Estimating Orientational Water Entropy at Protein Interfaces

Fengler, Stephanus Michael

dc.contributor.advisor	Grubmüller, Helmut Prof. Dr.	de
dc.contributor.author	Fengler, Stephanus Michael	de
dc.date.accessioned	2012-02-09T15:32:49Z	de
dc.date.accessioned	2013-01-18T13:38:55Z	de
dc.date.available	2013-01-30T23:51:11Z	de
dc.date.issued	2012-02-09	de
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B546-D	de
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2854
dc.description.abstract	Die Entropie von Lösungsmitteln trägt einen entscheidenden Beitrag zur Stabilität von Faltungszuständen von Proteinen bei. In molekulardynamischen Simulationen jedoch lässt sich dieser Beitrag nur schwer bestimmen. Die Gründe dafür sind die schlechte Konvergenz des Samplings im Phasenraum, da das Lösungsmittel viele verschiedene aber energetisch gleichwertige Zustände besitzt, und da die Dimensionalität des Phasenraums rasch mit der Anzahl der Moleküle ansteigt. Um das Problem der Konvergenz in den Griﬀ zu bekommen, wurde das Sampling aller Moleküle mit Hilfe von Permutationen verbessert. Da bei einer bestimmten Wahl der Permutationen die Moleküle so aufeinander abgebildet werden, dass ihre Trajektorien lokalisiert werden, ohne die Physik des Systems zu ändern, ergibt sich eine ortsaufgelöste Information über die Entropie des Systems. Als Näherung der Gesamtentropie wurde eine Entwicklung in Transinformationstermen angewendet. Hierbei wird das System in Subsysteme niedrigerer Dimensionalität zerlegt, auf denen die Entropie und Transinformation bestimmt wird. Insbesondere wird damit das System in die Entropiebeiträge Translationsentropie und Rotationsentropie vom Wasser und Proteinentropie zerteilt. Für die Bestimmung der Rotationsentropie des Wassers wurde eine parameterfreie Nächste-Nachbar-Methode an den gekrümmten Raum der Drehgruppe SO(3) angepasst, der auch Effizient in höheren Dimensionen des Tensorproduktraumes SO(3)xSO(3) arbeitet. Die entwickelte Methode zur Bestimmung der Rotationsentropie wurde an bekannten Verteilungen wie auch Simulationen von Wasser ausführlich getest. Anwendung fand sie dann bei der Bestimmung der Rotationsentropie von Wassermolekülen an der Proteinoberﬂäche von Crambin (PDB-Code: 1cbn).	de
dc.format.mimetype	application/pdf	de
dc.language.iso	eng	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/	de
dc.title	Estimating Orientational Water Entropy at Protein Interfaces	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Schätzung der Rotationsentropie von Wassermolekülen an Proteinoberflächen	de
dc.contributor.referee	Grubmüller, Helmut Prof. Dr.	de
dc.date.examination	2011-02-24	de
dc.subject.dnb	530 Physik	de
dc.description.abstracteng	The entropy of solvents significantly contributes to the stability of the native state of proteins. However, obtaining solvent entropies from molecular dynamics simulations remains a computational challenge. Reasons for this are first, that the phase space of solvent molecules poorly converges because they sample a shallow free energy basin. Second, its dimensionality rapidly grows with the number of molecules. To address the problem of phase space convergence, we apply the recently introduced approach of permutation reduction. Further, this method maps water molecules such that their resulting trajectories are restricted to a small region of space around a reference position without changing the physics of the ensemble. For density estimation, we adapted the efficient nearest neighbor (NN) method to the curved space of orientations. The NN method is entirely nonparametric and efficient on high-dimensional manifolds. For approximation of the total entropy, we apply the mutual-information expansion (MIE). The MIE is a systematic expansion of the entropy in mutual information terms by splitting the phase space into subsystems with reduced dimensionality. Orientational entropies of water molecules are estimated by the combination of these methods. Well-converged and spatially resolved many-body correlations of higher order are captured. The developed method was tested on specific distributions of orientations, the correlated orientations of water molecules from a pure water box, and the correlated orientations of water molecules around the small globular protein Crambin.	de
dc.contributor.coReferee	Zippelius, Annette Prof. Dr.	de
dc.contributor.thirdReferee	Abel, Bernd Prof. Dr.	de
dc.subject.topic	Physics	de
dc.subject.ger	Transinformation	de
dc.subject.ger	Entropie	de
dc.subject.ger	Wasser	de
dc.subject.ger	Orientierung	de
dc.subject.ger	Rotation	de
dc.subject.eng	Mutual Information Expansion	de
dc.subject.eng	Entropy	de
dc.subject.eng	Water	de
dc.subject.eng	Rotation	de
dc.subject.eng	Orientation	de
dc.subject.bk	33.06	de
dc.subject.bk	42.12	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3365-7	de
dc.identifier.purl	webdoc-3365	de
dc.affiliation.institute	Fakultät für Physik	de
dc.subject.gokfull	RDH 100: Computer in der Physik {Mathematische Physik}	de
dc.subject.gokfull	WC 000: Biophysik	de
dc.identifier.ppn	726656968	de

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Fakultät für Physik (inkl. GAUSS) [926]

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