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Bioinformatik Grundlagen, Algorithmen, Anwendungen von Merkl, Rainer (eBook)

  • Erscheinungsdatum: 13.04.2015
  • Verlag: Wiley-Blackwell
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Bioinformatik

1 Biologische Grundlagen In denfolgenden Kapiteln beschäftigen wir uns meist mit Algorithmen, die Eigenschaften von Makromolekülen bewerten oder vergleichen. Für das Verständnis der Methoden und Modellierungsansätze benötigen wir einige wenige biologische Grundkenntnisse, die in diesem Kapitel eingeführt werden. Zu den wichtigsten molekularbiologischen Objekten gehören DNA, RNA und Proteine. Dies sind Moleküle, die jeweils aus einer Abfolge kleinerer Bausteine aufgebaut sind. Deren lineare Anordnung kann in Form einer Zeichenkette (Sequenz) angegeben werden. Sequenzen betrachten wir im folgenden Kapitel genauer. Die DNA ist der wichtigste Datenträger in der Molekularbiologie. Es wurden Hochdurchsatzmethoden entwickelt, mit denen die Zusammensetzung der DNA, d. h. deren Sequenz, mit geringem Aufwand und in kürzester Zeit ermittelt werden kann. Deswegen werden mittlerweile bevorzugt Genomsequenzen bestimmt, da aus diesen die Komposition der anderen Makromoleküle abgeleitet werden kann. Die Proteine sind die wichtigsten Grundbausteine aller biologischen Zellen. Sie geben den Zellen oft ihre Struktur und sind in Form von Enzymen wichtige Komponenten der meisten Stoffwechselvorgänge. Die biologische Bedeutung der RNA hat in den letzten Jahren durch neue biochemische Befunde extrem zugenommen. Es ist klar geworden, dass RNA-Moleküle in erheblichem Ausmaß an Regulationsaufgaben beteiligt sind, was lange unbekannt war. Die in vivo Funktion von DNA, RNA und Proteinen kann nur anhand der dreidimensionalen Molekülstruktur komplett verstanden werden. Aufgrund ihrer Vielfalt nimmt im Folgenden die Darstellung von Proteinarchitekturen einen breiteren Raum ein. Nach der Beschreibung typischer 3D-Strukturen beschäftigen wir uns mit einigen Eigenschaften und Prozessen, die in bioinformatischen Algorithmen von Bedeutung sind. Das Kapitel schließt mit einer Definition wichtiger Fachbegriffe. 1.1 DNA Im bioinformatischen Kontext stehen Sequenzen in der Regel für die Abfolge einer kleinen, definierten Menge von Einzelbausteinen. DNA-Sequenzen sind Modelle für Makromoleküle der Desoxyribonukleinsäure (abgekürzt DNS oder DNA), die als fädige Struktur vorliegt. Jeder Strang ist eine Folge von vier Einzelbausteinen (Nukleotide), diese bestehen jeweils aus Abb. 1.1 Raumstruktur der DNA. In der Abbildung ist die Doppelhelix gut zu erkennen. Die basischen Anteile der Nukleotide sind nach innen gerichtet und durch Wasserstoffbrücken verknüpft. Außen verlaufen die Zucker-Phosphat-Anteile der polymerisierten Nukleotide. einemZucker (in der DNA: Desoxyribose) einer der Purin- oder Pyrimidinbasen Adenin, Guanin oder Cytosin, Thymin einem Phosphatrest
In der Zelle kommt DNA üblicherweise in doppelsträngiger Form vor, die eine Doppelhelix bildet. In der Helix stehen sich Nukleotide paarweise gegenüber, wobei nur zwei Paarungen zugelassen sind (siehe Abb. 1.1 und 1.2 ). Wasserstoffbrücken Die Funktion und Struktur von Makromolekülen wird maßgeblich durch Wasserstoffbrücken determiniert. Eine Wasserstoffbrücke ist eine anziehende elektromagnetische Wechselwirkung zwischen einem kovalent in einem Molekül gebundenen Wasserstoff und einem elektronegativen Atom wie Stickstoff oder Sauerstoff. Diese "Bindung" kann im Gegensatz zu einer kovalenten Atombindung mit relativ geringem Energieaufwand gelöst werden. Reverses Komplement Aufgrund des chemischen Aufbaus der Nukleotide hat jeder DNA-Strang beliebiger Länge eine eindeutige Orientierung, mit jeweils einem freien 3'-OH- und einem 5'-OH-Ende. Sequenzen werden nach Übereinkunft stets so geschrieben, dass das 5'-OH Ende links und das 3'-OH-Ende rechts steht. In vivo ist die DNA-Doppelhelix meist zu einem Ring geschlossen, z. B. in Chromosomen oder Plasmiden. Darin sind die be

