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dc.contributor.advisor Grubmüller, Helmut Prof. Dr. de
dc.contributor.author Müller, Matthias de
dc.date.accessioned 2012-05-16T12:08:31Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:42Z de
dc.date.issued 2002-02-14 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B605-8 de
dc.description.abstract Das Enzym Acetylcholinesterase (AChE) spielt eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung in cholinergen Synapsen. Ziel dieser Arbeit ist es dazu beizutragen, den katalytischen Mechanismus der AChE auf atomarer Ebene besser verstehen zu können.Das Enzym hydrolisiert ca. 25000 Acetylcholin-Moleküle pro Sekunde und liegt damit nahe am Diffusionslimit. Das aktive Zentrum, die katalytische Triade, liegt am Ende einer ca. 2 nm tiefen Schlucht, der sogenannten active site gorge . Dort wird das Acetylcholin (ACh) in Essigsäure und Cholin gespalten. Bekannt ist, wie das ACh in das aktive Zentrum gelangt. Unbekannt dagegen ist der Mechanismus, wie die Produkte der enzymatischen Reaktion das aktive Zentrum wieder verlassen können. Favorisiert wird zur Zeit das sogenannte back door -Modell, welches besagt, dass die Produkte durch Hintertüren freigesetzt werden, die in Kristallstrukturen des Proteins jedoch bisher nicht beobachtet wurden. Vorangegangene MD-Studien haben kleine scharf voneinander getrennte Pfade vorgeschlagen, die überraschenderweise von biochemischen Mutationsexperimenten widerlegt wurden. Mit der Kraftfeld-basierten Molekular-Dynamik (MD)-Simulationsmethode des conformational flooding (CF) wird in der vorliegenden Arbeit daher eine gezielte Suche nach solchen möglichen Hintertüren in der dynamischen Protein-Matrix durchgeführt. Da Standard-Analyseverfahren bei der Suche nach Hintertüren in den Trajektorien, die man durch CF-Simulationen berechnet, vollkommen überfordert waren, wurde ein Analysewerkzeug ( Pathfinder ) entwickelt, dass eine gezielte Suche nach sterisch möglichen, transient geöffneten Pfaden wählbarer Breite, in den Trajektorien ausführt.Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass eine komplette Region in der Protein-Matrix so flexibel ist, dass die Produkte das aktive Zentrum dort verlassen können, was auch die kontroversen Ergebnisse aus vorangegangenen MD-Studien und den biochemischen Experimenten erklären könnte.Weiterhin ist nicht bekannt, wie die eigentliche Hydrolyse-Reaktion am aktiven Zentrum der AChE auf atomarer Ebene abläuft. Zur Beschreibung dieser enzymatischen Reaktion ist es notwendig, chemische Reaktionen innerhalb heute zugänglicher Simulationszeiten vorhersagen zu können. Für Kraftfeld-basierte Methoden gibt es die Methode des CF, die strukturiert nach Reaktionspfaden, Übergangs- und Produktzuständen suchen kann. Allerdings können mit Kraftfeld-basierten Methoden nicht das Brechen und Schließen von chemischen Bindungen beschrieben werden. Darum wird im zweiten Teil der Arbeit CF auf Dichtefunktional-basierte Methoden, die das Verhalten chemischer Bindungen genau genug wiedergeben können, erweitert. Diese Methode nennen wir chemical flooding . Chemical flooding wird zunächst an zwei harten Systemen, die unerwartete Umlagerungsreaktionen durchführen, getestet Methylencyclopropan und Bicyclopropyliden. Die Methode soll in erster Linie Reaktionswege und Produktzustände finden, liefert aber trotzdem eine grobe Abschätzung für Energiebarrieren.Danach werden erste Vorhersagen für Umlagerungs- und Fragmentierungsreaktionen eines größeren Moleküls, [3]Rotan, gemacht, welches experimentell noch nicht genauer charakterisiert ist. Die Ergebnisse dieser Vorhersagen werden benutzt, um neue Experimente zu planen und gezielt in Reaktionsgemischen nach Produkten dieser Reaktionen zu suchen. Weiterhin können die bestimmten Reaktionswege, Übergangs- und Produktzustände dazu verwendet werden die Energiebarrieren der einzelnen Reaktionen mit quantenmechanisch etablierten theoretischen Methoden zu berechnen.Mit der Entwicklung der Methode des chemical flooding ist nun die Grundlage gelegt, auch enzymatische Reaktionen vorhersagen und theoretisch beschreiben zu können. In nachfolgenden Arbeiten kann dies nun z.B. auf die Acetylcholinesterase angewendet werden. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso ger de
