Monte Carlo Simulation Methods for Studying the Thermodynamics of Ligand Binding & Transfer Processes in Biomolecules

Titelangaben

Ullmann, R. Thomas:
Monte Carlo Simulation Methods for Studying the Thermodynamics of Ligand Binding & Transfer Processes in Biomolecules.
Bayreuth , 2012 . - 173 S. S.
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The binding and transfer of ligands is of central importance for the function of many biomolecular systems. The main topic of this thesis is the development and application of Monte Carlo (MC) simulation methods for studying complex ligand binding equilibria which can also involve conformational changes. The simulated systems were described by microstates within a continuum electrostatics/molecular mechanics (CE/MM) model of the receptor-ligand system. The CE/MM modeling methodology was improved. The improvements led to more detailed molecular models that enable a more realistic reproduction of system properties and environmental conditions. The developed simulation methods were applied to biomolecular systems whose function involves aspects that are important for the understanding of bioenergetic energy transduction. The results of this thesis are presented in five articles that are published in peer reviewed scientific journals. Manuscript A presents the Monte Carlo simulation software GMCT which was largely developed in this thesis. The software offers a variety of different simulation methods that allow the user to harness the full potential of CE/MM models in the simulation of complex receptor systems. Manuscript B presents a novel theoretical framework for free energy calculations with the free energy perturbation method. The novel framework is more broadly applicable and can lead to more efficient simulations than previous formulations. The derivation of the formalism also led to interesting insights into general statistical mechanics. The formalism was implemented in GMCT and could already be used fruitfully for the free energy calculations presented in Manuscripts C and D. Manuscript C demonstrates the application of free energy measures of cooperativity to study the coupling of protonation, reduction and conformational change in azurin from Pseudomonas aeruginosa (PaAz). Such a coupling is prototypic for bioenergetic systems because it forms the thermodynamic basis of their energy transducing function. PaAz is an experimentally well characterized, small electron transport protein. For this reason, PaAz was used here as model system to demonstrate the usefulness of cooperativity free energies in detecting and quantifying thermodynamic coupling between events in complex biomolecular systems. The results of this study led to new insight that could help to determine the still enigmatic physiological role of PaAz. In Manuscript D, free energy calculations were applied to study the thermodynamics of transport through the ammonium transporter Amt-1 from Archaeoglobus fulgidus (AfAmt-1). Ammonium is the most directly utilizable nitrogen source for plants and microorganisms. AfAmt-1 and its homologues facilitate the transport of ammonia/ammonium across biological membranes in living beings from all domains of life. It is intensely debated how these proteins perform their function and whether ammonia or its protonated form ammonium is actually transported. The study extended upon previous theoretical studies by including the effects of substrate concentration, electrochemical transmembrane gradients, proton-coupled binding equilibria and competitive binding of different ligand species. It was found that the transported species is most likely the ammonium ion. An ammonia/proton symport mechanism that involves a pair of coplanar histidine residues at the center of the transmembrane pore as transient proton acceptor is made plausible by the high genetic conservation of these residues. Manuscript E presents a first application of the microstate description within a CE/MM model to the simulation of the non-equilibrium dynamics of a molecular system. We simulated the re-reduction kinetics of the primary electron donor in the photocycle of the bacterial photosynthetic reaction center from Blastochloris viridis. The simulation results are in very good agreement with experimentally measured data.