Produktinformationen

    Format: ePUB
    Kopierschutz: AdobeDRM
    Seitenzahl: 450
    Erscheinungsdatum: 13.04.2015
    Sprache: Deutsch
    ISBN: 9783527685882
    Verlag: Wiley-Blackwell
    Größe: 15747 kBytes
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Bioinformatik

1
Biologische Grundlagen

In denfolgenden Kapiteln beschäftigen wir uns meist mit Algorithmen, die Eigenschaften von Makromolekülen bewerten oder vergleichen. Für das Verständnis der Methoden und Modellierungsansätze benötigen wir einige wenige biologische Grundkenntnisse, die in diesem Kapitel eingeführt werden. Zu den wichtigsten molekularbiologischen Objekten gehören DNA, RNA und Proteine. Dies sind Moleküle, die jeweils aus einer Abfolge kleinerer Bausteine aufgebaut sind. Deren lineare Anordnung kann in Form einer Zeichenkette (Sequenz) angegeben werden. Sequenzen betrachten wir im folgenden Kapitel genauer.

Die DNA ist der wichtigste Datenträger in der Molekularbiologie. Es wurden Hochdurchsatzmethoden entwickelt, mit denen die Zusammensetzung der DNA, d. h. deren Sequenz, mit geringem Aufwand und in kürzester Zeit ermittelt werden kann. Deswegen werden mittlerweile bevorzugt Genomsequenzen bestimmt, da aus diesen die Komposition der anderen Makromoleküle abgeleitet werden kann. Die Proteine sind die wichtigsten Grundbausteine aller biologischen Zellen. Sie geben den Zellen oft ihre Struktur und sind in Form von Enzymen wichtige Komponenten der meisten Stoffwechselvorgänge. Die biologische Bedeutung der RNA hat in den letzten Jahren durch neue biochemische Befunde extrem zugenommen. Es ist klar geworden, dass RNA-Moleküle in erheblichem Ausmaß an Regulationsaufgaben beteiligt sind, was lange unbekannt war.

Die in vivo Funktion von DNA, RNA und Proteinen kann nur anhand der dreidimensionalen Molekülstruktur komplett verstanden werden. Aufgrund ihrer Vielfalt nimmt im Folgenden die Darstellung von Proteinarchitekturen einen breiteren Raum ein. Nach der Beschreibung typischer 3D-Strukturen beschäftigen wir uns mit einigen Eigenschaften und Prozessen, die in bioinformatischen Algorithmen von Bedeutung sind. Das Kapitel schließt mit einer Definition wichtiger Fachbegriffe.
1.1 DNA

Im bioinformatischen Kontext stehen Sequenzen in der Regel für die Abfolge einer kleinen, definierten Menge von Einzelbausteinen. DNA-Sequenzen sind Modelle für Makromoleküle der Desoxyribonukleinsäure (abgekürzt DNS oder DNA), die als fädige Struktur vorliegt. Jeder Strang ist eine Folge von vier Einzelbausteinen (Nukleotide), diese bestehen jeweils aus

Abb. 1.1 Raumstruktur der DNA. In der Abbildung ist die Doppelhelix gut zu erkennen. Die basischen Anteile der Nukleotide sind nach innen gerichtet und durch Wasserstoffbrücken verknüpft. Außen verlaufen die Zucker-Phosphat-Anteile der polymerisierten Nukleotide.

einemZucker (in der DNA: Desoxyribose)
einer der Purin- oder Pyrimidinbasen Adenin, Guanin oder Cytosin, Thymin
einem Phosphatrest
In der Zelle kommt DNA üblicherweise in doppelsträngiger Form vor, die eine Doppelhelix bildet. In der Helix stehen sich Nukleotide paarweise gegenüber, wobei nur zwei Paarungen zugelassen sind (siehe Abb. 1.1 und 1.2 ).

Wasserstoffbrücken Die Funktion und Struktur von Makromolekülen wird maßgeblich durch Wasserstoffbrücken determiniert. Eine Wasserstoffbrücke ist eine anziehende elektromagnetische Wechselwirkung zwischen einem kovalent in einem Molekül gebundenen Wasserstoff und einem elektronegativen Atom wie Stickstoff oder Sauerstoff. Diese "Bindung" kann im Gegensatz zu einer kovalenten Atombindung mit relativ geringem Energieaufwand gelöst werden.

Reverses Komplement Aufgrund des chemischen Aufbaus der Nukleotide hat jeder DNA-Strang beliebiger Länge eine eindeutige Orientierung, mit jeweils einem freien 3'-OH- und einem 5'-OH-Ende. Sequenzen werden nach Übereinkunft stets so geschrieben, dass das 5'-OH Ende links und das 3'-OH-Ende rechts steht. In vivo ist die DNA-Doppelhelix meist zu einem Ring geschlossen, z. B. in Chromosomen oder Plasmiden. Darin sind die be

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