Visualisierung biochemischer Netzwerke - Arbeitsbereich für ...

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Visualisierung abstrakter Daten SS 2004 Felix Schernhammer TU Wien 1. Biochemische Grundlagen: 1.1. Die Proteinsynthese (Proteinbiosynthese) 1.1.1. Die DNA als Bauplan für Proteine Bekanntlich wird die gesamte Erbinformation jedes Lebewesens in Chromosomen gespeichert. In jeder Zelle (ein Mensch besteht aus ca. 60 Billionen Zellen) befindet sich eine identische Kopie dieser Chromosomen. Die Anzahl der Chromosomen variiert jedoch zwischen den Lebewesen (Mensch: 46). Nun sind alle Chromosomen Teile der DNA (Desoxyribonukleinsäure) und bestehen aus Genen, welche wiederum kleinere Abschnitte der DNA sind. Die DNA selbst besteht aus vier verschiedenen Basen (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin), deren Sequenz ausschlaggebend für die Erbinformation ist. Sie hat die Form einer gegenläufig verdrillten Doppelhelix. Die „Sprossen“ dieser Leiterstruktur sind die genannten Basen, die Holme bestehen aus Desoxyribose und Phosphatsäure, deren Hauptaufgabe darin besteht die vertikale Bindung des DNA Stranges aufrechtzuerhalten. Die Abbildung zeigt die Visualisierung eines DNA- Abschnitts mit dem Tool „MDL sculpt“ der Firma MDL (Molecular Design Limited). Das 3 dimensionale Bild kann beim Betrachten auch gedreht bzw. umformatiert werden. Dazu ist das frei erhältliche tool „chime“ derselben Firma notwendig. Die Farben stehen in diesem Bild für die Atome, die am Aufbau der DNA beteiligt sind: Orange: Phosphat Rot: Sauerstoff Grau: Kohlenstoff Blau: Stickstoff Wasserstoff würde aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Die DNA besteht grob gesagt aus drei Bestandteilen: − Phosphorsäure (PO 4 ): Sie ist im Bild leicht erkennbar an den orangen Stellen. Man sieht auch sehr leicht, dass das Phosphoratom Bindungen mit 4 Sauerstoffatomen eingeht. Die Stelligkeiten der Bindungen sind in diesem Bild nicht erkennbar. − Zucker (Desoxyribose C 5 OH 7 ): Dieser Zucker ist namensgebend für die DNA und ist die Verbindung von Phosphatsäure und den organischen Basen (s.u.). − Organische Basen (die oben genannten Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin). In die Sequenz dieser Basen ist der genetische Code des Lebewesens codiert. Es können sich immer nur zwei Basen verbinden, nämlich Adenin und Thymin, und Cytosin und Guanin. (diese werden durch Wasserstoffbrücken verbunden). Doch was genau codiert diese Sequenz von organischen Basen eigentlich? Es sind Strukturen von Proteinen. Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut, derer es 20 gibt. Die Sequenz dieser Visualisierung biochemischer Netzwerke Seite 4/26
Visualisierung abstrakter Daten SS 2004 Felix Schernhammer TU Wien Aminosäuren sowie die Sekundärstruktur (räumliche Anordnung der Molekühle aufgrund physikalischer und chemischer Eigenschaften) und Tertiärstruktur (räumliche Anordnung der Moleküle um bestimmte Eigenschaften des Proteins zu erzielen) bestimmen welche Eigenschaften das Protein hat. Bevor wir nun auf die Synthese, also die Erzeugung von Proteinen eingehen, stelle ich einige Funktionen vor, die Proteine in unserem Körper erfüllen, damit offensichtlich wird, wie wichtig Proteine für den Menschen sind: − Enzyme: Sie werden als Katalysator für chemische Reaktionen benötigt. Fast alle biochemischen Vorgänge in unserem Körper benötigen bestimmte Enzyme um in Gang zu kommen. Es gibt zum Beispiel 20 verschieden Enzyme, die die Bindung von Aminosäuren an die verschiedenen t-RNAs (transfer RNA) katalysieren. − Transportproteine: Sie binden bestimmte Stoffe an sich und können sie durch den Körper transportieren. Ein Beispiel hierfür wäre das Hämoglobin, das Sauerstoff in der Lunge an sich bindet und zu den peripheren Körperregionen transportiert. − Nährstoff- und Speicherproteine: die Samen vieler Pflanzenzellen speichern Nährstoffproteine, die für das spätere Wachstum essentiell sind. Ein weiteres Beispiel ist das Ferritin, das Eisen speichern kann. − Strukturproteine: Viele Proteine dienen als stützende Elemente um biologischen Strukturen Stabilität und Schutz zu verleihen. In Sehnen und Knorpel ist beispielsweise das Protein Collagen enthalten. Haare und Fingernägel bestehen u. a. aus Keratin. − Verteidigungsproteine: Sie schützen den Organismus vor dem Eindringen anderer Spezies oder bewahren ihn vor Verletzungen. Die Thrombozyten (Blutplättchen) beispielsweise verhindern Blutverlust bei Gefäßverletzungen. Leukozyten (weiße Blutkörperchen) verteidigen den Körper gegen Bakterien. − Regulatorische Proteine: Sie induzieren bzw. hemmen bestimmte Vorgänge im Körper. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Genregulation, und der Visualisierung derselben mit GeneVis. Als Vertreter wäre hier u.a. das Insulin zu nennen, das den Zuckerstoffwechsel im Körper reguliert. − Sonstige: Es gibt noch viele Proteine, deren Eigenschaften nicht in die oben genannten Gruppe passen. 1.1.2 Produktion der Proteine Um Proteine tatsächlich erzeugen zu können muss eine Kopie des betreffenden Gens erzeugt werden. Diese Kopie liegt als RNA vor und wird als m-RNA(messenger RNA) bezeichnet. (Der Vorgang des Kopierens wird als Transkription bezeichnet). Die m-RNA enthält also die Abfolge der Aminosäuren, die das entsprechende Protein charakterisiert. Da es nur 4 Basen, aber 20 Aminosäuren gibt, müssen pro Aminosäuren Codewörter verwendet werden, die mindestens 3 Zeichen (=Base) lang sein müssen. (weil 4 2 < 20
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