Visualisierung biochemischer Netzwerke - Arbeitsbereich für ...

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Visualisierung abstrakter Daten SS 2004 Felix Schernhammer TU Wien 1.1.3 Die Regulation der Proteinsynthese Bisher haben wir uns nur darüber Gedanken gemacht wie die Proteinsynthese funktioniert nicht aber, wie der Vorgang induziert bzw. beendet wird. Um den Bedarf an bestimmten Proteinen zu erfüllen muss die Produktion der Zellen kontrolliert werden. Diese Kontrolle der Proteinkontrolle wird unter dem Begriff Genregulation zusammengefasst. Im Wesentlichen ist die Produktion von Proteinen durch das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein anderer oder derselben Proteinen abhängig. Zunächst gibt es sog. Induzierbare Enzyme. Die Konzentration solcher Enzyme in der Zelle kann variieren. Zum Beispiel können solche Enzyme die Aufgabe haben bestimmte Stoffe in der Zelle abzubauen, oder umzuwandeln. Die Anzahl der Enzyme hänge dann davon ab, wie viel von dem Ausgangsstoff (=Substrat) vorhanden ist. Ist eine große Menge des Substrats in der Zelle, so wird die Produktion von Enzymen, die den Stoff verarbeiten können induziert. Dieser Vorgang wird auch Substratinduktion genannt. Es gibt auch sog. Konstitutive Enzyme, deren Vorkommen in der Zelle konstant ist. Nur bei prokaryotischen Zellen (Zellen mit Zellkern, alle „höheren“ Lebewesen sind Prokaryoten. Das Gegenstück dazu sind Eukaryoten. Das sind einzellige Bakterien ohne Zellkern) ist auch eine Repression der Proteinsynthese möglich. Dabei wird analog zur Substratinduktion durch ausreichendes Vorhandenseins eines Produktes, das ein Enzym synthetisieren würde, die Produktion des Enzyms gehemmt. 1.2 Andere biochemische Prozesse: Natürlich gibt es neben der Proteinsynthese noch eine Reihe anderer biochemischer Prozesse. Diese spielen in der Wissenschaft aber nur eine untergeordnete Rolle, weil Sie zumeist bereits hinreichend erforscht sind (z.B. Muskelaktivität). Das Hauptaugenmerk der biochemischen Forschung richtete sich in den letzten Jahren auf die Entschlüsselung des genetischen Codes des Menschen. Das heißt man versuchte herauszufinden welch Teile der DNA für Proteine codieren und welche nicht, (Teile, die für Proteine kodieren werden Exons genannt, die anderen Introns.) und welche Exons für welche Merkmale verantwortlich sind. Die Entschlüsselung der DNA Sequenz an sich, die ja für jeden Menschen eindeutig ist, ist bereits früher gelungen. Mit dieser Kenntnis des menschlichen Genoms wäre es nun möglich das menschliche Erbgut gezielt zu verändern (also Genmanipulation zu betreiben), was aber ethisch (noch) umstritten ist. Ganz im Gegensatz dazu steht die Genmanipulation von Bakterien. Sie kann dazu verwendet werden um Bakterien, bestimmte, für den Menschen nützliche, Stoffe produzieren zu lassen. Die derzeit ausgeübte Genmanipulation beschränkt sich darauf Gene, die in der Natur bereits vorkommen in andere Lebewesen „einzupflanzen“. Ein ganz anderer Ansatz ist hingegen die Proteine, die durch die DNA kodiert werden, an sich zu erforschen und zu versuchen für bestimmte gewünschte Funktionalitäten die entsprechenden DNA Sequenzen zu finden. Auch in diese Richtung wird zur Zeit mehr oder weniger intensiv geforscht. Diese Arbeit wird sich in weiterer Folge mit der Visualisierung aller zur Erforschung der Proteinsynthese wichtigen Vorgänge beschäftigen. Zuerst wird die Visualisierung von Biomolekühlen behandelt. Darunter fallen die Visualisierung der DNA in den verschiedensten Ausprägungen, von der Sequenzvisualisierung bis zur zur 3D animierten Visualisierung. Visualisierung biochemischer Netzwerke Seite 8/26
Visualisierung abstrakter Daten SS 2004 Felix Schernhammer TU Wien 2. Visualisierung von Biomolekühlen: Im Wesentlichen existieren 3 verschieden Arten der Visualisierung von Biomolekülen. Zuerst die Eindimensionale, die vor allem zur Visualisierung von DNA und RNA verwendet wird und das Molekül als Sequenz von anderen Molekülen im Textformat darstellt. Um zusätzlich dazu die chemischen Verbindungen zwischen den Molekülen darzustellen, verwendet man 2- dimensionale Grafiken. Und um die räumliche Struktur der Teilchen zu veranschaulichen, verwendet man 3D Grafiken bzw. Animationen. 2.1 Visualisierung von Sequenzen: Bei der Sequenzvisualisierung wird versucht die Sequenz eines Moleküls (sofern ein Molekül gut durch eine Sequenz beschrieben werden kann, was bei der DNA auf jeden Fall der Fall ist) durch eine Folge von Buchstaben zu visualisieren. Im Falle der DNA sind das nur 4 Buchstaben (nämlich die der vier Basen). Will man jedoch zum Beispiel die Aminosäurensequenz eines Proteins visualisieren sind bereits mehrere Buchstaben nötig. Eines der Standardtools zur Sequenzvisualisierung ist SeqLab (Accelry’s). Es bietet neben der reinen Visualisierung der Sequenz die Möglichkeit Teilbereiche farblich hervorzuheben. In dieser Abbildung sind die Sequenzen einiger Proteine abgebildet. Es ist hier zu beachten, dass nicht jede der 20 Aminosäuren eine eigene Farbe hat, sondern die Aminosäuren nach bestimmten Kriterien gruppiert werden. Visualisierung biochemischer Netzwerke Seite 9/26
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