Investigation of the structure and dynamics of RNA systems by molecular dynamics simulations [Elektronische Ressource] / von Elisabeth Catherina Widjajakusuma

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• Publié par: goethe_universitat_frankfurt_am_main
• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Investigation of the Structure
and Dynamics of RNA Systems
by Molecular Dynamics Simulations
DISSERTATION
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt dem Fachbereich
Biochemie, Chemie und Pharmazie
der Johann Wolfgang GoetheUniversität
in Frankfurt am Main
von
Elisabeth Catherina Widjajakusuma
aus Ujung Pandang (Indonesien)
September 2007
vom Fachbereich Biochemie, Chemie und Pharmazie
der Johann Wolfgang GoetheUniversität als Dissertation angenommen
Dekan: Prof. Dr. Harald Schwalbe
1. Gutachter: Prof. Dr. Gerhard Stock
2. Gutachter: Prof. Dr. Harald Schwalbe
Datum der Disputation: ...............................„Deo Gratias“
(Felix von Cantalic)e Danksagung
Den Herrn, unseren Gott Jesus Christus, möchte ich lobpreisen und ihm für die
Anfertigung dieser Dissertation danken. Er hat mein Leben in Deutschland durch viele
Leute, bei denen ich mich an dieser Stelle ganz herzlich bedanke, reichlich gesegnet.
Ich danke meinem Doktorvater, Prof. Dr. Gerhard Stock für die inte ressante
Aufgabenstellung und die herzliche Aufnahme in seinem Arbeitskreis. D ank sei auch
seiner Betreuung durch konstruktiven Kommentaren und aufbauenden Ermutigunge n.
Ferner wies er mich auf Seminare und ähnlichen Lehrveranstaltungen hin , durch welche
ich meine Kenntnisse ausbauen konnte.
Dr. Alessandra Villa gilt besonderer Dank, weil sie eine sehr gute G esprächpartnerin
in allen Belangen meiner Arbeit war. Inbesondere danke ich ihr für die große Mühe, die
sie sich mit der Korrektur meiner Arbeit gemacht hat, und für die kritis che Durchsicht
meiner Dissertation. Außerdem hat sie mir freundlicherweise ihre Daten und Bilder zum
cUUCGg-Hairpin im Kapitel 4 und 5 zur Verfügung gestellt.
Prof. Dr. Harald Schwalbe und Prof. Dr. Jens Wöhnert danke ich f ür die gute
Zusammenarbeit, besonders für die Bereitstellung von NMR-Daten, mit de nen die
Validerung der MD-Simulationen in dieser Arbeit ermöglicht wurde.
Weiterhin danke ich Dr. Rainer Hefggüre rs eine Unterstützungim Umgang mit
Rechnersystemen.
Mein Dank gilt außerdem de Serkr etärin Frau Claudia Sulevonc ki fürdie Hilfe bei
allen administrativen Tätigkeiten.
Außerdem gilt mein Dank der üfPungsr kommision für die Unterstützung be im
Zustandekommen der Disputation.
Dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) danke ich für den
Sprachkurs (April 2007 bis September 2007), das Stipendium (Oktobe r 2004 bis
September 2007), sowie die interessanten Auflüge. Frau Barbara Schw arz-Bergmann
danke ich für ihre Unterstützung als Ansprechpartnerin von DAAD bei allen Problemen
und Anliegen.
Alle Berechnungen wurden mit Rechnern des Intituts für Physika lische und
Theoretische Chemie der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am M ain und
des Frankfurt Center for Scientific Computing (CSC) durchgeführt. Für deren
Bereitstellung bedanke ich mich sehr.
Bei Tagungsbesuchen hat mich diSFBe 579mit Reisekostenzuschüssen unters tützt.
Auch dafür bedanke ich .mich
Die Katolische Universität Widya Mandala Surabaya, hat mir erlaubt in Deutschland
weiterzustudieren und mir nach der Ruckkehr eine Festanstellung in Indonesien
versichert, wofür ich mich auch besonders bedanke.
Besonders muß ich das sehr gute Arbeitsklima hervorheben. Unter a nderem hat
Jessica mir die jetzige Wohnung in Frankfurt vorgestellt. Roman hat mic h mit seinen
Programmierkenntnissen unterstützt. Bei Sanni und Aleko bedanke ich mic h für die
sprachlichen Korrekturen und für deren immer währende Hilfbereitschaft. Auch Phuong,
Maja, und allen Mitglieder des AK um Prof. Josef Wachtveitl, besonder s Mirka, und
allen Mitglieder des AK Dr. Andreas Dreuw sei für die freundscha ftlich-kollegiale
Zusammenarbeit und deren immer vorhandene Hilfsbereitschaft gedankt.
