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. 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