Advanced

Electrostatic Interactions In and Between Biomolecules

Lund, Mikael LU (2006)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Elektrostatiske vekselvirkninger mellem biomolekyler er vigtige, ikke bare i biologiske systemer, men også i flere tekniske sammenhænge. I denne afhandling studereres en række forskellige egenskaber, relevant for særligt proteiner. Således har vi ved hjælp af molekylær simulering undersøgt hvorledes proteiner vekselvirker med protoner, salte, andre peptider og proteiner, ladede membraner samt polymerer. Som det fremgår af titlen er der lagt vægt på elektrostatik, dvs. vekselvirkninger mellem ladede partikler, men andre afledede former - van der Waals vekselvirkninger mfl. - er også behandlet.



En særlig egenskab ved proteiner og andre biomolekyler, er at de indeholder titrerbare... (More)
Popular Abstract in Swedish

Elektrostatiske vekselvirkninger mellem biomolekyler er vigtige, ikke bare i biologiske systemer, men også i flere tekniske sammenhænge. I denne afhandling studereres en række forskellige egenskaber, relevant for særligt proteiner. Således har vi ved hjælp af molekylær simulering undersøgt hvorledes proteiner vekselvirker med protoner, salte, andre peptider og proteiner, ladede membraner samt polymerer. Som det fremgår af titlen er der lagt vægt på elektrostatik, dvs. vekselvirkninger mellem ladede partikler, men andre afledede former - van der Waals vekselvirkninger mfl. - er også behandlet.



En særlig egenskab ved proteiner og andre biomolekyler, er at de indeholder titrerbare grupper, hvis protoniseringstilstande afhænger ikke bare af opløsningens pH værdi, men også af det elektriske potential genereret af omkringliggende, ladede makro-molekyler. Dette indebærer, at når et protein for eksempel nærmer sig at andet protein, et DNA molekyler, eller en ladet membran, vil dets elektriske ladning ændres. Denne mekanisme kaldes ladningsregulering, og bidrager til en sænkning af systemets frie energi. Denne mekanisme er studeret vha. Monte Carlo simuleringer af proteinopløsninger, og vi har endvidere udarbejdet en tilnærmet model, baseret på statistisk termodynamik. Ud fra disse teoretiske betragtninger, har vi udledt en ny protein egenskab - ladningskapacitansen - som er helt på linje med mere velkendte egenskaber som den totale ladning og dipolmomentet. Kapacitancen kan findes ved at differenciere den målte, eller beregnede protein titreringskurve, og kan anvendes til at estimere hvordan proteinet påvirkes af andre ladninger i systemet.



Derudover har vi undersøgt hvorledes protein protein vekselvirkninger påvirkes af pH, salt koncentration og ikke mindst salttype. Ved at beregne den frie energi som funktion af den indbyrdes afstand mellem proteinmolekylerne, kan vi opdrive den anden virial koefficient, B2 , som er en velkendt indikator for den overordnede vekselvirkning. B2 kan måles eksperimentelt vha. lysspredning, og sådanne målinger (udført af andre forskningsgrupper) er derfor anvendt til at verificere vores modeller; oftest foreligger glimrende overensstemmelse. Ved tilsætning af trivalente ioner, kan makromolekyler af samme (høje) ladning bringes til at aggregere. Ifølge vores studier er dette pga. ion-ion korrelationer, der ikke lader sig beskrive med gængse Poisson-Boltzmann metoder, men kræver istedet en eksplicit saltbeskrivelse.



I udarbejdelsen af de teoretiske modeller, er der lagt vægt på at disse skal være så simple som mulige, men samtidig beskrive systemet i en sådan grad af detalje, så alle væsentlige egenskaber bibeholdes. Sådanne molekylære forenklinger - coarse graining på engelsk - reducerer ikke bare antallet af justerbare parametre, men kræver også væsentlig mindre regnekraft og bidrager med et klart billede af de basale fysiske mekanismer. (Less)
Abstract
Electrostatic interactions in bio-molecular systems are important not only in the living cell but also in more technical applications. Using molecular simulation as well as approximate theories the properties of a number of aqueous protein solutions have been studied. This includes interactions with other proteins, protons, charged membranes as well as flexible polyelectrolytes. The focus is on electrostatic interactions and special attention is put on charge regulation. I.e. how the protonation state of a biomolecule is influenced by nearby charged species. We show that this gives an important contribution to the free energy and that the mechanism can be accounted for by a simple statistical mechanical model. In particular we introduce... (More)
Electrostatic interactions in bio-molecular systems are important not only in the living cell but also in more technical applications. Using molecular simulation as well as approximate theories the properties of a number of aqueous protein solutions have been studied. This includes interactions with other proteins, protons, charged membranes as well as flexible polyelectrolytes. The focus is on electrostatic interactions and special attention is put on charge regulation. I.e. how the protonation state of a biomolecule is influenced by nearby charged species. We show that this gives an important contribution to the free energy and that the mechanism can be accounted for by a simple statistical mechanical model. In particular we introduce the concept of protein capacitance that is the key intrinsic property for quantifying the charge regulation. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Bratko, Dusan, Virginia Commonwealth University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Theoretical chemistry, quantum chemistry, Fysikalisk kemi, Physical chemistry, Protein-protein interactions, Molecular modelling, Proton binding, Protein electrostatics, Monte Carlo simulation, Charge regulation, Teoretisk kemi, kvantkemi
pages
117 pages
publisher
Theoretical Chemistry, Lund University
defense location
Kemicentrum, Auditorium B.
defense date
2006-12-11 13:15
ISBN
91-7422-130-2
language
English
LU publication?
yes
id
9bad7d3f-2d4c-49be-93af-0c3a52fbdd1a (old id 547625)
date added to LUP
2007-10-13 11:19:55
date last changed
2016-09-19 08:45:04
@misc{9bad7d3f-2d4c-49be-93af-0c3a52fbdd1a,
  abstract     = {Electrostatic interactions in bio-molecular systems are important not only in the living cell but also in more technical applications. Using molecular simulation as well as approximate theories the properties of a number of aqueous protein solutions have been studied. This includes interactions with other proteins, protons, charged membranes as well as flexible polyelectrolytes. The focus is on electrostatic interactions and special attention is put on charge regulation. I.e. how the protonation state of a biomolecule is influenced by nearby charged species. We show that this gives an important contribution to the free energy and that the mechanism can be accounted for by a simple statistical mechanical model. In particular we introduce the concept of protein capacitance that is the key intrinsic property for quantifying the charge regulation.},
  author       = {Lund, Mikael},
  isbn         = {91-7422-130-2},
  keyword      = {Theoretical chemistry,quantum chemistry,Fysikalisk kemi,Physical chemistry,Protein-protein interactions,Molecular modelling,Proton binding,Protein electrostatics,Monte Carlo simulation,Charge regulation,Teoretisk kemi,kvantkemi},
  language     = {eng},
  pages        = {117},
  publisher    = {ARRAY(0x9b69510)},
  title        = {Electrostatic Interactions In and Between Biomolecules},
  year         = {2006},
}