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Vorbemerkung

Leben kann als eine Folge von biochemischen Reaktionen beschrieben werden, an denen Substanzen so klein wie ein Wasserstoffatom bis zur Größe gigantischer Makromoleküle beteiligt sind. Die Biowissenschaften versuchen, die molekularen Grundlagen aller Lebensvorgänge zu erklären, seien es einfache Stufen des Metabolismus in Mikroorganismen oder das Zustandekommen von Bewußtsein in höheren Organismen. Die Erklärung kann die abstrakte Form einer chemischen Gleichung mit Reaktanden und Produkten einschließlich der zugehörigen Massebilanz haben. Zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen ist es jedoch nützlich, die Moleküle selbst bei der Arbeit zu sehen, und das in atomarem Maßstab. Die Arbeit der Moleküle besteht aus Wechselwirkungen der Elektronenwolken der beteiligten Atome; um die Vorgänge sichtbar zu machen, müssen die räumlichen Strukturen aller beteiligten Moleküle bekannt sein.

Atomkoordinaten von (im Juli 1999) 10.000 Makromolekülen sind in der Protein Data Bank abgelegt, andere Datenbanken enthalten die Strukturdaten kleiner Moleküle oder von Nucleinsäuren und ihren Komplexen. Viele Themen aus Biochemie und Molekularbiologie können daher sichtbar gemacht werden. Dazu sind Computerprogramme entwickelt worden, die qualitativ hochwertige Bilder räumlicher molekularer Strukturen erzeugen. Auch für den durchschnittlichen Wintel-PC gibt es ein Programmpaket, mit dem Moleküle auf der Basis öffentlich zugänglicher Strukturdaten interaktiv sichtbar gemacht werden können. Das Programm Chime ermöglicht die Erstellung von Filmen, die in Web-browsern betrachtet werden können. Der Zuschauer kann den Ablauf der Filme selbst steuern oder sich anhand eines Skriptes führen lassen. Auf dieser Seite finden Sie einige Erläuterungen zu den Darstellungsweisen in den Skripten dieses Projektes und ihrer Bedienung.

Darstellung kleiner Moleküle mit Chime

Bausteine von Proteinen sind die Aminosäuren. Hier ist eine einfache gezeigt, das Alanin. Das rechte Bild zeigt ein Modell eines Alanin-Moleküls. Die Atome sind hier durch Kugeln symbolisiert und die chemischen Bindungen als Stangen (ball and stick model). Die Abstände der Kugeln sind proportional zu den Bindungslängen im Molekül. Die Darstellungsweise des Modells kann variiert werden, je nachdem, was an dem Molekül demonstriert werden soll. Der Betrachter kann die Ansicht (nach Vorgaben des Skript-Autors) durch Anklicken der Knöpfe verändern. Die Knöpfe können verschiedene Funktionen haben (Einfach- oder Wechselschalter). Probieren Sie es aus:

zeigt die Elektronenhülle (van der Waals Radien)
raumfüllende Ansicht
nur Bindungen (stick model)
zeigt das C_alpha-Atom
Vergrößerung
Anfangsbild

Unabhängig von den Knöpfen kann die Modellansicht immer mit der Maus beeinflußt werden. Klicken und ziehen im Bild dreht das Molekül nach Belieben, die rechte Maustaste öffnet Menüs für fast unbegrenzte weitere Manipulationsmöglichkeiten. Das kann die Ansicht gehörig durcheinanderbringen. Um in den Skripten trotzdem in der vorgesehenen Weise fortfahren zu können, sind die rechteckigen Knöpfe eingeführt: sie bringen die Moleküle in sinnvolle Darstellungen und Orientierungen für die nächsten Schritte oder für Wiederholungen früherer Abschnitte. Wenn innerhalb eines Skriptes die quadratischen Knöpfe nicht der Reihe nach betätigt werden, können unvorhergesehene Dinge passieren (was an meiner Faulheit liegt, nicht alle denkbaren Eventualitäten beim Programmieren zu berücksichtigen).

