichtlich ihrer chemischen Form) sowie hinsichtlich ihrer zugrundeliegenden chemischen Zusammensetzung und Struktur definiert . Makromoleküle kommen in lebenden und nicht-lebenden Organismen vor und bestehen aus Hunderten oder Tausenden von Atomen , die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden ; sie sind oft durch sich wiederholende Einheiten charakterisiert (d. h. sie sind Polymere ). Anordnungen dieser Moleküle können ebenfalls biologisch oder nicht-biologisch sein, wobei der Begriff MA häufiger in der Biologie und der Begriff supramolekulare Anordnung häufiger in nicht-biologischen Kontexten (z. B. in der supramolekularen Chemie und Nanotechnologie ) verwendet wird. Molekülaggregate (MAs) von Makromolekülen werden durch nicht-kovalente intermolekulare Wechselwirkungen (statt kovalenter Bindungen ) in ihrer definierten Form gehalten und können entweder nicht-repetitive Strukturen (z. B. wie im Ribosom (Abbildung) und in der Zellmembranarchitektur) oder repetitive lineare, kreisförmige, spiralförmige oder andere Muster aufweisen (z. B. wie in Aktinfilamenten und dem Flagellenmotor (Abbildung)). Der Prozess der MA-Bildung wird als molekulare Selbstorganisation bezeichnet , ein Begriff, der insbesondere in nicht-biologischen Kontexten Anwendung findet. Für die Untersuchung von MAs existiert eine Vielzahl physikalischer/biophysikalischer, chemischer/biochemischer und computergestützter Methoden. Angesichts der Größenordnung (molekulare Dimensionen) von MAs stehen die Bemühungen, ihre Zusammensetzung und Struktur aufzuklären und die Mechanismen ihrer Funktionen zu verstehen, im Mittelpunkt der modernen Strukturforschung.

Ein biomolekularer Komplex , auch biomakromolekularer Komplex genannt , ist ein biologischer Komplex, der aus mehr als einem Biopolymer ( Protein , RNA , DNA , ^{[ 30 ]} Kohlenhydrat ) oder großen nicht-polymeren Biomolekülen ( Lipid ) besteht. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Biomolekülen sind nicht-kovalent. ^{[ 31 ]} Beispiele:

• Proteinkomplexe , von denen einige Multienzymkomplexe sind : Proteasom , DNA-Polymerase-III-Holoenzym , RNA-Polymerase-II-Holoenzym , symmetrische Viruskapside , Chaperoninkomplex GroEL - GroES , Photosystem I , ATP-Synthase , Ferritin .
• RNA-Protein-Komplexe: Ribosom , Spliceosom , Vault , SnRNP . Solche Komplexe im Zellkern werden Ribonukleoproteine ​​(RNPs) genannt.
• DNA-Protein-Komplexe: Nukleosom .
• Protein-Lipid-Komplexe: Lipoprotein . ^{[ 32 ] [ 33 ]}

Die biomakromolekularen Komplexe werden strukturell mittels Röntgenkristallographie , NMR-Spektroskopie von Proteinen , Kryo-Elektronenmikroskopie und anschließender Einzelpartikelanalyse sowie Elektronentomographie untersucht . ^{[ 34 ]} Die mittels Röntgenkristallographie und biomolekularer NMR-Spektroskopie gewonnenen Atomstrukturmodelle können in die wesentlich größeren Strukturen biomolekularer Komplexe eingepasst werden , die mit weniger auflösenden Techniken wie Elektronenmikroskopie, Elektronentomographie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung gewonnen werden . ^{[ 35 ]}

