• Um eine detaillierte und vollständige quantitative Charakterisierung von Oberflächentaschen und inneren Hohlräumen von Proteinen mit CASTp (Computed Atlas of Surface Topography of proteins) zu erhalten.

• Um sich mit der Online-Ressource CASTp vertraut zu machen.

Proteine sind eine der wichtigen Grundeinheiten aller lebenden Zellen. Proteine haben eine breite Palette von Funktionen in allen Lebewesen. Einige der wichtigen Funktionen wie DNA-Replikation, Katalyse von Stoffwechselreaktionen, Transport von Molekülen von einem Ort zum anderen usw. werden mit Hilfe von Proteinen durchgeführt.

Die Bausteine von Proteinen sind Aminosäuren. Aminosäuren bestehen aus einem Amin (-NH2) und einer Carbonsäure (-COOH) funktionelle Gruppen sowie eine Seitenkette, die für jede Aminosäure spezifisch ist. Es gibt fast 20 Aminosäuren im menschlichen Körper, die normalerweise in ihren R-Gruppen variieren. In Proteinen sind die Aminosäuren über Peptidbindungen miteinander verbunden. Eine Peptidbindung wird gebildet, wenn die Carboxylgruppe einer Aminosäure durch eine kovalente Bindung mit der Aminogruppe eines anderen Moleküls verbunden ist.

Proteine unterscheiden sich voneinander in ihrer Struktur, vor allem in ihrer Aminosäuresequenz. Die Struktur erklärt die verschiedenen Organisationsebenen eines Proteinmoleküls. Die Proteinstruktur wird in primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre unterteilt. Die lineare Sequenz Die Polypeptidkette der Aminosäure bezieht sich auf die Primärstruktur von Proteinen. Die intermolekulare und intramolekulare Wasserstoffbindung zwischen den Amidgruppen in der Primärstruktur des Proteins bildet eine Sekundärstruktur. Alpha Helices und Beta Sheets sind die beiden wichtigsten Sekundärstrukturen im Protein. Die dreidimensionale Struktur eines einzelnen Proteinmoleküls bezieht sich auf die Tertiärstruktur. Die quartäre Struktur wird durch mehrere Proteinmoleküle oder Polypeptidketten gebildet.

Die Interaktion mit Molekülen wie Substrat, Ligand, DNA und anderen Domänen hilft den Proteinen, ihre spezifische Funktion zu erfüllen. Die dreidimensionale Struktur des Proteins gibt die erforderliche Form und die physikochemischen Eigenschaften, um solche Interaktionen zu erleichtern. Die Beziehung zwischen der Proteinstruktur und ihrer Funktion kann durch die Strukturinformation von Proteinoberflächenregionen untersucht werden. Insbesondere eine Untersuchung von Proteinoberflächenregionen ermöglicht es, den Enzymmechanismus zu verstehen, was zur Bestimmung der Bindungsspezifität beiträgt. Auch die biologischen Funktionen von Proteinstrukturen (neu gelöst) mit unbekannter Funktion können identifiziert werden.

CASTp

Der CASTp-Webserver (Computed Atlas of Surface Topography of proteins) ist ein Online-Tool, das die Taschen auf den Proteinoberflächen und die Hohlräume im Inneren von Proteinen lokalisiert, misst und charakterisiert. Diese Oberflächentaschen und Hohlräume sind die konkaven Regionen von Proteinen, die normalerweise mit Bindungsaktivitäten korrelieren. CASTp verwendet die Alpha-Form und den Taschenalgorithmus, der in Computational Geometry (Jie Liang et al., 2003), um die Oberflächentaschen und Hohlräume in Proteinen abzugrenzen und zu messen. In CASTp werden die Oberflächentaschen als konkave Bereiche von Proteinen mit Bindungsstellen an der Öffnung erklärt. Diese Taschen ermöglichen auch einen einfachen Zugang von Wassermolekülen von außen. Die Hohlräume werden als versteckte freie Räume im Inneren von Proteinen beschrieben, die für Wassermoleküle unzugänglich sind, nachdem alle Heteroatome von außen entfernt wurden.

Abbildung 1: Die Bindungstasche (grün) der HIV-1-Protease (1hte). Der Ligand Gr12397 (gelb) besetzt die Bindungsstelle.

Bildquelle: http://sts.bioengr.uic.edu/castp/examples.php

Das CASTp-Online-Tool analysiert alle Oberflächentaschen und inneren Hohlräume der dreidimensionalen Struktur eines Proteins und gibt auch eine detaillierte Charakterisierung aller Atome, die an der Bildung dieser Hohlräume und Taschen beteiligt sind. CASTp verwendet sowohl das lösungsmittelzugängliche Oberflächenmodell (Richards ‚Oberfläche) als auch das molekulare Oberflächenmodell (Connollys Oberfläche), um die Fläche und das Volumen jedes Hohlraums und jeder Tasche analytisch zu messen. Lösemittelzugängliche Oberfläche, auch bekannt als Richards ‚molekulare Oberfläche, ist die Oberfläche eines Biomoleküls, die für ein Lösungsmittel zugänglich ist. Darüber hinaus misst CASTp auch die Größe der einzelnen Taschen und Mundöffnungen. Dies ermöglicht es, die Zugänglichkeit von Bindungsstellen zu verschiedenen Liganden und Substraten zu bestimmen. Die Berechnung oder Oberflächenanalyse von Proteinen mit CASTp hat eine Reihe von Vorteilen in biologischen Studien.

Die annotierten Funktionsinformationen von Proteinen sind auch in der neuen Version von CASTp enthalten. Diese Annotationen stammen aus der Proteindatenbank (PDB), Swiss-Prot, sowie der Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), und letztere enthält Informationen zu den varianten Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs), von denen bekannt ist, dass sie Krankheiten verursachen.