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Analysis of Large-Scale Structural Changes in Proteins with focus on the Recovery Stroke Mechanism of Myosin II

Mesentean, Sidonia E.

German Title: Analyse struktureller Veränderungen ingroßem Maßstab für Proteine mit Schwerpunkt auf dem"recovery-stroke"-Mechanismus von Myosin II

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Abstract

The mechanisms through which proteins achieve their functional three-dimensional structure starting from a string of amino acids, as well as the manner in which the interactions between different structural elements are orchestrated to mediate function are largely unknown, despite the large amount of data accumulating from theoretical and experimental studies. One clear view emerging from all these studies is that function is a result of the intrinsic protein dynamics and flexibility, namely the motions of its well-defined structural elements and their ability to change their position and shape in space to allow large conformational transitions necessary for the function. Simulation techniques have been increasingly used over the past years in the endeavour to solve the structure-function puzzle as they have proven to be powerful tools to investigate the dynamics of proteins. However, extracting useful dynamical information from trajectories thus generated in order to draw functionally relevant conclusions is not always straight forward, especially when the protein function involves concerted movements of entire protein domains. This is due to the high dimensionality of the energy surface the proteins can explore. Therefore, a decrease in complexity is to be desired and can be achieved in principle by reducing the number of dimensions to the ones capturing only the dominant motions of the protein. To this purpose, in this thesis two different dimensionality reducing techniques, namely Principal Component Analysis and Sammon Mapping are applied and compared on four proteins that undergo conformational changes with different amplitudes and mechanisms. In particular, the present thesis tackles the large conformational change occurring during the recovery stroke of myosin, using these methods and rigidity analysis algorithms in the attempt to elucidate in atomic detail the structural mechanism underlying the function of this protein that couples ATP hydrolysis to the mechanical force needed to achieve muscle contraction. The results presented in this thesis show the successful applicability of certain dimensionality reducing methods to large conformational changes and their suitability in analyzing and dissecting dynamical transitions in computationally generated trajectories. The findings regarding the recovery stroke step in the myosin cycle are consistent with experimental data coming from mutational studies and confirm the previously postulated communication mechanism between the active sites of the protein, thus representing a major contribution to the field of molecular motors and a strong evidence of the importance of theoretical studies in complementing the experimental investigations.

Translation of abstract (German)

Der Mechanismus durch welchen Proteine, ausgehend von einer Folge von Aminosäuren, ihre funktionsfähige dreidimensionale Struktur erlangen, sowie auch die Art und Weise, in der die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Strukturelementen orchestriert sind, um Funktion zu vermitteln, ist, trotz der großen Datenmengen, die sich aus theoretischen und experimentellen Studien angesammelt haben, größtenteils unbekannt. Eine Anschauung, die sich aus all diesen Untersuchungen herausbildet, ist, dass Funktion ein Resultat der intrinsischen Proteindynamik und -flexibilität ist, und zwar der Bewegungen ihrer wohldefinierten Strukturelemente und deren Fähigkeit, ihre Position und Form zu verändern, um große, für die Funktion notwendige, Konformationsänderungen zu ermöglichen. In den letzten Jahren sind vermehrt Simulationstechniken in dem Bestreben eingesetzt worden, das Struktur-Funktions-Puzzle zu lösen, da sie sich als mächtige Werkzeuge zur Erforschung der Dynamik von Proteinen erwiesen haben. Nützliche dynamische Informationen aus den so erzeugten Trajektorien zu extrahieren, um daraus funktionsrelevante Schlüsse zu ziehen, ist allerdings nicht immer einfach, besonders wenn die Arbeitsweise des Proteins mit gemeinschaftlichen Bewegungen ganzer Domänen einhergeht. Dies liegt an der hohen Dimensionalität der Energiefläche, die Proteine ablaufen können. Daher ist eine Verringerung der Komplexität erwünscht und kann im Prinzip durch Reduktion der Dimensionen auf jene, welche die dominanten Bewegungen des Proteins erfassen, erreicht werden. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit zwei dimensionsreduzierende Techniken, nämlich Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis) und Sammon Abbildung (Sammon mapping) auf vier Proteine angewendet und verglichen, die Konformationsänderungen verschiedenen Umfangs und verschiedener Mechanismen durchlaufen. Vornehmlich befasst sich die vorliegende Arbeit mit der großen Konformationsänderung während des “recovery stroke” von Myosin. Die genannten Methoden werden zusammen mit Rigiditätsanalysen benutzt, um den strukturellen Mechanismus aufzuklären, welcher der Funktion dieses Proteins, das ATP-Hydrolyse an die mechanische Kraft koppelt, welche zur Muskelkontraktion benötigt wird, zugrunde liegt. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse zeigen die erfolgreiche Anwendbarkeit bestimmter dimensionsreduzierender Methoden auf große Konformationsänderungen und deren Eignung für die Analyse und Aufgliederung dynamischer Übergänge in computergenerierten Trajektorien. Die Erkenntnisse hinsichtlich des “recovery strokes” im Myosin-Zyklus sind im Einklang mit experimentellen Daten aus Mutationsstudien und bestätigen den zuvor postulierten Kommunikationsmechanismus zwischen den aktiven Zentren des Proteins, und stellen daher einen bedeutenden Beitrag auf dem Gebiet der molekularen Motoren und einen deutlichen Beweis für die Wichtigkeit theoretischer Studien in Ergänzung zu experimentellen Untersuchungen dar.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dr. Joachim Spatz, Prof.
Date of thesis defense: 20 July 2007
Date Deposited: 01 Oct 2007 11:36
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Myosin
Uncontrolled Keywords: Structural changes , Proteins , Recovery-Stroke
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