Komplexe aus Makromolekülen kommen in der Natur allgegenwärtig vor und sind am Aufbau von Viren und allen lebenden Zellen beteiligt. Darüber hinaus spielen sie eine fundamentale Rolle in allen grundlegenden Lebensprozessen ( Proteinbiosynthese , Zellteilung , Vesikeltransport , intra- und interzellulärer Stoffaustausch usw.). In all diesen Funktionen organisieren sich komplexe Gemische auf spezifische strukturelle und räumliche Weise. Während die einzelnen Makromoleküle durch eine Kombination aus kovalenten Bindungen und intramolekularen nicht-kovalenten Kräften zusammengehalten werden (d. h. Wechselwirkungen zwischen Teilen innerhalb jedes Moleküls über Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen , Van-der-Waals-Kräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen ), werden Makromolekülkomplexe (MAs) definitionsgemäß ausschließlich durch nicht-kovalente Kräfte zusammengehalten , mit Ausnahme der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen (d. h. intermolekulare Wechselwirkungen ).

Die obigen Abbildungen geben einen Hinweis auf die Zusammensetzung und die Dimensionen von MAs, verdeutlichen aber nur die Komplexität dieser Strukturen. Prinzipiell besteht jede lebende Zelle aus MAs und ist selbst auch ein MA. In den Beispielen und ähnlichen Komplexen und Anordnungen weisen die MAs oft Molekulargewichte von mehreren Millionen Dalton (Megadalton, d. h. Millionen Mal so viel wie das Gewicht eines einzelnen Atoms) auf, besitzen aber dennoch messbare Komponentenverhältnisse ( Stöchiometrien ) mit einer gewissen Genauigkeit. Wie in den Bildunterschriften erwähnt, lassen sich MAs oder ihre Subkomplexe nach entsprechender Präparation häufig kristallisieren und mittels Proteinkristallographie und verwandten Methoden oder anderen physikalischen Methoden (z. B. Spektroskopie , Mikroskopie ) untersuchen.

Virus structures were among the first studied MAs; other biologic examples include ribosomes (partial image above), proteasomes, and translation complexes (with protein and nucleic acid components), procaryotic and eukaryotic transcription complexes, and nuclear and other biological pores that allow material passage between cells and cellular compartments. Biomembranes are also generally considered MAs, though the requirement for structural and spatial definition is modified to accommodate the inherent molecular dynamics of membrane lipids, and of proteins within lipid bilayers.^[40]

During assembly of the bacteriophage (phage) T4virion, the morphogenetic proteins encoded by the phage genes interact with each other in a characteristic sequence. Maintaining an appropriate balance in the amounts of each of these proteins produced during viral infection appears to be critical for normal phage T4 morphogenesis.^[41] Phage T4 encoded proteins that determine virion structure include major structural components, minor structural components and non-structural proteins that catalyze specific steps in the morphogenesis sequence^[42]

• Primary structure
• Secondary structure
• Tertiary structure
• Quaternary structure
• Structural domain
• Structural motif
• Protein subunit
• Molecular model
• Cooperativity
• Chaperonin
• Structural genomics
• Stereochemistry
• Resolution (electron density)
• Proteopedia The collaborative, 3D encyclopedia of proteins and other molecules.
• Vorhersage der Proteinstruktur
• SBGrid-Konsortium
• Räumliche Biologie

• Carugo, Oliviero; Djinović-Carugo, Kristina (29. Juni 2023). „Strukturbiologie: Ein goldenes Zeitalter“ . PLOS Biology . 21 (6) e3002187. doi : 10.1371/ journal.pbio.3002187 . PMC  10337885. PMID  37384774 .
• Curry, Stephen (3. Juli 2015). „Strukturbiologie: Eine jahrhundertelange Reise in eine unsichtbare Welt“ . Interdisciplinary Science Reviews . 40 (3): 308–328 . Bibcode : 2015ISRv...40..308C . doi : 10.1179 / 0308018815Z.000000000120 . PMC  4697198. PMID  26740732 .

• Medien zum Thema Strukturbiologie auf Wikimedia Commons
• Website der Zeitschrift Nature: Structural & Molecular Biology
• Zeitschrift für Strukturbiologie
• Strukturbiologie – Die virtuelle Bibliothek der Biochemie, Molekularbiologie und Zellbiologie
• Strukturbiologie in Europa
• Lernen der Kristallographie