Proteinkristallographie
Die Bestimmung der Raumstruktur von Makromolekülen durch Röntgenbeugung ist die wichtigste und erfolgreichste Methode der modernen Strukturbiochemie. In dieser Veranstaltung werden die Grundlagen der Proteinkristallographie von der Erzeugung von Röntgenstrahlen bis hin zur Lösung des kristallographischen Phasenproblems behandelt. Vorkenntnisse der Kristallographie werden nicht vorausgesetzt, die Vorlesung setzt den Schwerpunkt jedoch auf der Strukturbestimmung großer Moleküle.
Inhalt
1. Strukturbiologie
Methoden der Strukturbiologie: Biomolekulare NMR-Spektroskopie; Elektronenmikroskopie, Cryo-EM, Elektronen-Tomographie, Bilderkennungsalgorithmen, Strukturmotive in Proteinen, Faltungstypen
2. Röntgenstrahlen
Entdeckung, Wilhelm Conrad Röntgen, Erzeugung: Röntgenröhren, Drehanoden-Generatoren, Synchrotronstrahlung, Röntgenlaser; experimenteller Aufbau, Optiken und Monochromatoren, Detektoren
3. Kristalle und Symmetrie
Kristallbildung: Phasendiagramm, Nukleations- und Wachstumsphasen, Löslichkeit, Hofmeister-Reihe; Kristallgitter, Elementarzelle, Orthogonalisierung, Kristallsysteme, Zentrierung, Bravais-Gitter, Niggli-Matrix, einfache/gekoppelte/kombinierte Symmetrieoperationen, Punktgruppen, Translationselemente, Raumgruppen, enantionmorphe Raumgruppen
4. Beugung
Max von Laue, Röntgenbeugung, Fouriertransformationen, Reziprokes Gitter, Beugungsbild, Miller'sche Indizes, Interferenz, Laue-Gleichungen
5. Der Reziproke Raum
Netzebenen, Bragg'sches Gesetz, Auflösung einer Kristallstruktur, reziproker Streuvektor, Ewald-Konstruktion, Laue-Gruppen, Friedel's Gesetz, systematische Auslöschungen
6. Strukturfaktoren
Wellenfunktionen im komplexen Zahlenraum, Intensität, Strukturfaktor, Amplituden und Phasen, Fourier-Reihen, Elektronendichtegleichung, Argand-Diagramm, Phasenproblem, Karle und Hauptmann
7. Atomformfaktoren
Modellierung von Atomen, Formfaktoren, Polynomen-Näherung, isotrope und anisotrope Temperaturfaktoren, Problem der Unterdeterminiertheit, Phasenverschiebungen
8. Pattersonfunktion
Elektronendichtegleichung vs. Patterson-Funktion, Symmetrie im Patterson-Raum, Molekularer Ersatz, Rotations- und Translationssuche, Sampling-Problem, Interpolationsfunktion, Pseudo-Ursprungspeaks
9. Substrukturanalysen
Isomorpher Ersatz, Kokristallisation/Soaking, Bestimmung von Schweratompositionen, Derivatisierung, Differenz-Pattersonanalyse, Harker-Schnitte, zentrische/azentrische Reflexe, Crick-Magdoff-Regel
10. Anomale Streuung
Röntgenabsorption, Absorptionskanten, Photoelektrischer Effekt, Röntgenfluoreszenz, XAS / XANES / EXAFS, anomale Dispersion, Experimente: MIR / MAD / SAD, andere Derivatisierungsmethoden
11. Phasierung
Dreiecks-Beziehung, Harker-Konstruktion, Phasen-Wahrscheinlichkeits-Verteilung, lack-of-closure, Hendrickson-Lattmann-Koeffizienten, MAD-Phasierung, direkte Methoden, unitäre/normalisierte Strukturfaktoren, Triplett-Beziehung, Tangensformel
12. Modellbau und Verfeinerung
Darstellung und Interpretation der Elektronendichtefunktion, Strukturmodelle, Dichtemodifikation, solvent flattening, Mittelung, model bias, Verfeinerung, Zielfunktion, restraints, R-Faktoren
Literature
The following is suggested reading on the topic. Relevant for any exam is the content of the lecture.
Bernhard Rupp (2009) Biomolecular Crystallography: Principles, Practice and Application to Structural Biology. Taylor & Francis Ltd.
Albrecht Messerschmidt (2006) X-ray Crystallography of Biomacromolecules: A Practical Guide. Wiley & Sons.
Gale Rhodes (2006) Crystallography made Crystal Clear. Academic Press.
Jan Drenth (2006) Principles of Protein X-ray Crystallography. Springer.
Carl-Ivar Brändén & John Tooze (1999) Introduction to Protein Structure. Garland Publishing Inc.