Aromatic Ring Flips and Local Volume Fluctuations in BPTI
(2022) KFKM05 20212Biophysical Chemistry
- Abstract
- Aromatic ring flips are a classic example of a dynamic process in proteins. Discovered decades ago, methodological limitations hindered progress at the time. Ring flips have gained new interest and experimentalists can measure the flip rate and thermodynamic quantities associated with it. Molecular Dynamics (MD) simulations provide atomic resolution data and can complement the experimental work since it allows us to 1) compare theoretical and experimental values, 2) distinguish between local and global activation volumes and 3) elucidate the ring flip mechanism. Ring flips are slow processes and an enhanced sampling technique is necessary to sample them in reasonable computational times. Metadynamics, an enhanced sampling technique, works... (More)
- Aromatic ring flips are a classic example of a dynamic process in proteins. Discovered decades ago, methodological limitations hindered progress at the time. Ring flips have gained new interest and experimentalists can measure the flip rate and thermodynamic quantities associated with it. Molecular Dynamics (MD) simulations provide atomic resolution data and can complement the experimental work since it allows us to 1) compare theoretical and experimental values, 2) distinguish between local and global activation volumes and 3) elucidate the ring flip mechanism. Ring flips are slow processes and an enhanced sampling technique is necessary to sample them in reasonable computational times. Metadynamics, an enhanced sampling technique, works by applying a bias potential which “fills up” energy minima for a system coordinate, often called Collective Variable (CV) and while the dynamics are inherently non-physical, rare events can be sampled, thus creating extended ensembles. I have calculated the local activation volumes for buried residues in Bovine Pancreatic Trypsin Inhibitor(BPTI) in metadynamics trajectories and found qualitative agreement with experimental studies, showing that there is a positive activation volume associated with flips. I have also calculated the compressiblity of the transition state ‡κ=5.40*10−4 bar−1, developed an indirect CV that can force ring flips if biased and showed that solvation may be associated with flip kinetics. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Protein är inte bara "det man ska äta mycket av om man är fysiskt aktiv". Det är en klass av molekyler som spelar en roll i alla biologiska funktioner som vi känner till. Allt från muskelaktivitet till igenkännandet av signalsubstanser i hjärnan. Proteiner är tillsammans med DNA och RNA livets hörnstenar och att förstå dem skulle drastiskt förbättra förutsättningarna för att utveckla säkra och effektiva läkemedel.
Proteiner är stora, långa molekyler bestående av hoppusslade kemiska enheter som kallas aminosyror. De får sin funktion i stor utsträckning från sin tredimensionella struktur och hur den ändrar sig på molekylär nivå. På detta sätt kan man likna dem vid olika typer av mänskligt skapade maskiner, men på molekylär skala är... (More) - Protein är inte bara "det man ska äta mycket av om man är fysiskt aktiv". Det är en klass av molekyler som spelar en roll i alla biologiska funktioner som vi känner till. Allt från muskelaktivitet till igenkännandet av signalsubstanser i hjärnan. Proteiner är tillsammans med DNA och RNA livets hörnstenar och att förstå dem skulle drastiskt förbättra förutsättningarna för att utveckla säkra och effektiva läkemedel.
Proteiner är stora, långa molekyler bestående av hoppusslade kemiska enheter som kallas aminosyror. De får sin funktion i stor utsträckning från sin tredimensionella struktur och hur den ändrar sig på molekylär nivå. På detta sätt kan man likna dem vid olika typer av mänskligt skapade maskiner, men på molekylär skala är spelreglerna annorlunda. I allmänhet har vi god förståelse för de principer och lagar som gäller för mänskligt skapade maskiner, men så är inte fallet för protein.
Ett mål inom proteinforskningen är därför att förstå proteinernas rörelser, deras dynamik. Proteiners dynamik är dels associerad med dess funktion, exempelvis enzymatisk katalys, men det finns också rörelser som saknar direkt koppling till den utförda funktionen, vilka kan vara svåra att rationalisera.
I detta arbete har jag med hjälp av simuleringsverktyg försökt att förstå en känd dynamisk process som kallas aromatisk ringvändning, eller "aromatic ring flip" på engelska. Dessa aromatiska ringar är ofta tätt packade i proteinernas mitt och för att de ska kunna vända sig krävs att utrymme skapas kring dem. Detta kräver energi och kan jämföras med hur en dörr blir tung att öppna om man ställer något i vägen för den. I projektet undersöks hur mycket volym som behöver skapas och hur denna är tryckberoende. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9069524
- author
- Enbom, Simon LU
- supervisor
- organization
- course
- KFKM05 20212
- year
- 2022
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Biophysical Chemistry, Molecular Dynamics, Protein Dynamics, Activation Volume, Aromatic Ring Flips, BPTI
- language
- English
- id
- 9069524
- date added to LUP
- 2022-02-11 13:26:43
- date last changed
- 2022-02-11 13:26:43
@misc{9069524,
abstract = {{Aromatic ring flips are a classic example of a dynamic process in proteins. Discovered decades ago, methodological limitations hindered progress at the time. Ring flips have gained new interest and experimentalists can measure the flip rate and thermodynamic quantities associated with it. Molecular Dynamics (MD) simulations provide atomic resolution data and can complement the experimental work since it allows us to 1) compare theoretical and experimental values, 2) distinguish between local and global activation volumes and 3) elucidate the ring flip mechanism. Ring flips are slow processes and an enhanced sampling technique is necessary to sample them in reasonable computational times. Metadynamics, an enhanced sampling technique, works by applying a bias potential which “fills up” energy minima for a system coordinate, often called Collective Variable (CV) and while the dynamics are inherently non-physical, rare events can be sampled, thus creating extended ensembles. I have calculated the local activation volumes for buried residues in Bovine Pancreatic Trypsin Inhibitor(BPTI) in metadynamics trajectories and found qualitative agreement with experimental studies, showing that there is a positive activation volume associated with flips. I have also calculated the compressiblity of the transition state ‡κ=5.40*10−4 bar−1, developed an indirect CV that can force ring flips if biased and showed that solvation may be associated with flip kinetics.}},
author = {{Enbom, Simon}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Aromatic Ring Flips and Local Volume Fluctuations in BPTI}},
year = {{2022}},
}