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status_changed: 2012-08-14 15:14:22
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Grünberg, Raik
title: Proteins on the edge : transitions of structure ensembles in protein unfolding and protein-protein binding
title_de: Proteine auf der Kippe : Übergänge zwischen Strukturensemblen in Proteinentfaltung und Protein-Protein-Wechselwirkung
ispublished: pub
subjects: ddc-570
divisions: i-708000
adv_faculty: af-14
keywords: proteins , dynamics , recognition , spectrin , protein-protein interaction
cterms_swd: Proteine
cterms_swd: Molekulardynamik
cterms_swd: Spectrin
cterms_swd: Entfaltung
cterms_swd: Protein-Protein-Wechselwirkung
cterms_swd: Flexibilität
cterms_swd: Computersimulation
cterms_swd: Entropie
abstract: Proteins move. Their incessant fluctuations are governed by a complex interplay between thousands of atoms. Experimental structures, providing exact coordinates for every atom, hence only represent the average of a diverse ensemble of interchanging conformations. Molecular motion is often the barely understood link between structure and biological function. The present work examines two different processes that put proteins on the edge of moving from one global state to another. At the moment of transition, perturbation or, indeed, biological action, benign structure fluctuations can, it seems, turn into major forces. Chains of spectrin repeats apparently rely on structure flexibility to achieve a smooth response to external force. Single molecule atomic force microscopy experiments on this domain, in accord with simulations, showed clear traces of structure fluctuation. On the verge of disruption, thermal fluctuations decide how much extension a spectrin repeat tolerates and whether or not unfolding is blocked by intermediate non-native structures. This picture was supported by experiments and simulations on mutated repeats. The elasticity of the membrane skeleton and, for example, red blood cells, may thus to some extent depend on chaotic motions within single protein domains. Structure fluctuations also affect the process of protein-protein interaction, but the interplay of protein flexibility and recognition remains far from understood. I performed and compared molecular dynamics simulations on 17 protein complexes as well as their free components. Free interaction patches turned out more flexible than the remaining protein surface. However, contrary to common sense, binding does not generally restrict protein flexibility and conformational entropy may be lost but also gained in the process. Current models of recognition do not account for overall protein flexibility or make assumptions that are incompatible with kinetic observations. I combined the simulation data with systematic docking calculations and derived a new model for this process. Often, only subsets of the two free structure ensembles were mutually compatible. A conformer selection step may thus impede the rate of recognition. Protein fluctuations seem to be actively involved in the binding reaction and influence or even control the speed of recognition as well as the stability of the complex.
abstract_translated_text: Proteine sind ständig in Bewegung. Diese Beweglichkeit speist sich aus dem komplexen Wechselspiel tausender Atome. Die experimentelle Struktur -- mit ihren exakten Koordinaten für jedes Atom -- ist also in Wirklichkeit nur der Mittelwert einer vielfältigen Mischung von Konformationen. Bewegung ist oft das Bindeglied zwischen Proteinstruktur und biologischer Funktion, erweist sich aber gleichzeitig als einer der am wenigsten verstandenen Aspekte der Strukturbiologie. In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Dynamik von Proteinen "auf der Kippe", also im Grenzbereich zwischen zwei Zuständen. Wie es scheint, kommt die in der Struktur verborgene Vielfalt gerade dann zum Tragen, wenn sich das komplexe Molekül im Ungleichgewicht, im Übergang oder, anders ausgedrückt, in biologischer Aktion befindet. Netzwerke aus in vielfacher Kopie aneinandergereihten Spektrindomänen verleihen der Membran von Erythrozyten bemerkenswerte Elastizität. Die Beweglichkeit der Domäne hinterlässt deutliche Spuren in mechanischen Entfaltungsexperimenten an einzelnen Molekülen. Wie Simulationen zeigen, entscheiden zufällige Fluktuationen, wie lange sich die Spektrindomäne mechanischer Belastung widersetzt und ob nicht-native Strukturen die vollständige Entfaltung aufhalten. Diese Unschärfe der einzelnen Glieder, gemittelt über die gesamte Kette, bedingt vermutlich eine gleichmäige Rückstellkraft über einen sehr weiten Dehnungsbereich. Experimente an gezielt veränderten Spektrindomänen unterstützen dieses Bild. Die Elastizität roter Blutzellen beruht also vielleicht auch auf der chaotischen Bewegung einzelner Proteinabschnitte. Die meisten Proteine agieren nicht allein, sondern finden sich eingebettet in ein dichtes Netz von Wechselwirkungen. Fluktuationen der Struktur haben offenbar beträchtlichen Einfluss sowohl auf die Stabilität von Proteinkomplexen als auch auf die Geschwindigkeit ihrer Bildung. Das komplexe Zusammenspiel von Proteindynamik und der Wechselwirkung zwischen Proteinen entzieht sich aber bisher weitestgehend unserem Verständnis. Ich vergleiche die Dynamik von 17 Proteinkomplexen und den daran beteiligten Partnern. Wie die umfangreichen Simulationen enthüllen, sind freie Bindungsstellen deutlich flexibler als die restliche Oberfläche des Proteins. Entgegen der üblichen Annahme wird aber die allgemeine Beweglichkeit der Proteine im Komplex nicht grundsätzlich eingeschränkt. Die Bindung kann sowohl mit dem Verlust als auch mit dem Gewinn von konformeller Entropie einhergehen. Auch die Vorstellungen vom Erkennungsvorgang selbst ziehen die Flexibilität von Proteinen bisher kaum in Betracht. Ich verknüpfe die Simulationen mit einer systematischen Untersuchung der Passgenauigkeit zwischen verschiedenen Konformationen der beiden Bindungspartner. Erkennung erfordert oft spezifische Varianten der freien Struktur. Mein erweitertes Modell für den Mechanismus der Proteinbindung trägt dem Rechnung und erscheint besser vereinbar mit theoretischen und experimentellen Daten. 
abstract_translated_lang: ger
date: 2005
date_type: published
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00005312
ppn_swb: 555708802
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-opus-53129
date_accepted: 2005-02-18
advisor: HASH(0x55fc36c77df0)
language: eng
bibsort: GRUNBERGRAPROTEINSON2005
full_text_status: public
citation:   Grünberg, Raik  (2005) Proteins on the edge : transitions of structure ensembles in protein unfolding and protein-protein binding.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/5312/1/thesis_final.pdf