velikost textu

Computational study of short peptides and miniproteins in different environments

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Computational study of short peptides and miniproteins in different environments
Název v češtině:
Výpočetní studie krátkých peptidů a miniproteinů a vliv prostředí na jejich konformaci.
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Jiří Vymětal, Ph.D.
Školitel:
RNDr. Jiří Vondrášek, CSc.
Oponenti:
doc. Daniel Svozil, Ph.D.
RNDr. Mgr. Karel Berka, Ph.D.
Id práce:
90531
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
Program studia:
Modelování chemických vlastností nano- a biostruktur (P1415)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
16. 9. 2014
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
metadynamika, peptidy, konformace, výpočetní metody, protein
Klíčová slova v angličtině:
metadynamics, peptides, conformation, computational methods, protein
Abstrakt:
Abstrakt Peptidy, kromě své biologické funkce, představují take důležité modely nesbalených, de- naturovaných nebo nestrukturovaných proteinů. Pobobně důležitými modely pro exper- imentální i teoretické studium sbalování proteinů jsou miniproteiny, jako např. Trp- cage. Chování peptidů i proteinů lze studovat v počítačových simulacích pomocí metod molekulární dynamiky, které umožnují sledovat děje v atomistickém rozlišení. Tyto metody však čelí však dvěma zásadním problémům – přesnosti používaných energetick- ých funkcí a nedostatečnému vzorkování konformačních stavů. V této disertaci jsem se zabýval oběma okruhy problémů. Vliv rozdílných, běžně používných energetických funkcí („force fields”) byl testován na modelu aminokyselinových dipeptidů. Žádná sada parametrů však nedokázala konzis- tentně reprodukovat konformační preference jednotlivých aminokyselin. Výsledky simu- lací byly mezi sebou srovnány a byly hledány příčiny jejich vzájemných odlišností. Abychom odhalili, jakým způsobem různé podmínky ovlivňují konformační stavy peptidů, zkoumali jsme vlastnosti aminokyselin v AAXAA peptidech. Simulace odhalily zásadní rozdíl ve vlivu tepelné a chemické denaturace (močovinou) na charakter a zastoupení konformací peptidů, stejně jako konformačních preferencí jednotlivých aminokyselin. K problematice vzorkování konformačního prostoru jsem přispěl zavedením kolektivních souřadnic pro metadynamiku odvozených z gyračního tenzoru a tenzoru setrvačnosti. Efektivita těchto kolektivních souřadnic popisujích velikost a tvar molekul byla testována v simulacích alaninových polypeptidů a Trp-cage miniproteinu. V těchto simulacích bylo úspěšně dosaženo reprodukovatelého nalezení nativní konformace miniproteinu a pod- statného zlepšení ve vzorkování konformačního prostoru flexibilních polyalaninových pep- tidů. Zcela nový miniprotein byl vytvořen obrácením sekvence Trp-cage. Tento umělý kon- strukt však narozdíl od Trp-cage nevytváří stabilní třídimenzionální strukturu v bežných pufrech, ale strukturuje se až po přidání 2,2,2-trifluorethanolu (TFE). Stabilita a další vlastnosti molekuly retro Trp-cage byly studovány v MD simulacích, ale nepodařilo se nalézt strukturu indukující efekt TFE. Proto se stalo TFE předmětem našeho dalšího zájmu. Nové parametry pro TFE, založené na předchozím modelu, byly optimalizovány, aby lépe a kvalitněji popsali vlastnosti nejen samotného TFE, ale i jeho vodných roztoků. Tento nový model realističtěji zachycuje chování směsných roztoků v rámci Kirkwood-Buffovy teorie. 3
Abstract v angličtině:
Abstract Apart from biological functions, peptides are of uttermost importance as models for un- folded, denatured or disordered state of the proteins. Similarly, miniproteins such as Trp-cage have proven their role as simple models of both experimental and theoretical studies of protein folding. Molecular dynamics and computer simulations can provide an unique insight on processes at atomic level. However, simulations of peptides and minipro- teins face two cardinal problems—inaccuracy of force fields and inadequate conformation sampling. Both principal issues were tackled in this theses. Firstly, the differences in several force field for peptides and proteins were questioned. We demonstrated the inability of the used force fields to predict consistently intrinsic conformational preferences of individual amino acids in the form of dipeptides and the source of the discrepancies was traced. In order to shed light on the nature of conformational ensembles under various denatur- ing conditions, we studied host–guest AAXAA peptides. The simulations revealed that thermal and chemical denaturation by urea produces qualitatively different ensembles and shift propensities of individual amino acids to particular conformers. The problem of insufficient conformation sampling was dealt by introducing gyration- and inertia-tensor based collective coordinates to metadynamics. We validated this newly implemented size- and shape- descriptors in simulations of alanine peptides and Trp-cage miniprotein. Such facilitated dynamics led to reproducible folding of miniprotein and extensive conformational sampling of flexible polyalanines. A novel miniprotein were designed by idea of retro transformation of protein sequence. The resulting retro Trp-cage molecule does not fold in water but the structure emerges upon addition of a cosolvent—2,2,2-trifluoroethanol (TFE) into buffer. However, this behavior was not observed in simulations and therefore the force field model of TFE were questioned. We further developed a novel model of TFE based on generalized amber force field by exhaustive optimization of force field parameters. The resulting model reproduces ex- cellently the liquid state properties of pure TFE and behaves realistically in TFE/water mixtures as we investigated by means of Kirkwood–Buff theory of solutions. 4
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Jiří Vymětal, Ph.D. 17.53 MB
Stáhnout Příloha k práci Mgr. Jiří Vymětal, Ph.D. 21.17 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Jiří Vymětal, Ph.D. 55 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Jiří Vymětal, Ph.D. 55 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Mgr. Jiří Vymětal, Ph.D. 13.92 MB
Stáhnout Posudek oponenta doc. Daniel Svozil, Ph.D. 68 kB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Mgr. Karel Berka, Ph.D. 511 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 921 kB