Das Zusammentreffen so vieler netter Leute hat entscheidend dazu b eigetragen, daß
ich mich in Deutschland sehr schnell einleben konnte. Dem Pfarrer Wolf Schmidt, S.J,
der mein Beichtvater ist, der Gemeinschaft Emmanuel bzw. meine Hausgeme inschaft in
Frankfurt, bestehend aus Gabi und Hugo, Antonia und Ebenhard, François , Claudia und
Thomas, Fransiska, Hajo, Viva, Letiana und Mark, Jean-Hugues, Emilie, und Siglinde
danke ich sehr für die zahlreiche Unterstützung v.a im Gebet. Besondere n Dank gilt an
Felix für die Deutschsprachenkorrektur. Auch danke ich der Gemeinschaf t Emmanuel in
Indonesien, die mich immer in ihren Gebeten aufnahmen und den liebvolle n Anrufen
von Andryani und Christina.
Schlussendlich danke ich meinen Eltern, meiner Schwägerin, meinen Br üdern und
meinen Nichten für deren Liebe in allen Lebenslagen.Content
Danksagung
1 Introduction 1
2 Molecular Dynamics Simulations 9
2.1 Force Fields…..................................................................................... .................10
2.1.1 Bond and angle parameters.......................................................................13
2.1.2 Torsional parameters…………………………………………………….14
2.1.3 van der Waals parameters……………………………………………….16
2.1.4 Electrostatic parameters…………………………………………………17
2.2 Classical Molecular Dynamics Simulations…...……………………...………...18
2.2.1 Periodic boundary conditions….………………………...………….…...20
2.2.2 Temperature and pressure……………………………………………….21
2.2.3 Constraint dynamics ………………………………...……………….….23
2.3 Long-Range Interactions ………………………………………...…..………...23
2.3.1 Reaction field …………………………………………..……………….24
2.3.2 Particle mesh Ewald ……………………………………………..……..25
2.4 Replica Exchange Molecular Dynamics.………………………...………..…....27
2.4.1 Replica exchange method …………………………….……………..….27
2.5 Trajectory Analysis.....……..…….......29
2.5.1 Root mean square deviation .…………………………………………....29
2.5.2 Root mean square fluctuation….…………………………………….….30
2.5.3 Radius of gyration…….………………………………………………...30
2.5.4 Solvent accessible surface…….………………………………………...30
2.5.5 Radial distribution function ……….…………………………………....32
2.5.6 Principal component analysis….………………………………………..34
3 Effect of Electrostatic Treatment and Force Fields on the Conformations of
Small RNA Systems 35
3.1 Simulation of two RNA duplexes…...…………….…………………………....36
3.1.1 Computational details…………………………………...…………........37
,II Introduction
3.1.2 Effect of electrostatic treatments on duplexes…...…..………………….39
3.1.3 Conclusion ………………………………….…………………………..41
3.2 Different AMBER force fields in the investigation of CACG hairpin …...…...42
3.2.1 Computational details …………………………………………………..46
3.2.2 AMBER94, AMBER98 and AMBER99 versus experimental data …....47
3.2.3 Conclusion ……………………………………………………………...62
3.3 Effect of electrostatic treatments on uCACGg hairpin ……………………......63
3.3.1 Computational details ……………………………………………….….63
3.3.2 Reaction field versus PME ……………… …………………..……........64
3.3.3 Comparison of different ion concentrations ………………………….....68
3.3.4 Conclusion …………………………………………………………………....73
4 Structure, Dynamics, and Thermostability of the RNA Hairpins
uCACGg and cUUCGg 75
4.1 Computational details ………………...…...………………………………. ….78
4.1.1 Simulation conditions....…………………...……...…………………….78
4.1.2 Replica-exchange molecular dynamics.…...………………………..…..79
4.1.3 Trajectory analysis …………………………...………..………………..79
4.2 Result and Discussion.………………………………..………..……………….80
4.2.1 Characterization at 300 K ……………………………………………....80
4.2.2 Thermal unfolding …………………………….………………………..84
4.3 Conclusion …...………………………………………..……………………….92
5 Internal motion of RNA hairpins as reflected
by NMR relaxation parameters 95
5.1 Theory and Computational Details..……………………..……………………..97
5.1.1 Molecular dynamics simulations ……..………………..……………….97
5.1.2 NMR relaxation parameters ………..……………..………….………....98
5.1.3 Correlation function ………………..……………..……….………........99
5.1.4 Order parameter …………………...……………………………….….100
5.2 Results and Discussion…………………..…..…………………….…………..101
5.2.1 NMR relaxation parameter of the cUUCGg hairpin .………………….101Introduction III
5.2.2 Order parameters of the cUUCGg hairpin……………………………..105
5.2.3 In