Konformationsdynamik lichtschaltbarer Peptide: Molekulardynamiksimulationen und datengetriebene Modellbildung

Die Faltung und die Funktionsdynamik von Proteinen basieren auf
schnellen Prozessen, die zum Teil im Zeitbereich der Pikosekunden
bis Nanosekunden ablaufen. Zur Untersuchung dieser Dynamiken und
der mit ihnen verbundenen strukturellen Änderungen werden häufig
Molekulardynamik (MD)-Simulationen eingesetzt, die auf empirisch
parametrisierten molekularmechanischen (MM) Kraftfeldern basieren.
Die vorliegenden Arbeit stellt einen Ansatz zur Validierung solcher
MM-Kraftfelder vor, der darin besteht, die Relaxationsdynamik
kleiner lichtschaltbarer Modellpeptide zu simulieren und die dabei
auftretenden Kinetiken mit Ergebnissen der
Femtosekunden-Spektroskopie zu vergleichen. Erste Simulationen
dieser Art zeigen eine überraschende Übereinstimmung zwischen den
simulierten und den gemessenen Kinetiken. Weitere Untersuchungen,
bei denen einzelne Details des eingesetzten Kraftfelds variiert
werden, lassen jedoch erkennen, dass diese Übereinstimmung auf
einer zufälligen Kompensation von Fehlern beruht. Es wird gezeigt,
dass die simulierten Kinetiken sehr empfindlich auf Änderungen am
MM-Kraftfeld reagieren und damit als Maßstab für die Güte seiner
Parametrisierung dienen können. Besonders die Modellierung des
Lösungsmittels DMSO hat einen entscheidenden Einfluss auf die
beobachteten Kinetiken, und zwar nicht nur auf die Kühlzeiten der
Wärmedissipation, sondern auch auf die Relaxationsdynamik des
Peptidteils der Modellsysteme. Als Vorarbeit für die Simulation der
Modellpeptide wird ein flexibles und explizites DMSO-Modell aus
ersten Prinzipien abgeleitet und dessen thermodynamische und
strukturelle Eigenschaften mit denen existierender Modelle
verglichen. Ferner wird das eingesetzte Kraftfeld um Parameter für
den in die Modellpeptide integrierten Farbstoff Azobenzol erweitert
und dessen lichtinduzierte Isomerisierungsreaktion modelliert.
Darüber hinaus werden neuartige Methoden zur statistischen
Auswertung von MD-Trajektorien vorgestellt, die dazu dienen, eine
strukturelle Klassifikation der Peptidgeometrien zu ermöglichen.
Mit Hilfe dieser Klassifikation kann ein vertiefter Einblick in die
während der Relaxation der Modellpeptide auftretenden
Konformationsübergänge gewonnen werden. Ferner ermöglichen es die
statistischen Auswertungsverfahren, aus Langzeitsimulationen der
Modellpeptide deren Gleichgewichtskonformationen zu bestimmen. Der
Vergleich dieser Konformationen mit Daten der NMR"=Spektroskopie
zeigt schließlich die Leistungsfähigkeit der Methode der
MD-Simulation für die Vorhersage von Peptidstrukturen.