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Bioinformatik von Rauhut, Reinhard (eBook)

  • Erscheinungsdatum: 22.05.2012
  • Verlag: Wiley-Blackwell
eBook (ePUB)
69,99 €
inkl. gesetzl. MwSt.
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Bioinformatik

1

Sequenzen

1.1 Der Evolutionsverlauf des Planeten Erde, die molekulare Evolution biologischer Systeme und die Suche nach Ähnlichkeiten

Die komparative Analyse ist in der Biologie ein seit langem eingesetztes Mittel, Entdeckungen zu machen. Wurden anfangs Morphologien ganzer Organismen verglichen, vergleichen wir heute Sequenzen. Das Ergebniss einer Suche nach Ähnlichkeiten zwischen zwei oder mehreren Sequenzen, nach Homologien, wird gewöhnlich in Form eines "sequence alignment" dargestellt. Dabei wird eine distinkte Beziehung zwischen den Positionen zweier oder mehrerer Nukleinsäure- bzw. Proteinsequenzpositionen hergestellt, die untereinander im Alignment stehen (siehe z.B. Abb. 1.59 ). Die auf diese Weise erkennbar gemachten Ähnlichkeiten bzw. Abweichungen lassen dann Schlüsse auf strukturelle, funktionelle und evolutionäre Beziehungen zu. Ein Alignment hat also das Ziel, erkennbar zu machen, ob zwei Sequenzen hinreichend ähnlich sind (Ähnlichkeit, similarity , ist eine quantifizierbare Größe, z.B. ausgedrückt als % Identität zweier Sequenzen), so daß man das Vorliegen einer Homologie annehmen kann. ( homology ist also der Schluß, der aus dem Vergleich der beiden Sequenzen gezogen wird.) Zwei Gene sind entweder homolog, oder sie sind es nicht. Korrekt gesprochen, gibt es Grade von Ähnlichkeit (similarity) aber nicht von Homologie (homology). Hinter "Alignments" steht also der Gedanke, daß evolutionär verwandte Proteine Sequenzähnlichkeit zeigen. Inwieweit dies dann auch für Struktur und Funktion gilt, wird im folgenden zu diskutieren sein.

Zunächst müssen wir uns ansehen, wie der Evolutionsverlauf auf dem Planeten Erde aussah und in welchen Zeitdimensionen Sequenzen evozierten ( Abb. 1.1 ). Bemerkenswert ist, daß distinkte Organismenformen sich bereits zu einem Zeitpunkt von -3,5 Milliarden Jahren nachweisen lassen, also zu einem Zeitpunkt, der tief in die Geschichte des jungen Planeten zurückreicht und weit vor den klassischen geologischen Epochen liegt (siehe Webversion [ www.sciencemag.org/ ] von A. H. Knoll, A new molecular window on early life. Science 1999, 285: 1025-1026). Vorläufer in Form von mehr oder weniger effizienten selbstreplizierenden Molekülsystemen müssen daher bereits viel früher vorhanden gewesen sein. Selbstreplizierende Molekülsysteme sind vielleicht bereits 300.000 Jahre nach Ausbildung einer festen Planetenoberfläche entstanden. Diese frühen Formen von Leben bestanden, wie eine attraktive Theorie annimmt, aus reinen RNA Systemen, in denen RNA sowohl Informationsmolekül als auch katalytisch kompetentes Molekül war ( Abb. 1.2 ). Walter Gilbert prägte 1986 hierfür den Begriff der RNA World . Es war stets eine wichtige Annahme bei der Modellbildung einer frühen RNA-Evolution, daß Translation ein RNA-katalysierter Prozeß ist. Gerade diese Annahme wurde durch Nissen et al. im Jahre 2000 belegt ( Science , 289: 920-930). Diesen Autoren gelang es, den lange vermuteten Ribozym-Charakter des Ribosoms nachzuweisen. Vielleicht waren Protoribosomen in einer frühen Evolutionsphase reine RNA-Körper. Wiederum ein Hinweis auf die inhärente Eigenschaft von Materie, sich als selbstreplizierendes Informations/Katalyse-System zu organisieren.

