Sulfanilamid (Abbildung 1.1) wird seit 1935 als Antibiotikum verwendet und gehört damit zu den ältesten Antibiotika. Auch heute noch gelangen ähnliche Stoffe, so genannte Sulfonamide, als wirkungsvolle Antibiotika zum Einsatz.
Abb 1.1. Sulfanilamid im Kalottenmodell und als Keil/Strich-Formel¶
Sulfanilamid hindert die Bakterien (Abbildung 1.2) am Wachstum, indem es eines ihrer Enzyme hemmt: die Dihydropteroat-Synthase (DHPS). Dieses Enzym katalysiert einen Zwischenschritt der Folsäuresynthese. Folsäure ist wiederum nötig, um DNS-Bausteine zu synthetisieren. Ohne Folsäure können die Bakterien daher keine neue DNS herstellen und sich daher auch nicht vermehren.
Abb 1.2. Das Antibiotikum Sulfanilamid [1] und der Erreger Staphylocuccus aureus[2]¶
In dieser Aufgabe werden Sie untersuchen, wie das Sulfanilamid dieses Enzym blockiert.
Die Dihydrpteroat-Synthase lässt zwei Substrate miteinander reagieren (Abbildung 1.3):
Aus diesen Substraten entstehen die Produkte 7,8-Dihydropteroat (78H) und Diphosphat (POP):
Abb 1.3. Reaktion der Dihydropteroat-Synthase (DHPS). 6-Hydroxymethylpterin-diphosphat (2PH) und 4-Aminobenzoat (pABA) werden umgesetzt zu 7,8-Dihydropteroat (78H) und Diphosphat (POP)¶
Abbildung 1.4 zeigt das Enzym Dihydropteroat-Synthase (DHPS), wie es seine zwei Substrate bindet (violetter Pfeil). In der linken Abbildung schaut nur das Substrat 4-Aminobenzoat aus dem Protein heraus. Rechts neben dem Protein ist der Inhibitor Sulfanilamid zu sehen (grüner Pfeil). Das Protein wird links als Oberfläche gezeigt, rechts im Cartoon-Modell.
Links in der Abbildung 1.4 sieht man zwar sehr schön, wo sich der Zugang zum reaktiven Zentrum des Enzyms befindet und wie das eine Substrat (pABA) diesen Zugang besetzt. Aber die Einzelheiten im Inneren des Enzyms sind so nicht erkennbar. Für das Binden der Substrate und Inhibitoren sind diese Einzelzeiten aber entscheidend. Daher stellt man die gesamte Struktur eines Proteins meist in der rechts dargestellten Form dar: als Cartoon.
Abb 1.4. Dihydropteroat-Synthase (DHPS) mit den beiden Substraten 6-Hydroxymethylpterin-diphosphat und 4-Aminobenzoat (violetter Pfeil). Zudem erscheint ausserhalb des Enzyms der Inhibitor Sulfanilamid (Grüner Pfeil). a) Lösemittelzugängliche Oberfläche b) Cartoon-Darstellung.¶
Sulfanilamid blockiert dieses Enyzm, indem es eines der beiden Substrate im katalytischen Zentrum verdrängt. Dabei wird das Sulfanilamid sehr stark gebunden und so verbleibt es im Enzym. Letzeres kann dadurch seine Funktion nicht mehr erfüllen.
Tipp: Drucken Sie sich die Anleitung aus (Word- und pdf-Dateien sind zuunterst auf dieser Seite verlinkt). Wenn Sie einen genug grossen Bildschirm haben, können Sie diese Seite auch zwei mal nebeneinander öffnen. Schieben Sie die eine Seite schmal zusammen und machen Sie die andere möglichst breit und scrollen nach unten bis zur interaktiven Abbildung. Auf der schmalen Seite können Sie dann diese Anleitung verfolgen, auf der breiten arbeiten.
Unten auf dieser Seite befindet sich ein interaktives Jmol-Modell des oben beschriebenen Enzyms mit Substrat und daneben dem Inhibitor Sulfanilamid. Ihre Aufgabe besteht darin, den Inhibitor nun so zu platzieren, dass er perfekt an das Enyzm bindet - genau so, wie er es in Wirklichkeit auch tut.
Damit die Aufgabe nicht zu schwierig wird, behelfen Sie sich mit einem Trick. Der Inhibitor bindet im Enzym ja anstelle von einem der beiden Substrate, denn er hat sehr ähnliche Eigenschaften wie dieses Substrat. Auf welche Eigenschaften kommt es dabei wohl an?
Schieben Sie nun also den Inhibitor über das passende Substrat. An dieser Position passt der Inhibitor dann genau ins Enzym, denn hier kann er dieselben Wechselwirkungen eingehen wie das Substrat.
In Abbildung 1.5 sehen Sie oben Sulfanilamid und darunter die beiden Substrate. Die linken Abbildungen zeigen jeweils die (Partial-)Ladungen der Teilchen (positiv: orange bis rot, negativ: cyan bis blau, neutral: grün).
Abb 1.5. Sulfanilamid (1) und die beiden Substrate 4-Aminobenzoat (2) und 6-Hydroxymethylpterin-diphosphat (2)¶
Vergleichen Sie die Substrate mit dem Inhibitor! Welcher Substrat sieht dem Inhibitor ähnlicher?
Lösung
Teilchen 2 (das 4-Aminobenzoat-Ion) ist dem Inhibitor (Teilchen 1) ähnlicher. Es hat eine viel ähnlichere Form. Es weist eine Aminogruppe an einem Benzolring auf - genau wie Sulfanilamid. Etwa dort, wo in Sulfanilamid zwei partiell negativ geladene O-Atome liegen, befinden sich in 4-Aminobenzoat die zwei O-Atome einer negativ geladenen Carboxylatgruppe. Die Ladung ist also ähnlich verteilt und es sind auch dieselben positiven und negativen Wasserstoff-Halbbrücken vorhanden.
