Im Zuge der folgenden Arbeit wird aus der bekannten Aminosäuresequenz eines bisher unbekannten Opioid-Rezeptors des Zebrafinken ein Modell erstellt, an welchem die Bindung von Agonisten und Antagonisten modelliert und anschließend bewertet werden.
Die Verwendung von schmerzlindernden Substanzen (Analgetika) ist eine der ältesten medizinischen Behandlungen von Patienten. Bereits im 16. Jahrhundert untersuchte Paracelsus in Feldversuchen die Wirkung entsprechender Pflanzen, wie Johanneskraut. War man damals noch auf die Pflanzen selbst angewiesen, ist es heute möglich die bioaktiven Substanzen oft im Labor zu synthetisieren und deren genauen Wirkmechanismus zu bestimmen. Die moderne Klassifizierung der Analgetika ist die, der Opioide und Nicht-Opioide. Nichtopioide wirken über die Hemmung von Cyclooxygenasen und Opioide über die Opiodrezeptoren, sodass beide die wirkungsvolleren Arzneimittel darstellen. Die Opioidrezeptoren lassen sich in die μ-, κ- und δ-Rezeptoren unterteilen, wobei die μ- und κ-Rezeptoren für die analgetische Wirkung verantwortlich sind. Diese Rezeptoren sind GPCRs (G-Protein Coupled Receptors), die als charakteristisches strukturelles Merkmal sieben Transmembranhelices besitzen. Am intrazellulären Loop 3, dieser verbindet TM5 mit TM6, bindet bei Aktivierung des Rezeptors das G-Protein und induziert somit eine Signalkaskade.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Erstellung des Modells eines Opioid-Rezeptors sowie Simulation der Bindung von Agonis-ten und Antagonisten
2.1 Sekundärstrukturanalyse
2.1.1 Sequenzalignment, Scoring Funktion, Scoring Matrix
2.1.2 Unterschied lokales – globales Alignment
2.1.3 Betrachtung der Aminosäuresequenz sowie Vorhersage der Sekundärstruktur
2.1.4 Erstellung einer Vorhersage für transmembrane Proteine mithilfe von Transmem
2.1.5 Erstellung eines Sequenzalignments von 2RH1 und 4DKL
2.1.6 Erstellung eines Sequenzalignments von 4DKL sowie 2IQO (transmembraner Teil eines GPCRs)
2.2 Homologiemodell
2.2.1 paarweises und multiples Alignment
2.2.2 + 2.2.3 Unterschied von BLAST produzierten Alignments und multiplem Alignment sowie Funktionsweise von BLAST
2.2.4 Beschreibung des Ramachandran-Plots
2.2.5 Schwierigkeit der Erstellung eines Homologiemodells für ein TM-Protein
2.2.6 Vergleich der Sequenz des Rezeptors des Zebrafinken und von 4DKL
2.2.7 Erstellung eines multiplen Sequenz- und Strukturalignment mithilfe von BLAST
2.2.8 Erstellung von Homologiemodellen der drei Templates
2.2.9 Berechnung der RMSD-Werte ausgehend von den Homologiemodellen und den Templates
2.2.10 Evaluierung und Verbesserung des Homologiemodells
2.3 Docking
2.3.1 Zwei Bestandteile des molekularen Dockings
2.3.2 Unterschied zwischen starrem und flexiblem Docking
2.3.3 Probleme und Ursachen beim Docking
2.3.4 Berechnungen mithilfe der Scoring-Funktion
2.3.5 Aufbau der PLP-Funktion
2.3.6 Kürzung des Terminus bei Met-Enkephalin
2.3.7 Docking eines Agonisten mit anschließender Dynamiksimulation und darauffolgendem Vergleich der Strukturen
2.3.8 Gedockte Positionen stimmen schlecht mit der Kristallstruktur überein - Darlegung bestimmter Berücksichtigungen
2.3.9 Selektivität von Naltrindole
2.3.10 Feedback
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die computergestützte Erstellung eines Strukturmodells für einen bisher unbekannten Opioid-Rezeptor des Zebrafinken sowie die anschließende Simulation und Bewertung der Bindungsaffinität von Agonisten und Antagonisten an dieses Modell.
