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Protein Dynamics : Comparison of Incoherent Neutron Scattering and Molecular Dynamics Simulation

Becker, Torsten

German Title: Proteindynamik : ein Vergleich von inkohaerenter Neutronenstreuung und Molekulardynamik-Simulation

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Abstract

Proteindynamik und deren Beziehung zur biologischen Funktion von Proteinen ist Gegenstand zahlreicher experimenteller und theoretischer Untersuchungen. In der vorgelegten Arbeit werden Aspekte der Proteindynamik im Pico- und Nanosekundenbereich untersucht. Experimentelle Untersuchungen haben eine Abhaengigkeit zwischen enzymatischer Aktivitaet und atomaren Fluktuationen auf diesen Zeitskalen aufgezeigt. Inkohaerente Neutronenstreuung sowie Molekulardynamiksimulationen stellen geeignete Instrumente zur Untersuchung atomarer Dynamik auf diesen Zeitskalen zur Verfuegung. Ein interessantes Phaenomen im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen Flexibilitaet und Aktivitaet ist die Dynamical Transition, d.h. ein nicht-linearer Anstieg atomarer Fluktuationen bei einer charakteristischen Temperatur T_0 ca. 200K. Die explizite Einbeziehung des instrumentellen Aufloesungsvermoegens eines Neutronenstreuspektrometers in die theoretische Analyse der Dynamical Transition fuehrt zu einer neuen Interpretation dieses Ueberganges. Mittels Molekulardynamiksimulationen wird die quantitative Uebereinstimmung dieser alternativen Interpretation mit der Zeitskalen- wie auch der Temperaturabaengigkeit der mittleren quadratischen Auslenkung eines Proteins in Loesung gezeigt. Darueberhinaus bietet diese Interpretation eine Erklaerung der experimentell beobachteten Verschiebung der Uebergangstemperatur, T_0, in Abhaengigkeit der instrumentellen Aufloesung. Die Gauss'sche Naeherung, grundlegend fuer die experimentelle Bestimmung der mittleren quadratischen Auslenkung, <Dr^2>, wird untersucht und Korrekturen hierzu diskutiert. Abweichungen von dieser Naeherung werden fuer Q<6 Ang^{-2} auf die Heterogenitaet atomarer Bewegungen zurueckgefuehrt. Abschliessend wird eine Methode vorgeschlagen, um aus der inkohaerenten inelastischen Streufunktion die Schwingungsdichte des Systems abzuleiten. Mittels dieser Methode werden Aenderungen der Schwingungsdichte des Proteins Dihydrofolate Reduktase bei Bindung des Liganden Methotrexate bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Aenderungen im Spektrum dieser internen Freiheitsgrade einen signifikanten Beitrag zur freien Bindungsenergie dieses Systems beitragen.

Translation of abstract (English)

Protein dynamics and its relation to protein function is the subject of various studies using both, theoretical and experimental techniques. In this thesis, several aspects of protein dynamics on short timescales are addressed. Motions in the pico- to nanosecond timescale have been experimentally shown to be intimately related to enzyme activity. Incoherent neutron scattering and molecular dynamics simulation are well suited and widely used to study motions on the above timescales. A prominent phenomenon in the context of this observed flexibility-activity relationship is the dynamical transition, i.e. a non-linear increase in atomic fluctuations at a characteristic transition temperature of T_0 ca. 200K. By explicitly incorporating finite resolution of neutron spectrometers in the theoretical analysis of neutron scattering experiments, a novel interpretation of the dynamical transition arises. This alternative 'frequency window' interpretation is shown to reproduce the timescale and temperature dependence of mean-square displacements calculated from MD simulations of a protein in solution. The frequency window interpretation, furthermore, offers an explanation of the experimentally observed shift of T_0 with instrumental resolution. Implications of the new interpretation for the relation between the dynamical transition and enzyme activity are discussed. Molecular dynamics simulations are further used to test the Gaussian approximation implicit in experimental data analysis. Deviations from Gaussian scattering in the calculated spectra for Q^2<6 Ang^{-2} are shown to be dominated by the distribution of <Dr^2>. Finally, a method to derive the vibrational density of states on an absolute scale from low-temperature inelastic incoherent neutron scattering is suggested. The change in the vibrational density of states of the protein dihydrofolate reductase on binding the ligand methotrexate is determined. The vibrations of the complex soften significantly relative to the unbound protein. The resulting free energy change, which is directly determined by the density of states change, is found to contribute significantly to the binding equilibrium.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Smith, Prof. Dr. Jeremy C.
Date of thesis defense: 17 November 2004
Date Deposited: 24 Jan 2005 09:35
Date: 2004
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Biophysik, Proteine, Molekulardynamik, Neutronenstreuung, Dynamik
Uncontrolled Keywords: Glassuebergang , Proteindynamikprotein dynamics , dynamical transition , flexibility activity relationship , neutron scattering , molecular dynamics
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