Thermodynamic driving forces in protein regulation studied by molecular dynamics simulations

Abstract

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.