Abstract in weiterer Sprache

Die Bindung und der Transfer von Liganden ist von zentraler Bedeutung für die Funktion biomolekularer Systeme. Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Entwicklung und Anwendung von Monte-Carlo- Simulationsmethoden für das Studium komplexer Ligandenbindungsgleichgewichte die auch Konformationsänderungen beinhalten können. Die simulierten Systeme wurden durch Mikrozustände innerhalb eines Kontinuumselektrostatik/ Molekularmechanik-Modells (CE/MM-Modells) beschrieben. Die CE/MM-Modellierungsmethodik wurde verbessert. Das Ergebnis dieser Verbesserung waren detailliertere molekulare Modelle die es ermöglichen, Eigenschaften eines Systems und Umweltbedingungen realistischer darzustellen. Die entwickelten Simulationsmethoden wurden auf einige biomolekulare Systeme angewendet. Die Funktion dieser Systeme weist Aspekte auf die wichtig für das Verständnis der bioenergetischen Energieumwandlung sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in fünf Fachartikeln dargestellt die in begutachteten wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Manuskript A stellt die größtenteils im Rahmen dieser Arbeit entstandene Monte-Carlo-Simulationssoftware GMCT vor. Die Software bietet viele verschiedene Simulationsmethoden, die es dem Anwender erlauben, das volle Potential der CE/MM Modelle für die Simulation komplexer Rezeptorsysteme zu nutzen. Manuskript B stellt ein neues theoretisches Grundgerüst für die Berechnung freier Energien mittels thermodynamischer Störungstheorie vor. Das neue Grundgerüst besitzt einen breiteren Anwendungsbereich und kann zu effizienteren Simulationen führen als frühere Formulierungen. Die Herleitung des Formalismus ergab auch interessante neue Einblicke in das Gebiet der allgemeinen Thermodynamik. Der Formalismus wurde in GMCT eingebaut und konnte für die in den Manuskripten C und D dargestellten Berechnungen freier Energien schon nutzbringend eingesetzt werden. Manuskript C, demonstriert die Anwendung von Kooperativitätsmaßen auf Basis freier Energien zur Untersuchung der Kopplung von Protonierung, Reduktion und Konformationsänderung in Azurin aus Pseudomonas aeruginosa (PaAz). Eine solche Kopplung ist prototypisch für bioenergetische Systeme, weil es die thermodynamische Grundlage ihrer Energieumwandlungsfunktion darstellt. PaAz ist ein experimentell gut charakterisiertes, kleines Elektronentransportprotein. Deshalb wurde PaAz hier als Modellsystem benutzt, um die Nützlichkeit freier Kooperativitätsenergien für die Erkennung und Quantifizierung einer thermodynamischen Kopplung zwischen Ereignissen in komplexen biomolekularen Systemen zu demonstrieren. Die Ergebnisse dieser Studie führten zu neuen Einsichten, die helfen könnten, die immer noch rätselhafte physiologische Rolle von PaAz zu ergründen. In Manuskript D wurden Berechnungen freier Energien angewendet, um die Thermodynamik des Transports durch den Ammonium-/Ammoniaktransporter Amt-1 aus Archaeoglobus fulgidus (AfAmt-1) zu untersuchen. Ammonium ist die am direktesten verwertbare Stickstoffquelle für Pflanzen und Mikroorganismen. AfAmt-1 und seine Homologen erleichtern den Transport von Ammoniak/Ammonium über biologische Membranen in Lebewesen aus allen Reichen des Lebens. Es wird intensiv debattiert, wie diese Proteine ihre Funktion erfüllen und ob Ammonium oder seine protonierte Form Ammoniak das tatsächlich transportierte Substrat ist. Die Studie ging durch die Berücksichtigung der Effekte der Substratkonzentrationen, elektrochemischer Transmembrangradienten, gekoppelter Protonierungsgleichgewichte und der kompetitiven Bindung verschiedener Ligandenarten über vorherige theoretische Studien hinaus. Es wurde festgestellt, dass die transportierte Spezies höchstwahrscheinlich das Ammoniumion ist. Ein Ammoniak/Proton-Symport- Mechanismus, der ein Paar koplanarer Histidinreste im Zentrum der Transmembranpore als vorübergehenden Protonenakzeptor einbindet, erscheint wegen der hohen genetischen Konservierung dieser Reste plausibel. Manuskript E stellt eine erste Anwendung der Mikrozustandsbeschreibung innerhalb eines CE/MM- Modells für die Simulation der Nichtgleichgewichtsdynamik eines molekularen Systems dar. Simuliert wurde die Re-Reduktionskinetik des primären Elektronendonors im Photozyklus des bakteriellen photosynthetischen Reaktionszentrums aus Blastochloris viridis. Die Ergebnisse der Simulationen stimmen sehr gut mit experimentell gemessenen Daten überein.