Investigation of the dynamic nature of proteins with enhanced sampling techniques

In dieser Arbeit werden zwei Aspekte der dynamischen Natur von proteinen mit Hilfe von Enhanced Sampling Methoden untersucht. Zunächst wurden Mikrosekunden-Molekulardynamiksimulationen von Harzianin HK VI (HZ) in Wechselwirkung mit einer Dimyristoylphosphatidylcholin-Doppelschicht unter der Bedingung eines niedrigen Peptid-zu-Lipid Verhältnisses durchgeführt. Zwei Orientierungen des HZ-Moleküls in der Doppelschicht wurden gefunden und charakterisiert. In der Ausrichtung senkrecht zur Doppelschicht-Oberfläche induziert HZ eine lokale Ausdünnung der Doppelschicht. Wird HZ parallel zu seiner Oberfläche in die Doppelschicht eingesetzt, befindet es sich nahezu vollständig im hydrophoben Bereich der Doppelschicht.
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Eine ausgedehnte Sampling lieferte qualitative Ergebnisse und zeigte, dass die letztgenannte Orientierung ein globales Minimum der freien Energie ist. Die sekundäre Struktur von HZ wurde charakterisiert, und es wurde festgestellt, dass sie sich in der 3_10-helikalen Familie befindet.
Zweitens wurde die Thiol-Disulfid-Austauschreaktion in Modellsystemen und kleinen Peptiden mit Hilfe eines kombinierten QM/MM-Metadynamikschemas untersucht. Die freien Energielandschaften dieser Systeme wurden generiert, und liefern die Strukturen von Reaktanden und Produkten mit atomaren Details, sowie die Höhen der freien Energiebarrieren (oder Aktivierungsenergien), die dem spontanen Austausch entgegenwirken. Ein QM/MM-Schema mit rein klassischem Wasser erwies sich als effiziente und präzise Kompromisslösung.
Die Berechnungen ergaben den erwarteten symmetrischen Trisulfid-Übergangszustand und seine Struktur und Energiebarriere waren für die intramolekularen Thiol-Disulfid-Reaktionen in Modellpeptiden sehr ähnlich. Während CXC-Disulfidbindungen als sterisch ungünstig eingestuft wurden, wurde CXXC gegenüber längerfristigen Disulfidbindungen entlang des Peptidrückgrats bevorzugt, was der hohen Häufigkeit von CXXC-Motiven in Redox-Proteinen entspricht. Eine direkte Anwendung auf ein reales Protein wurde ebenfalls in Form von Force-Clamp Simulationen durchgeführt. Das Protokoll ermöglichte die Simulation der Disulfidbindungsisomerisierung in einem einzelnen Protein und reproduzierte die in einem AFM-Experiment beobachtete Regioselektivität.

In this work two aspects of the dynamic nature of proteins are investigated using enhanced sampling techniques.
Firstly, microsecond molecular dynamics simulations of harzianin HK VI (HZ) interacting with a dimyristoylphosphatidylcholine bilayer were performed at the condition of low peptide-to-lipid ratio. Two orientations of HZ molecule in the bilayer were found and characterized. In the orientation perpendicular to the bilayer surface, HZ induces a local thinning of the bilayer. When inserted into the bilayer parallel to its surface, HZ is located nearly completely within the hydrophobic region of the bilayer. ... mehrAn extended sampling simulation provided qualitative results and showed the latter orientation to be a global minimum of free energy.
The secondary structure of HZ was characterized, and it was found to be located in the 3_10 -helical family.
Secondly, the thiol–disulfide exchange reaction in model systems and small peptides was investigated by means of a combined QM/MM metadynamics scheme. The free energy landscapes of these systems were generated, providing the structures of reactants and products with atomic detail, as well as the heights of free energy barriers (or, activation energies) opposing the spontaneous exchange. A QM/MM scheme with purely classical water turned out to be an efficient and accurate compromise solution. The calculations yielded the expected symmetric trisulfide transition state, and its structure and energy barrier were very similar for the intramolecular thiol–disulfide reactions in model peptides. While CXC disulfide bonds were found sterically unfavorable, CXXC were favored over longer-range disulfide bonds along the peptide backbone, in line with the high abundance of CXXC motifs in redox proteins. A direct application in a real protein was also performed through force-clamp simulations. The protocol allowed for simulation of the disulfide bond isomerization in a single protein, reproducing the regioselectivity observed in an AFM experiment.