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.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1288 | |
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.type | doctoralThesis | |
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 | |