Allerdings ist das Substrat 4-Aminobenzoat ein Ion, der Inhibitor Sulfanilamid ein ungeladenes Molekül.
Falls die Abbildung für Ihr Gerät zu gross oder zu klein ist, verändern Sie die Grösse mit den Buttons zuunterst auf der Seite:
Nun ist das Modell bereit für das Docken des Inhibitors. Damit das Protein bei dieser Arbeit nicht stört, machen Sie es am besten unsichtbar. Sie können es danach wieder zuschalten. Dies klappt mit folgendem Button.
Sie können nun die ganze Ansicht drehen, indem sie irgendwo mit der Maus neben die Moleküle klicken und dann ziehen. Die verschiedenen Möglichkeiten der Maussteuerung finden Sie hier.
Schalten sie nun mit dem Button „schieben & drehen“ die Maus- und Touchsteuerung für einzelne Moleküle ein.
Um das Molekül mit der Maus zu verschieben, klicken Sie es nun mit der linken Maustaste an und ziehen es.
Um ein Molekül zu drehen, drücken Sie die [alt] oder [option]-Taste, klicken dann das Molekül mit der linken Maustaste an und bewegen nun die Maus. Um ein Molekül in der Papierebene zu drehen, muss man kreisförmige Bewegungen vollführen.
Um das Molekül auf einem Touchscreen mit den Fingern zu verschieben, verwenden Sie ebenfalls den Button [schieben & drehen], um das Molekül zu drehen, verwenden Sie den Button [nur drehen].
Durch gewisse Ereignisse wird die Steuerung ausgeschaltet. Aktivieren Sie sie dann einfach wieder durch Anklicken des Buttons.
Falls Sie versehentlich das falsche Molekül oder das Protein bewegt haben, können Sie sie mit dem Button [Protein und Substrat zurücksetzen] wieder an die richtige Position zurückschieben und drehen:
Wenn Sie die Moleküle statt mit der Maus lieber mit Tasten steuern, dann hilft Ihnen unten der blaue Balken „Anleitung Maus- und Tastensteuerung“ weiter.
Passen Sie nun den Inhibitor auf dieses Substrat. Überlegen Sie sich zuerst, welches Atom im Substrat dem S-Atom im Inhibitor entspricht.
In den nächsten Schritten schieben Sie das S-Atom des Inhibitors genau an diese Stelle. Danach brauchen Sie den Inhibitor nur noch zu drehen (sein Drehzentrum liegt im S-Atom):
Ziehen Sie nun das S-Atom des Inbitigors genau auf das entsprechende Atom im Substrat. (Erste Zeile in der nachstehenden aufklappbaren Abbildung, die das Vorgehen illustriert, allerdings mit Nitrobenzen statt dem Substrat)
Zentrieren Sie nun das Bild neu
Drehen Sie die Abbildung mit einem der folgenden Knöpfe genau um 90°:
Ziehen Sie das S-Atom des Inhibitors wieder genau an die richtige Stelle und zentrieren Sie das Bild wieder.
Wenn Sie die Abbildung beim vorherigen Schritt genau um 90° gedreht haben, liegt das S-Atom nun bereits genau richtig. Andernfalls müssen sie unter Umständen die vorhergehenden drei Schritte einige Male wiederholen, bis das S-Atom richtig positioniert ist.
Drehen Sie nun den Inhibitor, bis er in korrekter Ausrichtung über dem Substrat liegt: Drücken Sie [alt] bzw. [option], klicken Sie auf das Inhibitor-Molekül, ziehen sie mit der Maus oder und vollführen Sie kleine Kreise. Wenn Sie keine Alt-Taste drücken wollen oder können (z.B. auf einem Tablet), so klicken Sie auf [nur drehen] (statt [schieben & drehen]).
Drehen sie dann die Abbildung erneut und kontrollieren Sie, ob der Inhibitor bereits korrekt liegt.
Abbildung zum Vorgehen
Überprüfen Sie nun Ihre Lösung mit dem gelben Knopf unter der Abbildung [Lösung überprüfen].
Falls die Lösung stimmt: Schalten Sie zuerst das Bewegen des Sulfanilamides aus (damit keine Unfälle passieren…):
Schalten Sie nun die hydrophilen Aminosäuren des katalytischen Zentrums ein. Lassen Sie dann die Wasserstoffbrücken einzeichnen.
Von wie vielen Wasserstoffbrücken wird der Inhibitor im Enyzm fixiert? Von wie vielen Wasserstoffbrücken wird das Substrat im Enzym fixiert? Dokumentieren Sie Ihre Antwort mit Screenshots. Verbessern Sie die Ansicht aber vorher noch mit [Antialiasing]
Mögliche Selektoren: Alle sichtbaren Atome: visible, Aminosäuren der Positionen 199 und 200:199, 200, Protein: protein, Sulfanilamid: SAN, Substrat p-Aminobenzoesäure PAB, Substrat (7,8-Dihydropterin-6-yl)methyl-diphosphat HH2, Wasser: water Histidin oder Wasser: his or water, alle Histidin-Seitenketten der Positionen 60 bis 70: his and 60-70, alle ganzen Aminosäuren (und sonstigen Moleküle), die 5 Å an das Sulfanilamid heranragen: within(group,within(5,san)), bereits ausgewählte Atome: visible.
Atome
| Bindungen |
Proteinhülle
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