dc.rights.uri http://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyrdiss.htm de
dc.title Molekular-Dynamik-Simulationen zum Katalysemechanismus der Acetylcholinesterase de
dc.title.translated Molecular dynamics simulations towards the catalytic mechanism of acetylcholinesterase de
dc.contributor.referee Neher, Erwin Prof. Dr. de
dc.date.examination 2002-01-30 de
dc.subject.dnb 500 Naturwissenschaften allgemein de
dc.description.abstracteng Acetylcholinesterase plays an important role in the signal transmission in cholinergic synapses. The aim of this work is to obtain a better insight into the catalytic reaction mechanism of this enzyme at the atomic level.The enzyme hydrolyses about 25000 acetylcholine (ACh) molecules per second, and this approaches a rate close to the diffusion limit. The active site is located at the end of a 2 nm deep and narrow gorge, where ACh is hydrolysed into acetate and choline. ACh reaches the active site via this so called active site gorge. The path by which the products leave the active site, however, is unknown. The favoured mechanism for the product clearance of the active site is a back door. Such a back door has not been observed in x-ray structures up to now. Previous MD simulations already suggested well defined back doors but, surprisingly, those have been disproved by biochemical experiments.Therefore, in the first part of the thesis, a systematic search for such a back door is performed. To this aim the force field molecular dynamics simulation (MD) method conformational flooding (CF) is used. Because standard analysis tools failed in finding putative back doors, a new analysis tool (the pathfinder ) was developed to perform a systematic search for sterically possible and transiently open pathways in trajectories obtained from CF simulations.The results suggest that, instead of small sharply defined back doors, there exists a whole flexible region where the products of the catalytic reaction can leave the active site.The second part of this thesis aims at improving existing methods to describe and understand the hydrolysis reaction at the active site of AChE at the atomic level. In particular, a method is required to predict chemical reactions at the nanosecond simulation time scales that are accessible today. The force field based method of conformational flooding provides a systematic search method for reaction pathways, intermediate states and product states. However, force field based methods are not able to describe the breaking and formation of chemical bonds. Therefore, we extended CF to density functional based methods ( chemical flooding ) that can describe the behaviour of chemical bonds to sufficient accuracy. By construction, this method primarily predicts reaction pathways and product states, but it also yields a rough estimate of the activation free energy barrier.The chemical flooding method is first applied to two tough test systems, bicyclopropylidene and methylenecyclopropane, that exihibit surprising rearrangement reactions. Subsequently, predictions of rearrangement and fragmentation reactions were made for a larger molecule, [3]Rotane, that have not yet been characterized experimentally. The results of these predictions have inspired new experiments. Furthermore, the predicted reaction pathways and product states can be used to calculate free activation energy barriers with already established methods.With the development of chemical flooding we provide a tool that should enable future studies of enzymatic reactions like the catalytic reaction of the AChE at the atomic level. de
dc.contributor.coReferee Steinhoff, Heinz-Jürgen PD Dr. de
dc.contributor.thirdReferee Kree, Reiner Prof. Dr. de
dc.subject.topic Mathematics and Computer Science de
dc.subject.ger conformational flooding de
dc.subject.ger chemical flooding de
dc.subject.ger pathfinder de
dc.subject.ger Acetylcholinesterase de
dc.subject.eng conformational flooding de
dc.subject.eng chemical flooding de
dc.subject.eng pathfinder de
dc.subject.eng acetylcholinesterase de
dc.subject.bk 30.99 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1202-0 de
dc.identifier.purl webdoc-1202 de
dc.affiliation.institute Biologische Fakultät inkl. Psychologie de
dc.subject.gokfull RD de
dc.identifier.ppn 343850125

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