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Dynamics of intracellular macromolecules: a mesoscopic simulation study

Schmidt, Ulrich

German Title: Untersuchung der Dynamik intrazellulärer Makromoleküle mittels mesoskopischer Simulationen

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Abstract

Diese Arbeit untersucht mittels mesoskopischer Simulationsmethoden das dynamische Verhalten von Makromolekülen in lebenden Zellen. Im Fokus stehen die großen Molekülklassen der integralen Membranproteine und der flexiblen Biopolymere. Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht welche Auswirkungen ein ‘hydrophober Mismatch’ (HM) mit der umgebenden Membran auf die Dynamik und das kollekive Verhalten integraler Membranproteine besitzt. Dieser geometrische Defekt führt zur Anziehung zwischen Proteinen mit gleichem HM und kann zur vollständigen Separation von Proteinen mit unterschiedlichem HM führen. Basierend auf diesen Ergebnissen schlagen wir ein Model vor, wie Membranproteine in lebenden Zellen verteilt werden. Weiterhin wird untersucht, ob und inwieweit Clustering von Membranproteinen deren Diffusionseigenschaften beeinflusst. Im zweiten Teil wenden wir uns der Bewegung eines flexiblen Polymers durch eine enge Pore zu. Wir untersuchen, wie sich das Translokationsverhalten des Polymers ändert, wenn die Qualität des Lösungsmittels auf beiden oder nur auf einer Seite der Pore verschlechtert wird. Überraschenderweise variiert das Translokationsverhalten im ersten Fall nicht, wohingegen im zweiten Fall eine Beschleunigung der Bewegung durch die Pore beobachtet wird.

Translation of abstract (English)

This work uses mesoscopic simulation techniques to study the dynamical behaviour of macromolecules in living cells. Emphasis is put on the large molecule classes of integral membrane proteins and flexible biopolymers. In the first part, the influence of a ‘hydrophobic mismatch’ (HM) with the surrounding membrane on the dynamics and on the collective behaviour of integral membrane proteins is analysed. This geometrical defect creates an attraction between proteins with like HM, and is able to segregate proteins with different HM. Based on these results, we propose a model of how sorting of membrane proteins occurs in living cells. Furtermore, we study whether and to which extent the clustering of membrane proteins alters their diffusional character. In the second part, we address the translocation of a flexible polymer through a narrow pore. We analyse how the translocation behaviour is altered if the solvent quality is decreased either on both sides or only on one side of the pore. Surprisingly, the translocation behaviour does not change in the first case while an accelerated translocation is observed in the second case.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hausmann, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 4. February 2010
Date Deposited: 12. Feb 2010 11:12
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Biophysik, Computersimulation, Molekulardynamik, Mesoskopisches System
Uncontrolled Keywords: biological physics , computer simulations , coarse-grained molecular dynamics
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