Molekulardynamik-Simulationen von amyloidogenen Proteinen in Lösung: Stabilitätsuntersuchungen und Weiterentwicklung einer Kontinuumsmethode

Viele neurodegenerative Erkrankungen, wie die transmissiblen
spongiformen Enzephalopathien (TSE), die Alzheimer- und die
Huntington-Krankheit, sind durch charakteristische Ablagerungen im
Gehirn, sogenannte Amyloide, gekennzeichnet. Amyloide sind oftmals
fibrilläre Aggregate von normalerweise löslichen Proteinen, deren
dreidimensionale Strukturen sich bei der Aggregation verändern.
Bedauerlicherweise waren hochauflösende Methoden biophysikalischer
Strukturaufklärung bislang auf Amyloide nicht anwendbar. Dagegen
können Molekulardynamik (MD)-Simulationen amyloidogener Proteine
und Peptide in ihrer Lösungsmittelumgebung dazu beitragen, die
Mechanismen der auftretenden Konformationsänderungen zu verstehen
und die Strukturen amyloider Fasern aufzuklären. Die korrekte und
effiziente Beschreibung der Lösungsmittelumgebung spielt dabei eine
entscheidende Rolle. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die
Konformationsdynamik Amyloid bildender Peptide und Proteine in
expliziter wässriger Umgebung untersucht. In MD-Simulationen des
zellulären Prion Proteins (PrPC) werden durch Einführung der
Punktmutationen M205S und M205R entscheidende Faktoren für die
korrekte Faltung und strukturelle Stabilität des Proteins
identifiziert. Ferner wird für die Grundstruktur der bei TSE
auftretenden pathogenen Isoform PrPSc ein Modell basierend auf dem
Strukturmotiv einer parallelen beta-Helix entwickelt. Analog dazu
werden Peptide aus poly-Glutamin, die den mutmaßlichen
Aggregationskeim bei der Huntington-Krankheit darstellen, als
parallele beta-Helizes unterschiedlicher Formen und Größen
modelliert. In MD-Simulationen ermitteln wir aus diesen Strukturen
thermodynamisch stabile monomere und dimere Aggregationskeime. Da
die erreichbaren Simulationszeiten in expliziten Lösungsmitteln
verglichen mit den Zeitskalen der Proteindynamik zu kurz sind, wird
im zweiten Teil dieser Arbeit eine effiziente Kontinuumsmethode für
Proteine in polaren Lösungsmitteln weiterentwickelt. In dieser
Methode wird das durch die Polarisation des Lösungsmittels
hervorgerufene Reaktionsfeld (RF) durch normalverteilte
RF-Dipoldichten an den Orten der Proteinatome beschrieben. Die sich
daraus ergebenden RF-Kräfte auf die Proteinatome berücksichtigen
aber nicht den Druck an den dielektrischen Grenzflächen, der vom
Kontinuum auf das Protein ausgeübt wird, und verletzen damit das 3.
Newtonsche Gesetz. Dies führt in MD-Simulationen zu erheblichen
Artefakten. In dieser Arbeit wird diese Kontinuumsmethode so
umformuliert und erweitert, dass die resultierenden RF-Kräfte dem
Prinzip Actio=Reactio gehorchen. Die modifizierte Kontinuumsmethode
wird in ein MD-Programm implementiert und an Hand geeigneter
Systeme parametrisiert. In ausgedehnten MD-Simulationen des
Alanin-Dipeptids wird die Korrektheit und Effizienz der Methode
demonstriert.