Molekulardynamische Studien zu thermodynamischen Triebkräfte von Proteinregulierung

Es wird zunehmend klar, daß die alte Sichtweise, Proteine existierten im Gleichgewicht zwischen diskreten Konformationszuständen, nicht immer hilfreich ist. Experimentelle Resultate aus vielerlei Disziplinen, besonders NMR, weisen darauf hin, daß Proteine eher als komplexe statistische Ensembles betrachtet werden müssen. Von einem thermodynamischen Standpunkt aus ist die Hauptfrage, ob und wie die funktionalen Eigenschaften eines Proteins mit der Zustandsverteilung innerhalb dieser Ensembles zusammenhängen; und wie eine Änderung der Umgebungsbedingungen, z.B. Protein- oder Ligandenbindung oder äußere Kräfte, diese Verteilung beeinflußt und die Wirkungsweise des Proteins verändert. Innerhalb dieses konzeptionellen Rahmens beabsichtigt vorliegende Arbeit, die Antwort zweier unterschiedlicher Klassen von Proteinen auf veränderte äußere Parameter mit Hilfe von atomistischen Molekulardynamiksimulationen (MD) zu charakterisieren: Erstens die Reaktion von Titinkinase auf äußere Krafteinwirkung, und zweitens die allosterische Reaktion von Pyruvatkinase auf Ligandenbindung.Die Untersuchungen dieser Dissertation ergaben auf atomarer Ebene Einblicke in die Regulierungsmechanismen von Proteinen. Ergänzt durch experimentelle Ergebnisse aus Rasterkraftmikroskopie, Kalorimetrie und Kristallographie trugen unsere Simulationen maßgeblich zum Verständnis von Proteinfunktion vermittels Proteindynamik bei.Desweiteren wurde zur besseren Quantifizierung von (Änderungen von) Protein- und allgemein Makromoleküldynamik im Rahmen dieser Dissertation eine neue nichtparametrische Methode zur Berechnung von Konfigurationsentropien entwickelt.It is becoming increasingly clear that the old view of proteins exisiting in equilibrium between discrete conformational states is not always helpful. Experimental results from a wide range of disciplines, in particular from NMR experiments, indicate that proteins need to be viewed as complex statistical ensembles. From a thermodynamic point of view, the major question of protein science is whether and how a protein's functional properties are related to the distribution of states within this ensemble, and how a change in environmental conditions, e.g., protein or ligand binding/unbinding, or external force, aff ect this distribution and alter function. Within this framework, the present thesis aims at characterizing by means of atomistic molecular dynamics simulation (MD) the dynamic and functional response of two di fferent classes of proteins to changed external parameters; titin kinase's response to external force, and the allosteric response to ligand binding of the two allosterically regulated proteins calmodulin and pyruvate kinase. The investigations of this thesis yielded insights into protein regulation on the atomic scale. Complemented with experimental results, such as force extension curves, calorimetric measurements and crystallographic studies, our simulations signicantly contributed to the understanding of protein function in terms of underlying protein dynamics. Furthermore, to quantify (changes of) protein dynamics, and of complex macromolecules in general, we developed and applied a new non-parametric method for the estimation of congurational entropies of proteins