- Bioinformatische Sequenz- und Sekundärstrukturanalyse
- Erstellung von Homologiemodellen auf Basis bekannter Templatestrukturen
- Molekulares Docking von Agonisten und Antagonisten
- Dynamiksimulation zur Bewertung der Stabilität von Rezeptor-Ligand-Komplexen
Auszug aus dem Buch
2.3.2 Unterschied zwischen starrem und flexiblem Docking
Das starre Docking beschreibt einen Mechanismus, bei dem beide Reaktionspartner ihre dreidimensionale Struktur im Laufe der Bindungsbildung nicht verändern. Dieser Ansatz stellt eine starke Vereinfachung dar und muss daher als ungenau betrachtet werden. Bei dem Mechanismus des flexiblen Dockings wird ein Partner starr gehalten (zumeist der Rezeptor) und der zweite als flexibel betrachtet. Dieser kann daher er kann seine Konfor-mation während der Bindungsbildung ändern. Es ist sinnvoll den Ligand als flexibel zu betrachten, weil dieser wesentlich weniger Freiheitsgrade hat.[19]
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel führt in die historische Entwicklung der Analgetika und die biologische Bedeutung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) ein, auf denen das Modell des Zebrafinken-Rezeptors basiert.
2 Erstellung des Modells eines Opioid-Rezeptors sowie Simulation der Bindung von Agonis-ten und Antagonisten: Der Hauptteil beschreibt die methodische Vorgehensweise bei der Sequenzanalyse, der Homologiemodellierung unter Verwendung von Templates sowie die anschließende Docking-Simulation und deren Evaluation.
Schlüsselwörter
Molekular Modelling, Opioid-Rezeptor, Zebrafink, Sequenzalignment, Homologiemodell, GPCR, Docking, Agonisten, Antagonisten, Protein-Struktur, Dynamiksimulation, Bindungsaffinität, Scoring-Funktion, PLP-Funktion, LibDock
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit dokumentiert die Erstellung eines theoretischen Modells eines Opioid-Rezeptors beim Zebrafinken und die Untersuchung dessen Bindungsverhaltens mittels bioinformatischer Methoden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit befasst sich primär mit Bioinformatik, Strukturvorhersage von Proteinen, molekularem Docking und der Analyse von Rezeptor-Ligand-Interaktionen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, aus einer bekannten Aminosäuresequenz ein Modell zu generieren, um zu untersuchen, wie Agonisten und Antagonisten an diesen Rezeptor binden und wie sich die Struktur dabei verhält.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden diverse Methoden angewendet: Sequenzalignments (BLAST), Homologiemodellierung, molekulares Docking (u.a. CDOCKER, LibDock) und Dynamiksimulationen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Sekundärstrukturanalyse, die Erstellung des Homologiemodells auf Basis von Templates (4DKL, 4N6H, 4DJH) und das Docking von Liganden zur Bestimmung der Bindungsaffinität.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den Kernbegriffen gehören Molekular Modelling, GPCR, Homologiemodell, Docking, Scoring-Funktion und Dynamiksimulation.
Wie unterscheidet sich der Ansatz bei der Modellierung von transmembranen Proteinen im Vergleich zu globulären Proteinen?
Transmembranproteine sind aufgrund der drei verschiedenen Umgebungen (extrazellulär, Membran, intrazellulär) komplexer zu modellieren, da die hydrophobe Umgebung der Lipiddoppelschicht die Tertiärstruktur massiv beeinflusst.
Warum wird im Rahmen der Analyse ein Vergleich zu anderen Spezies wie dem Menschen oder dem Zebrafinken gezogen?
Der Vergleich dient dazu, die Homologie zu bekannten Rezeptorstrukturen zu prüfen, um als Vorlage (Template) für das eigene Modell zu dienen und die Funktionsfähigkeit des Rezeptors zu validieren.
Welche Rolle spielt der Loop 3 bei der untersuchten Rezeptorstruktur?
Der Loop 3 ist für die Bindung des G-Proteins und die Induktion von Signalkaskaden essenziell; bei dem vorliegenden Modell zeigt sich jedoch ein Mangel an konservierten Strukturen in diesem Bereich, was die Modellierung erschwert.
Wie bewerten die Autoren das durchgeführte Praktikum?
Sie beurteilen das Praktikum als inhaltlich wertvoll für das Verständnis von Molekularsimulationen, kritisieren jedoch das unausgewogene Verhältnis zwischen der Einarbeitung in neue Software und der eigentlichen praktischen Anwendung.
- Arbeit zitieren
- Manuel Langer (Autor:in), Daniel Hofbauer (Autor:in), 2014, Strukturmodellierung und Docking. Gen: Zebrafink XP_002187388, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/335476
