QM-MM docking and simulations of FRET [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Frank Rainer Beierlein

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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Naturwissenschaftliche Fakultät II Computer-Chemie-Centrum QM/MM Docking and Simulations of FRET DEN NATURWISSENSCHAFTLICHEN FAKULTÄTEN DER FRIEDRICH-ALEXANDER-UNIVERSITÄT ERLANGEN-NÜRNBERG ZUR ERLANGUNG DES DOKTORGRADES vorgelegt von Frank Beierlein aus Erlangen Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 17.8.2005 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. Häder Erstberichterstatter: Prof. Dr. T. Clark Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Dr. h.c. R. van Eldik Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von September 2001 bis Juni 2005 am Computer-Chemie-Centrum der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Acknowledgements “… I have prefaced these volumes with the names of my authorities. I have done so because it is, in my opinion, a pleasant thing and one that shows an honorable modesty, to own up to those who were the means of one’s achievements …” Adapted from Pliny the Elder, Natural History, Preface. Prof. Dr. Tim Clark Dr. Harald Lanig Prof. Dr. S. Schneider Dipl.-Chem. Olaf Othersen Dipl.-Chem. Anselm Horn Dr. Matthias Hennemann Dr. Gudrun Schürer Dr. Nico van Eikema Hommes Dr. Jana Kurzawa Dipl.-Phys. Dan Thomas Marian Dipl.-Phys. Ciprian Roman Dipl.-Biol. Heike Meiselbach Dipl.-Chem.
Publié le : samedi 1 janvier 2005
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Source : WWW.OPUS.UB.UNI-ERLANGEN.DE/OPUS/VOLLTEXTE/2005/223/PDF/FRANKBEIERLEIN_DISS_ERLANGEN_2005.PDF
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Naturwissenschaftliche Fakultät II
Computer-Chemie-Centrum


QM/MM Docking and Simulations of FRET


DEN NATURWISSENSCHAFTLICHEN FAKULTÄTEN
DER FRIEDRICH-ALEXANDER-UNIVERSITÄT ERLANGEN-NÜRNBERG
ZUR
ERLANGUNG DES DOKTORGRADES


vorgelegt von
Frank Beierlein
aus Erlangen Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg




















Tag der mündlichen Prüfung: 17.8.2005
Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. Häder
Erstberichterstatter: Prof. Dr. T. Clark
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Dr. h.c. R. van Eldik Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von September 2001 bis Juni 2005
am Computer-Chemie-Centrum der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-
Nürnberg. Acknowledgements

“… I have prefaced these volumes with the names of my authorities. I have
done so because it is, in my opinion, a pleasant thing and one that shows an
honorable modesty, to own up to those who were the means of one’s
achievements …”
Adapted from Pliny the Elder, Natural History, Preface.

Prof. Dr. Tim Clark
Dr. Harald Lanig
Prof. Dr. S. Schneider
Dipl.-Chem. Olaf Othersen
Dipl.-Chem. Anselm Horn
Dr. Matthias Hennemann
Dr. Gudrun Schürer
Dr. Nico van Eikema Hommes
Dr. Jana Kurzawa
Dipl.-Phys. Dan Thomas Marian
Dipl.-Phys. Ciprian Roman
Dipl.-Biol. Heike Meiselbach
Dipl.-Chem. Jürgen Bulitta
Cand.-Chem. Marius Kroll
Isabelle Bundesmann
Clark group
Schneider group
HPC support group, RRZE
Eva Beierlein
My parents Karin and Rainer Beierlein
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): SFB 473 and SFB 583
Competence Network for Technical, Scientific High Performance Computing in
Bavaria (KONWIHR)










“Quia occupationibus tuis publico bono parcendum erat, quid singulis
contineretur libris, huic epistulae subiunxi summaque cura, ne legendos eos
haberes, operam dedi. Tu per hoc et aliis praestabis ne perlegant, sed, ut
quisque desiderabit aliquid, id tantum quaerat et sciat quo loco inveniat.”
C. Plinius Secundus, Naturalis Historia, Praefatio Zusammenfassung
In dieser Arbeit werden zwei neue Ansätze aus der Computerchemie
vorgestellt, in denen gemischt quantenmechanische/molekülmechanische
(QM/MM) Verfahren verwendet werden, um tiefere Einblicke in die Struktur und
die Funktion von Protein-Ligand-Komplexen zu erhalten. Außerdem wird
gezeigt, wie umfangreiche Computersimulationen zur Erklärung komplexer
Befunde aus der Proteinspektroskopie verwendet werden können.

