Die Rolle von Prolinisomeren - Rationalisierung und Modulation der Funktion von Prolinen
Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden klassische atomistische Molekulardynamiksimulationen verwendet um die cis/trans Isomerisierung von Prolin in Peptiden und Proteinen zu untersuchen. Im Besonderen haben wir eine auf verstärktem Sampling basierte neue Methode entwickelt um den freien Energieunterschied zwischen den Isomeren eines oder mehrerer Prolin-Residuen zu berechnen. Für kleine Modellpeptide, die charakteristisch für eine unstrukturierte Aminosäurekette sind, haben wir exzellente Übereinstimmung mit experimentellen Daten und einer anderen Standardmethode zur freien Energieberechnung gefunden. Für ein Protein jedoch, wo das betroffene Prolin Residuum in einer gefalteten Umgebung vorliegt, war die Standardmethode ungenügend, denn sie führte zu Strukturverlust im Protein und freien Energiewerten die nicht im Einklang mit dem Experiment sind. Im Gegensatz dazu haben wir mit der neuen Methode häufige Übergänge zwischen den Prolin Isomerisierungszuständen beobachtet während die native Proteinstruktur immer erhalten blieb. Die berechneten freien Isomerisierungsenergien waren in sehr guter Übereinstimmung mit den entsprechenden experimentellen Werten. Außerdem war die Effizienz der Methode bemerkenswert – in der Natur findet Prolinisomerisierung auf Zeitskalen von 10-1000 Sekunden statt, weshalb die computergestützte Analyse dieses Prozesses nicht mit atomistischen brute-force Simulationen durchgeführt werden kann. Wir führen den Erfolg unserer Methode auf die Verwendung von verstärktem Sampling zurück, welches in relativ sanfter Weise durch einen kanonischen Austausch von Konfigurationen zwischen Kopien des Systems mit verschiedenen zusätzlichen, speziellen Energiepotentialen erfolgt. Die cis/trans Übergänge werden also nicht durch die mit den standardmäßig verwendeten harmonischen Potentialen assoziierten hohen Kräften erzwungen. Wir haben auch gezeigt, wie man das ganze freie Energieprofil entlang des isomerisierenden Peptidbindungs-Torsionswinkels durch eine Rewichtung von Konfigurationen, die in den verschiedenen Kopien des Systems gesampelt werden, erhalten kann. Somit kann man die freie Energie der Isomerisierungsbarrieren berechnen. Wir denken, dass unsere Methode extrem nützlich ist um die Stabilität von Prolinisomeren in Peptiden und größeren Proteinumgebungen zu untersuchen. Die neuesten Ergebnisse haben gezeigt, dass die Methode besonders dazu geeignet ist, die Korrelation von Prolin Isomerisierungszuständen in Systemen zu untersuchen, wo mehrere Proline vorkommen, die zwischen den cis und trans Zuständen wechseln können. Gegenwärtig werden Analysen durchgeführt um den Einfluss von Prolin Isomerisierungszuständen auf die freie Isomerisierungsenergie von anderen Prolin Residuen in derselben Polypeptidkette und auf die resultierende globale biomolekulare Konformation zu charakterisieren. Wir erwarten neue Einblicke in die mögliche Kopplung zwischen Prolin Isomerisierungszuständen und ihren möglichen Einfluss auf die biomolekulare Struktur.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Free energy calculations in biomolecular simulation: methods and examples; International virtual workshop “Computational Modeling in Chemistry, Biology and Materials – Making it Mainstream”, 24.11.2021, Cochin University of Science and Technology, India
M.M. Reif
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Prolyl cis-trans isomerization investigated with advanced Hamiltonian Replica Exchange Molecular Dynamics; Opening Symposium of the Center for Functional Protein Assemblies, 28.9.2021, Technical University of Munich, Garching, Germany
M. Kienlein; M. Zacharias & M.M. Reif
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Basic scripts to perform and analyze ωBP-REMD simulations
M. Kienlein
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Efficient and accurate calculation of proline cis/trans isomerization free energies from Hamiltonian replica exchange molecular dynamics simulations. Structure, 31(11), 1473-1484.e6.
Kienlein, Maximilian; Zacharias, Martin & Reif, Maria M.
