Die Form: Modellierung und Simulation von Proteinen (Strukturen und Funktionen)

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1 Die Form: Modellierung und Simulation von Proteinen (Strukturen und Funktionen)

2 Übersicht Geschwindigkeit von biochemischen Prozessen Brownsche Molekularbewegung elektrostatische Wechselwirkungen Brownsche Molekulardynamik Simulation Superoxid:Myeloperoxidase Assoziation

3 Protein Interaktionen Interaktionen zwischen Proteinen und Proteinen und kleinen Molekülen regulieren das Leben der Zelle Regulation (Stoffwechselprozess) Signal Übertragung ProteinTransport usw ZelleProteine Voet, Biochemie: 1998

4 Raumstruktur von Proteinen Voet, Biochemie: 1998

5 Vielfalt von Tertiärstrukturen www.egbeck.de

6 Deskriptoren der Proteininteraktionen Spezifität – Wer sind die spezifischen Bindungspartner? Affinität – Wie stark ist die Interaktion? Geschwindigkeit – Wie schnell ist die Interaktion?

7 Geschwindigkeit Interaktionen können schnell oder langsam sein –Erforderliche Zeit für die Signalübertragung (Nanosekunden) –Erforderliche Zeit für Proteintransport (Millisekunden/Sekunden) –Lebenszeit der Proteine (Stunden/Tage)

8 Protein-Ligand Assoziation A + B AB k on k off

9 Protein-Ligand Assoziation: Diffusions & nicht-Diffusions- gesteuert A + BA::BAB diffusions- gesteuertes Zusammen- treffen Docking (nicht-diffusions- gesteuert) Translation und Orientierung durch Diffusion Genaues konformationelles Passen Diffusions-gesteuerte Assoziations Rate > Assoziation Rate

10 Brownsche Molekularbewegung 1827: Robert Brown, beobachtet unregelmässige Bewegung (Zick-Zack-Bewegung) von Pollenkörner auf einer Glasplatte. Osmose und Diffusion basieren auch auf dieser thermisch getriebenen Eigenbewegung der Moleküle

11 1905: Albert Einstein und Marian von Smoluchowski erklären unabhängig das Phänomen mathematisch Brownsche Molekularbewegung

12 Film: Brownsche Molekularbewegung DNA-Reparaturenzym, an Kügelchen gekoppelt freie Diffusion, Brownsche Molekularbewegung

13 Brownsche Molekularbewegung Brownsche Molekularbewegung abhängig von: T = Temperatur = Viskosität des Lösungsmittels r = hydrodynamischer Radius der gelösten Stoffe (Stokes-Einstein relation) durchschnittliche Weglänge eines Teilchens ist proportional zur (Zeit)

14 Assoziation von Molekülen wird beeinflusst von.... elektrostatische Wechselwirkungen Form der Moleküle

15 + Komplex Protein Ligand Form der Moleküle

16 elektrostatische Wechselwirkungen www.egbeck.de

17 Elektrostatische Interaktionen Jedes Molekül ist eine Ansammlung v. elektrisch geladenen Teilchen Coulomb Kräfte Kräfte wirken über lange Distanzen (~1/r) Abstossung Anziehung E r

18 elektrostatischen Eigenschaften von Proteinen werden beeinflusst von..... pH-Wert des Lösungsmittels pK a -Wert der Aminosäuren Ionenstärke des Lösungsmittels HA A - + H + KaKa pH = pK a + log [HA] [A - ] pH = -log[H + ] pK a =-logK a ;

19 Titrationskurve des Histidins COOH COO - + H + NH+NH+ N COO - N NN + H + H3N+H3N+ H2NH2N pK 1 :1.8 pK 2 :6.04 pK 3 :9.33

20 Geschwindigkeit Berechnungen sagt die Geschwindigkeit voraus, mit der Proteine assoziieren durch Simulationen des Interaktion Prozesses Brownsche Dynamiksimulationen genannt

21 Brownsche Molekulardynamik Simulation starten einer grossen Anzahl von Assoziationsabläufen von der Oberfläche b elektrostatische Kräfte - Wahrscheinlichkeit der Assoziation B b-surface c-surface B A B

22 Peroxidase-Oxidase (PO) Reaktion PO Reaktion katalysiert durch Myeloperoxidase Gesamtreaktion: 2NADH + 2H + + O 2 2NAD + + 2H 2 O

23 Peroxidase (PO) Reaktion viele Einzelreaktionen Zwischenprodukte: z. B. Superoxid, Hydrogenperoxid Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003

24 Myeloperoxidase PO Reaktion Oszillation der Superoxidkonzentration beeinflusst die Aktivierung von Zellen des Immunsystems Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003

25 3-D Struktur der Myeloperoxidase Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003

26 Aktives Zentrum der Myeloperoxidase (gelb) Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003

27 Praktikum elektrostatischen Eigenschaften der Myeloperoxidase bei unterschiedlichen pH Werten vergleichen Einfluss der elektrostatischen Eigenschaften auf die Geschwindigkeit der Assoziation von Myelo- peroxidase und dem Superoxid untersuchen

28 Superoxide: Myeloperoxidase diffusionsgesteuerte Assoziation Film Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003

29 Zusammenfassung Assoziation von Proteinen: Diffusions & nicht- Diffusions-gesteuerter Prozess elektrostatische Wechselwirkungen beeinflussen die Assoziation Kinetik der Assoziation kann unter Anwendung der Brownschen Molekulardynamik simuliert werden elektrostatische Eigenschaften von Proteinen werden durch viele Faktoren beeinflusst

30 van der Waals Wechselwirkungen Kräfte wirken nur über kurze Distanzen (8-10 Angstrom cutoff) Abstossung schwache Anziehung

31 Coulomb Gleichung - Energie Interaktionsenergie von zwei Punktladungen im Vakuum r 12 q2q2 q1q1 Energy, U: kcal/mol Charge, q: electron charges Distance, r: Angstroms Dielektrizitätskonstante, D D k

32 Resultat: Geschwindigkeitskonstante der Assoziation (M -1 s -1 ) gemessen Diffusions-Limit (ohne Orientierungsbeschränkung) Orientierungsbeschränkung - Erniedrigung um das 1000 fache Electrostatische Steuerung - Erhöhung um das 1000 fache Konformationelles gating - Erniedrigung um das 100 fache 10 3 – 10 10 10 10 7 10 7- 10 10 10 5 -10 10

33 Protein-Protein Assoziation Kinetik: Affinität: A + B AB

34 HA A - + H + KaKa = KaKa [HA] [A - ] + [H + ] ; pH = pK a + log [HA] [A - ] Henderson-Hasselbach-Gleichung pKa-Wert von Proteinen

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