QM/MM Docking
Im ersten Teil der Arbeit wird ein kombinierter QM/MM-Docking-Ansatz
vorgestellt, mit dem Protein-Inhibitor-Komplexe untersucht werden. Mit Hilfe des
Docking-Programms AutoDock wird die Bindung kleiner organischer Moleküle
in der Bindetasche von Enzymen vorhergesagt. Hierbei wird der Ligand als
flexibles Molekül behandelt, das Protein ist jedoch starr und es kann keine
konformative Anpassung des Proteins (induced fit) als Reaktion auf die
Ligandbindung erfolgen. Die durch das Docking erhaltenen Strukturen werden
mit semiempirischen AM1 QM/MM-Optimierungen verfeinert. Hierbei wird eine
verbesserte Beschreibung des Bindungsmodus des Liganden erhalten.
Außerdem liefert die quantenmechanische Rechnung eine korrekte
Beschreibung der elektronischen Eigenschaften des Liganden. Durch die
Verwendung einer flexiblen Proteinumgebung bei den QM/MM-Rechnungen
können strukturelle Anpassungen des Enzyms als Reaktion auf die
Ligandbindung (induced fit) sogar im Rahmen einer einfachen
Geometrieoptimierung simuliert werden, und auf den Einsatz teuerer Methoden
(z.B. Moleküldynamik) kann verzichtet werden.
Die Methode wurde mit einem Satz durch Röntgenkristallographie
aufgeklärter Protein-Inhibitor-Komplexe validiert, deren Geometrien aus der
Proteindatenbank (PDB) entnommen wurden. Hierbei wurden auch
Metalloproteine, für die das Dockingprogramm keine Parameter hat, erfolgreich
gedockt. Hierzu wurden die Standard-Kraftfeldparameter um geeignete
Metallparameter ergänzt. Zusätzlich zu den Strukturen von zusammen mit dem
Inhibitor kristallisierten Proteinen wurden auch ligandfrei kristallisierte Strukturen von HIV-1-Protease und Thrombin erfolgreich für Docking-
Experimente verwendet. Durch den Vergleich der erhaltenen Strukturen mit den
Ergebnissen, die unter Verwendung von mit einem Liganden kristallisierten
Proteinstrukturen erhalten wurden, konnte gezeigt werden, daß die Methode
begrenzte konformative Anpassungen eines Enzyms nach Bindung eines
Liganden auch durch einfache Geometrieoptimierungen simulieren kann und in
diesen Fällen auf teurere, rechenzeitintensivere Verfahren verzichtet werden
kann.


Ein Inhibitor der HIV-1-Protease (PDB-Code 3phv), gedockt in das ligandfrei
kristallisierte Enzym. Links: Ergebnis des Dockings mit AutoDock (starre Umgebung).
Rechts: Ergebnis der VAMP QM/MM-Optimierung.

Die quantenmechanische Beschreibung des Liganden liefert ein detailliertes
Bild seiner elektronischen Eigenschaften, z. B. seiner Polarisation durch die
Gruppen im aktiven Zentrum eines Enzyms.

Überlagerung der QM/MM-optimierten Struktur eines HIV-1-Protease-Inhibitors im
aktiven Zentrum des Enzyms mit der entsprechenden Struktur berechnet in der
Gasphase. Das durch die Bindetasche induzierte elektrostatische Potential wurde auf
die van der Waals Oberfläche der Moleküle projiziert. Nur die Extrema sind gezeigt, der
-1Bereich zwischen –1 und +7 kcal mol wurde nicht abgebildet. Der resultierende
induzierte Dipolmomentvektor (1.64 D) wird durch den Pfeil repräsentiert.

Die Ergebnisse der vorgestellten Arbeit weisen darauf hin, daß ein QM/MM-
Moleküldynamik-Ansatz den Effekt des induced fit auch in solchen Fällen
simulieren kann, in denen größere konformative Anpassungen des Enzyms, wie
z. B. das Öffnen einer Bindetasche, erforderlich sind.

Simulationen zum Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET)
Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Studie vorgestellt, mit Hilfe derer die
Ergebnisse zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie der Aminosäure
Tryptophan in Proteinen erklärt werden können. Bei derartigen Messungen wird
häufig mehr als eine Lebensdauer beobachtet, was gewöhnlich mit der Existenz
mehrerer Seitenkettenkonformationen von Tryptophan oder mehrerer Proteinkonformationen erklärt wird („Rotamerenmodell“). In dieser Arbeit wird
das aus zwei Monomeren bestehende Tet-Repressor (TetR)-Protein untersucht,
welches ein interessantes Modellsystem für die Erforschung der Mechanismen
der transkriptionellen Regulation darstellt. In Komplexen des Tet-Repressors
mit Tetracyclin wird häufig Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (Förster-
Energie-Transfer, FRET) von der Aminosäure Tryptophan zum Induktor
Tetracyclin beobachtet.


Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) von Tryptophan 43 (blau) zum
Induktor Tetracyclin (grün). Nur eines der beiden TetR-Monomere ist gezeigt (PDB
Code 2trt).

Die Struktur und Dynamik sowie die spektroskopischen Eigenschaften des
TetR-Tetracyclin-Komplexes werden mit Hilfe eines gemischt
klassischen/quantenmechanischen Verfahrens untersucht. Eine klassische
Moleküldynamik (MD)-Simulation liefert die Eingabegeometrien für
semiempirische QM/MM CI-Rechnungen, die verwendet werden, um die zur
Simulation der spektroskopischen Eigenschaften der relevanten Chromophore
(Tryptophan und Tetracyclin) erforderlichen Größen zu berechnen.

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