1.1 In diesem Diagramm sind die wichtigsten Ereignisse der Biologie und der Chemie belebter Materie in den 4,5 Milliarden Jahren der Existenz des Planeten Erde zusammengefaßt. Das linke Diagramm beschreibt die Entwicklung der Atmosphäre, das mittlere die Evolution der chemischen und biologischen Vorgänge, die zu den heute beobachteten Organismen führten, während rechts die Phasen der jüngsten Geologie und einiger biologischer Schlüsselereignisse in ihnen beschrieben sind. Signifikant ist das extrem frühe Erscheinen komplexer biologischer Systeme in der Erdgeschichte, entsprechend la

Produktinformationen

    Format: ePUB
    Kopierschutz: AdobeDRM
    Seitenzahl: 298
    Erscheinungsdatum: 22.05.2012
    Sprache: Deutsch
    ISBN: 9783527663262
    Verlag: Wiley-Blackwell
    Größe: 8906kBytes
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Bioinformatik

1

Sequenzen

1.1 Der Evolutionsverlauf des Planeten Erde, die molekulare Evolution biologischer Systeme und die Suche nach Ähnlichkeiten

Die komparative Analyse ist in der Biologie ein seit langem eingesetztes Mittel, Entdeckungen zu machen. Wurden anfangs Morphologien ganzer Organismen verglichen, vergleichen wir heute Sequenzen. Das Ergebniss einer Suche nach Ähnlichkeiten zwischen zwei oder mehreren Sequenzen, nach Homologien, wird gewöhnlich in Form eines "sequence alignment" dargestellt. Dabei wird eine distinkte Beziehung zwischen den Positionen zweier oder mehrerer Nukleinsäure- bzw. Proteinsequenzpositionen hergestellt, die untereinander im Alignment stehen (siehe z.B. Abb. 1.59 ). Die auf diese Weise erkennbar gemachten Ähnlichkeiten bzw. Abweichungen lassen dann Schlüsse auf strukturelle, funktionelle und evolutionäre Beziehungen zu. Ein Alignment hat also das Ziel, erkennbar zu machen, ob zwei Sequenzen hinreichend ähnlich sind (Ähnlichkeit, similarity , ist eine quantifizierbare Größe, z.B. ausgedrückt als % Identität zweier Sequenzen), so daß man das Vorliegen einer Homologie annehmen kann. ( homology ist also der Schluß, der aus dem Vergleich der beiden Sequenzen gezogen wird.) Zwei Gene sind entweder homolog, oder sie sind es nicht. Korrekt gesprochen, gibt es Grade von Ähnlichkeit (similarity) aber nicht von Homologie (homology). Hinter "Alignments" steht also der Gedanke, daß evolutionär verwandte Proteine Sequenzähnlichkeit zeigen. Inwieweit dies dann auch für Struktur und Funktion gilt, wird im folgenden zu diskutieren sein.

Zunächst müssen wir uns ansehen, wie der Evolutionsverlauf auf dem Planeten Erde aussah und in welchen Zeitdimensionen Sequenzen evozierten ( Abb. 1.1 ). Bemerkenswert ist, daß distinkte Organismenformen sich bereits zu einem Zeitpunkt von -3,5 Milliarden Jahren nachweisen lassen, also zu einem Zeitpunkt, der tief in die Geschichte des jungen Planeten zurückreicht und weit vor den klassischen geologischen Epochen liegt (siehe Webversion [ www.sciencemag.org/ ] von A. H. Knoll, A new molecular window on early life. Science 1999, 285: 1025-1026). Vorläufer in Form von mehr oder weniger effizienten selbstreplizierenden Molekülsystemen müssen daher bereits viel früher vorhanden gewesen sein. Selbstreplizierende Molekülsysteme sind vielleicht bereits 300.000 Jahre nach Ausbildung einer festen Planetenoberfläche entstanden. Diese frühen Formen von Leben bestanden, wie eine attraktive Theorie annimmt, aus reinen RNA Systemen, in denen RNA sowohl Informationsmolekül als auch katalytisch kompetentes Molekül war ( Abb. 1.2 ). Walter Gilbert prägte 1986 hierfür den Begriff der RNA World . Es war stets eine wichtige Annahme bei der Modellbildung einer frühen RNA-Evolution, daß Translation ein RNA-katalysierter Prozeß ist. Gerade diese Annahme wurde durch Nissen et al. im Jahre 2000 belegt ( Science , 289: 920-930). Diesen Autoren gelang es, den lange vermuteten Ribozym-Charakter des Ribosoms nachzuweisen. Vielleicht waren Protoribosomen in einer frühen Evolutionsphase reine RNA-Körper. Wiederum ein Hinweis auf die inhärente Eigenschaft von Materie, sich als selbstreplizierendes Informations/Katalyse-System zu organisieren.

1.1 In diesem Diagramm sind die wichtigsten Ereignisse der Biologie und der Chemie belebter Materie in den 4,5 Milliarden Jahren der Existenz des Planeten Erde zusammengefaßt. Das linke Diagramm beschreibt die Entwicklung der Atmosphäre, das mittlere die Evolution der chemischen und biologischen Vorgänge, die zu den heute beobachteten Organismen führten, während rechts die Phasen der jüngsten Geologie und einiger biologischer Schlüsselereignisse in ihnen beschrieben sind. Signifikant ist das extrem frühe Erscheinen komplexer biologischer Systeme in der Erdgeschichte, entsprechend la

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