Darstellung von Proteinen mit Chime

Die meisten Proteinstrukturen werden durch Röngenstrukturanalyse ermittelt. Dabei können Wasserstoffatome nicht abgebildet werden. Alanin kann dann nur abstrakt wie hier links dargestellt werden. Durch Hinzufügen eines zweiten Alaninmoleküls entsteht ein Dipeptid  , ein weiteres führt zum Tripeptid  . Weitere Aminosäuren ergeben ein Pentapeptid  , dessen räumliche Orientierung nicht zufällig ist, sondern durch eine Wasserstoffbrücke fixiert wird (mit der Maus kann man das Molekül jetzt so drehen, daß die Wasserstoffbrücke besser sichtbar wird). Der Vorgang kann weitergeführt werden  , bis ein kurzes Protein entstanden ist. Die Ansicht links führt nun deutlich vor Augen, daß diese Darstellungsart für Proteinmodelle ungeeignet ist, wenn so viele (dabei sind es für ein Protein erst wenige!) Atome beteiligt sind. Um die Übersicht zu behalten, muß weiter abstrahiert werden. Das kann geschehen, indem alle Atome außer den C_alpha jeder Aminosäure weggelassen werden und nur die C_alpha mit "Bindungen" verknüpft werden  . Bei dieser simplifizierten Darstellung wird die Anordnung der Aminosäuren deutlich  : die C_alpha-Atome folgen dem Gang einer rechtshändigen Schraube (lateinisch: Helix). Dieses ist ein häufiges Sekundärstrukturmotiv in Proteinen. Zur Verdeutlichung des Schraubenmotivs (die Schrauben werden unter Proteinologen üblicherweise Helices genannt) in graphischen Darstellungen wurden einige Konventionen festgelegt (die Bezeichnungen stammen aus dem englischen Sprachraum):

cartoon
ribbon
strands
trace

Überlagerung der Aminosäuren

Einblenden der Elektronenwolke

Drehung

Anfangsbild

In Proteinen können Aminosäuren in verschiedenen Mustern von Wasserstoffbrücken angeordnet sein. Außer der Helix ist das Faltblatt verbreitet, in dem die Aminosäuren in Strängen angeordnet sind  . Die Darstellung kann wie bei der Helix vereinfacht und durch entsprechende Symbole dargestellt werden

cartoon
ribbon
strands
trace

Überlagerung der Aminosäuren

Einblendung der Elektronenwolke

Drehung

Anfangsbild

In der cartoon-Darstellung wird die Richtung der Proteinkette sichtbar: die Pfeile zeigen vom Amino- zum Carboxylende des Proteins.
In der formalisierten Darstellung eines Proteins können verschiedene Elemente zur Hervorhebung von Details verwendet werden. So kann z. B. die alternierende Orientierung der Aminosäuren in einem Faltblatt verdeutlicht werden  .

Die bisher vorgeführten Peptide sind Teil eines Proteins, des Enzymes Lysozym. Die Gesamtstruktur ist links gezeigt. Hier gibt es weitere Helices und zu Faltblättern aneinandergelagerte Stränge  , die durch ein Netzwerk von Turns verbunden sind  .

Eine Bemerkung zum Gebrauch von Farben: Die Farben für Atome/Aminosäuren/Proteinketten können vom Autor eines Skripts beliebig gewählt werden. Das Programm hat aber einige Regeln und Vorgaben eigebaut. Atome werden danach entsprechend dem cpk-Schema gefärbt (vor langer Zeit von Corey, Pauling und Kultun eingeführt). Danach ist Kohlenstoff hellgrau, Sauerstoff rot, Stickstoff blau, Wasserstoff weiß, Schwefel gelb, Phosphor orange, Chlor grün usw. Sekundärstrukturelemente haben vorgegebene Farben wie in der Darstellung links. Proteinketten können jedoch auch je nach besonderer Bedeutung eingefärbt werden:

gleichmäßig, zur Unterscheidung von anderen Ketten
Regenbogenfarben zum leichteren Folgen des Verlaufs
entsprechend der Ladung der Aminosäuren
entsprechend anderer Aminosäureeigenschaften
Temperatur, gibt Hinweis auf Beweglichkeit

Anhand des gesamten Proteins kann man die Brauchbarkeit der Darstellungsmethoden beurteilen:

trace
backbone
strands
ribbon
cartoon
raumfüllend

Nucleinsäuredarstellung mit Chime

Die symbolhafte Darstellung von Proteinen läßt sich auch auf Nucleinsäuren übertragen. DNA kann abgebildet werden als

cartoon
backbone
strands
trace
wireframe
ball and stick
raumfüllend
Anfangsbild

Dieses Stück DNA ist Teil eines Komplexes aus DNA mit dem Bindeprotein IHF (integration host factor) aus dem Bakterium Escherichia coli.

Literatur:
Sayle, Roger & Bissell, Andrew: In: Proceedings of the 10th Eurographics UK '92 Conference, University of Edinburgh, Scotland, April 1992 - RasMol: A program for fast realistic rendering of molecular structures with shadows
Casher, Omer et al: J. Chem. Soc., Perkin Trans 2, 1995, 7 - Hyperactive Molecules and the World-Wide-Web Information System
Richardson, Jane S.: Advances in protein chemistry 14 (1981) 167-339 - The anatomy and taxonomy of protein structure