Folding Funnel Rädler / Mathias 45 SS2011

Transkript

1 Folding Funnel 45

2 Proteinfaltung am Computer Snow/Pande: Folding at home Molekulardynamik Simulationen Integration Newtonscher Bewegungsgleichungen Kraftfeld für kovalente Bindungen Elektrostatische Wechselwirkungen, atomare Parialladungen Van-der-Waals Wechselwirkungen Implizites Lösungsmittel?!? Oberflächenabhängiger Entropieterm Kontinuumselektrostatik 47

3 Molekular-Dynamik Rechnungen

4 Proteinfaltung am Computer Snow/Pande: Folding at home Pande et al,biopolymers, Vol. 68, (2003) 2002 Wiley Periodicals, Inc. 49

5 A detailed analysis of a folding trajectory of the -hairpin from the C- terminal segment of protein G. (a) Cartoon representation of the folding trajectory; the backbone of the peptide is represented as a gray trace; the core hydrophobic residues (Trp43, Tyr45, Phe52, Val54) are shown in dot representation; (b) RMSD from the 1GB1 structure of the hairpin (residues 43 54), radius of gyration, and the number of backbone backbone hydrogen bonds; (c) distance between key hydrogen bonding partners (green: Trp43 Val54; red: Tyr45 Phe52), and the minimum distance between Trp43 and Phe52 (black). Note that the minimum distance between Trp43 and Phe52 reaches its final value before the key hydrogen bonds are established; (d) solvation energy (Esolvation), charge charge energy (Echarge), and total potential energy vs time. The initial hydrophobic collapse of the unfolded peptide correlates with a sharp decrease in Etotal, while the attainment of the final structure correlates with Etotal reaching its final value. A significant deviation around G160 of Echarge and Esolvation from their final value is correlated with the temporary breaking of the key Tyr45 Phe52 hydrogen bond; (e) a concise summary of the key events along the folding trajectory (color code: yellow high; violet low). HB-ij denotes the distance between the hydrogen bonding partners i and j; min-kl denotes the minimum distance between residues k and l. Note that the establishment of the hydrophobic Trp43 Phe52 interaction is the earliest event of significance along the trajectory. Time is reported in the number of generations: roughly, 1 generation corresponds to 100 processors 0.1 ns/generation/processor 10 ns/generation. Pande et al,biopolymers, Vol. 68, (2003) 2002 Wiley Periodicals, Inc. 50

6 Freie Energielandschaft Pande et al,biopolymers, Vol. 68, (2003) 2002 Wiley Periodicals, Inc. 51

7 Faltungszeiten Pande et al,biopolymers, Vol. 68, (2003) 2002 Wiley Periodicals, Inc. 52

8 Aber... Explizite Behandlung des Lösungsmittels ist notwendig zur genauen Beschreibung entropischer Effekte. Simulationszeiten (10 ns ns) sind für viele Faltungsschritte zu kurz. Entwicklung 'smarter' Algorithmen beschleunigtes Abtasten 53

9 Algorithen für beschleunigtes Abtasten Methadynamik, conformational Flooding Auffüllen der freien Energiefläche durch zeitabhängiges Zusatzpotential Zusatzpotential ergibt am Simulationsende einen Negativabdruck der freien Energielandschaft. Replica Exchange, Simulated Tempering Simulation bei unterschiedlichen Temperaturen Wechsel der Temperaturen zur Überquerung freier Energiebarrieren 54

10 Beispiel: Helixfaltung in Wasser explizites Lösungsmittel Replica Exchange: Variation der Temperatur 55

11 56

12 57

13 Schmelzkurve der α-helix R. Reichhold, Dissertation LMU

14 Protein in Funktion: Enzymatische Katalyse und Signaltransduktion von RAS Proteinen 59

15 Schubbert et al, Nature Reviews Cancer 7, 295 (2007) 60

16 Schubbert et al, Nature Reviews Cancer 7, 295 (2007) 61

17 Schubbert et al, Nature Reviews Cancer 7, 295 (2007) 62

18 Schubbert et al, Nature Reviews Cancer 7, 295 (2007) 63

19 GTP/Mg 2+ in RAS 64

20 Geladene (rot/blau), polare (grün) und apolare (weiß) AS in RAS 65

21 Glyzin (weiß) und Prolin (violett) terminieren Sekundärstrukturelemente 66

22 P-Loop (blau) und Switch I+II(gelb/orange) im Vergleich zum Signalzustand RAS/GTP (rot) 67

23 Schubbert et al, Nature Reviews Cancer 7, 295 (2007) 68

24 GTP Hydrolyse in Wasser (Rechnung) 69

25 Übergangsstruktur 70

26 Bindung des Wassermoleküls mit Protonentransfer 71

27 Bindungstasche im Signalzustand RAS/GTP mit Kristallwasser (grün) Hydrolysewasser GTP Erkennung 72

28 Experimentell: Zeitaufgelöste-FTIR Kötting et al, PNAS 105, 6260 (2008) 73

29 Reaktionsschritte und Raten Kötting et al, PNAS 105, 6260 (2008) 74

30 Reaktionsmodell Kötting et al, PNAS 105, 6260 (2008) 75

31 Freie Energieänderung der Reaktion Kötting et al, PNAS 105, 6260 (2008) 76

32 RAS (blau)/ GAP (rot) nach der Hydrolyse Argenin Finger GDP AlF 3- (ersetzt im Kristall H 2 PO 4- ) 77

33 RAS (blau)/ GAP (rot) interface mit Kristallwasser (grün) 78