A fel- és legombolyodás molekuladinamikai szimulációi

1. Mi a molekuladinamika?
2. Modern módszerek a molekuladinamikában
3. Peptidek vizsgálata MD-vel
4. Fehérjék natív szerkezetének MD szimulációi
5. A legombolyodás MD szimulációi
6. A felgombolyodás MD szimulációi

Mi a molekuladinamika?

A potenciálisenergia-felület


A forcefield


A párkölcsönhatások problémája


Az oldószer modellezése


Eljárások

Energiaminimalizálás

Molekuladinamika

A hőmérséklet beállítása

A nyomás beállítása

Kényszerek alkalmazása


Modern módszerek a molekuladinamikában

Többszörös lépésköz (multiple time step)


Esszenciális dinamika (Berendsen)

A fehérjemolekulák belső mozgásainak típusai

A mozgás típusaTérbeli kiterjedés
(angström)
Amplitúdó
(angström)
Jellemző időskála
Kötések rezgései2-50,01-0,110-100 fs
Globuláris régiók rugalmas deformációi10-200,05-0,51-10 ps
Felszíni oldalláncok rotációja5-105-1010-100 ps
Eltemetett csoportok torziós rezgései5-100,510 ps - 1 ns
Globuláris domének relatív mozgásai10-201-510 ps - 100 ns
Belső oldalláncok rotációja55100 mikrosec - 1 s
Allosztérikus átmenetek5-401-510 mikrosec - 1 s
Lokális legombolyodás5-105-1010 mikrosec - 10 s

A molekuladinamika korlátjai


Mire használható a molekuladinamika?


Peptidek vizsgálata MD-vel

Egy héttagú béta-peptid

(Daura et al., JMB 280:925 (1998))

Tehát: a szimuláció jól megtalálta a natív szerkezetet, és leírja a natív-denaturált állapotok közötti hőmérsékletfüggő egyensúlyt.


Egy helikális és egy béta-hajtű konformációjú peptid szimulációja

(Schaefer et al., JMB 284:835 (1998))

Helikális peptid

Béta-hajtű

Szimulációk:

Eredmények

Tehát: rövid peptidek felgombolyodása molekuladinamikával jó eredménnyel szimulálható.


Fehérjék natív szerkezetének MD szimulációi

Kérdések:


BPTI (bovine pancreatic trypsin inhibitor) szimulációja

(Troyer és Cohen, Proteins 23:97 (1995))

Eredmények:

Tehát: sikerült a natív konformációk halmazán belül alállapotokat elkülöníteni (7 darabot), a szimuláció során ezeken sorban végigmegy a molekula. A mintavétel nem elégséges, mert egyetlen korábbi állapot sem áll elő újra a szimuláció időtartama alatt.


A legombolyodás MD szimulációi

A legombolyítás módozatai


Barnáz legombolyodásának szimulációja

(Li és Daggett, JMB 275:677 (1998))

Barnáz

barnaz.gif_(23k)

110 aa, 3 hélix, egy ötszálú béta-lemez, 3 hidrofób mag

Szimuláció

Eredmények

Elemzés

Tehát: a barnáz legombolyodásának szimulációja két köztes állapotot tárt fel, ez jól egyezik a kísérleti eredményekkel (ld. 6. előadás), melyek szerint legalább egy köztes állapot van.


Titindomén mechanikus legombolyítása

A molekula

Szimuláció

Eredmények

titin1.jpg_(45k)

a: 10 angström nyújtás, még semmi nem történt, b: 17 angström nyújtás, az erős ponton túl, c: 150 angström, felerészben legombolyodott, d: 285 angström, kiegyenesedett

Tehát: a titindomén mechanikus legombolyításának molekuladinamikai szimulációja feltárta a legombolyodás mechanizmusát és a kísérletekkel jó egyezést mutató erőgrafikont szolgáltatott.


A felgombolyodás MD szimulációi

1 mikroszekundumos szimuláció! (rekord mindeddig)

(Duan és Kollman, Science 282:740 (1998)

A fehérje

Szimuláció

Eredmények

Tehát: a felgombolyodás molekuladinamikai szimulációja a kísérletből ismert natív szerkezethez közeli szerkezetet eredményezett, időbeli lefutása jó egyezést mutat a felgombolyodás kísérletből ismert menetével (gyors hidrofób kollapszus és másodlagosszerkezet-képzés, majd lassú átrendeződés) és sajátosságaival (több lehetséges útvonal).


Folding at home: felgombolyítás otthon

A Stanford egyetem elindította a Folding at home projektet. Mikroszekundumnál hosszabb felgombolyodási szimulációt végeznek olyan módon, hogy a számítási munkát szétosztják az interneten lévő számítógépek között. Bárki letöltheti és képernyővédőként futtathatja azt a programot, ami a szimuláció egy részét végzi, így egy sok ezer processzoros, a világ minden részére elosztott, virtuális szuperszámítógép végzi a szimulációt.

Lásd: http://foldingathome.stanford.edu/