Proteins on the edge [Elektronische Ressource] : transitions of structure ensembles in protein unfolding and protein-protein binding / presented by Raik Grünberg

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto Carola University ofHeidelberg, Germany,for the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDiplom Biochemiker Raik Gr nbergborn in Riesaoral examination:Proteins on the edgeTransitions of structure ensembles in proteinunfolding and protein-protein bindingReferees: Prof. Dr. Jeremy C. SmithDr. Michael NilgesContentsZusammenfassung viiSummary ixIntroduction xi1 Structures and ensembles 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Experimental methods for the study of protein dynamics . . . . . 21.2.1 Structure determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2 Dynamic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3 Single molecule experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3 Theoretical methods for the study of protein dynamics . . . . . . 91.3.1 Molecular mechanics models . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.2 dynamics simulations . . . . . . . . . . . . . . 111.3.3 Different simulation regimes . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.4 Covariance analysis of simulations . . . . . . . . . . . . . 141.3.5 Entropy estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.4 Function and dynamics – views in transition . . . . . . . . . . . . 171.4.1 Energy landscape of protein structure . . . . . . . . . . . 171.4.2 Directed unfolding of proteins . . . . . . . . . . . . . . . 191.4.

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Published 01 January 2005
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto Carola University of
Heidelberg, Germany,
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom Biochemiker Raik Gr nberg
born in Riesa
oral examination:Proteins on the edge
Transitions of structure ensembles in protein
unfolding and protein-protein binding
Referees: Prof. Dr. Jeremy C. Smith
Dr. Michael NilgesContents
Zusammenfassung vii
Summary ix
Introduction xi
1 Structures and ensembles 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Experimental methods for the study of protein dynamics . . . . . 2
1.2.1 Structure determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Dynamic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Single molecule experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Theoretical methods for the study of protein dynamics . . . . . . 9
1.3.1 Molecular mechanics models . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 dynamics simulations . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Different simulation regimes . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.4 Covariance analysis of simulations . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.5 Entropy estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Function and dynamics ? views in transition . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1 Energy landscape of protein structure . . . . . . . . . . . 17
1.4.2 Directed unfolding of proteins . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.3 Protein-protein binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
iiiiv CONTENTS
2 Forced unfolding of spectrin repeats 21
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1 The spectrin repeat ? a domain under stress . . . . . . . . 21
2.1.2 Forced unfolding of spectrin repeats and other domains . . 23
2.1.3 Our approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Forced unfolding of wild-type spectrin repeats . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Atomic force microscopy experiments . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Steered molecular dynamics simulations . . . . . . . . . . 28
2.3 From experiment to simulation and back . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 Translating between simulation and experiment . . . . . . 34
2.3.2 Low unfolding forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.3 The variation of unfolding lengths . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.4 Pathways and intermediates . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Comparison with previous studies . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.1 Experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.2 Molecular dynamics simulations . . . . . . . . . . . . . . 46
3 The dynamics of protein-protein binding 49
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 Networks of interacting proteins . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Current models of protein recognition . . . . . . . . . . . 50
3.1.3 The kinetics of interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.4 The thermodynamics of interaction . . . . . . . . . . . . 55
3.1.5 Our approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 The exibility of free binding interfaces . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Current notions of exibility . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 Structural data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.3 Conformational sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.4 De nition of exibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.5 Surface exibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62CONTENTS v
3.3 Free and bound structure ensembles . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.1 Extended conformational sampling . . . . . . . . . . . . 65
3.3.2 Flexibility before and after binding . . . . . . . . . . . . 66
3.3.3 Quasiharmonic analysis and conformational entropy . . . 68
3.3.4 The caveat of quasiharmonic analysis . . . . . . . . . . . 69
3.3.5 Calculation of conformational entropies . . . . . . . . . . 72
3.3.6 Conformational entropy of binding . . . . . . . . . . . . 76
3.3.7 The overall entropy cost (or gain) of binding . . . . . . . 80
3.4 Recognition between structure ensembles . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.1 De nition of ensembles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.2 Ensemble docking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4.3 Measuring the quality of docking solutions . . . . . . . . 85
3.4.4 Complementarity across ensembles . . . . . . . . . . . . 85
3.4.5 Speci city of docking success . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4.6 Recognition conformations . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.7 An ensemble model of exible recognition . . . . . . . . 94
3.4.8 Implications of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.6 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.6.1 Short conformational sampling . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.6.2 Extended sampling . . . . . . . . . . . . 100
3.6.3 Surface patches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6.4 Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6.5 Entropy calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6.6 Docking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.6.7 Randomized reference complexes . . . . . . . . . . . . . 105
3.6.8 Speci city estimate for docking scores . . . . . . . . . . . 105
3.6.9 Miscellaneous analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.6.10 Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4 Conclusion 109
4.1 Proteins on the edge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109vi CONTENTS
4.2 Next? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3 Complexes of complex molecules in complex cells of complex
organisms in a complex environment . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Acknowledgments 115
Publications 117
Bibliography 119Zusammenfassung
Proteine sind st ndig in Bewegung. Diese Beweglichkeit speist sich aus dem kom-
plexen Wechselspiel tausender Atome. Die experimentelle Struktur ? mit ihren ex-
akten Koordinaten f r jedes Atom ? ist also in Wirklichkeit nur der Mittelwert ei-
ner vielf ltigen Mischung von Konformationen. Bewegung ist oft das Bindeglied
zwischen Proteinstruktur und biologischer Funktion, erweist sich aber gleichzei-
tig 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 Zust nden. Wie es scheint, kommt die in der
Struktur verborgene Vielfalt gerade dann zum Tragen, wenn sich das komplexe
Molek l im Ungleichgewicht, im ber gang oder, anders ausgedr ckt, in biologi-
scher Aktion be ndet.
Netzwerke aus in vielfacher Kopie aneinandergereihten Spektrindom nen ver-
leihen der Membran von Erythrozyten bemerkenswerte Elastizit t. Die Beweg-
lichkeit der Dom ne hinterl sst deutliche Spuren in mechanischen Entfaltungsex-
perimenten an einzelnen Molek len. Wie Simulationen zeigen, entscheiden zuf l-
lige Fluktuationen, wie lange sich die Spektrindom ne mechanischer Belastung
widersetzt und ob nicht-native Strukturen die vollst ndige Entfaltung aufhalten.
Diese Unsch rfe der einzelnen Glieder, gemittelt ber die gesamte Kette, bedingt
vermutlich eine gleichm ige R ckstellkraft ber einen sehr weiten Dehnungsbe-
reich. Experimente an gezielt ver nderten Spektrindom nen unterst tzen dieses
Bild. Die Elastizit t roter Blutzellen beruht also vielleicht auch auf der chaoti-
schen Bewegung einzelner Proteinabschnitte.
Die meisten Proteine agieren nicht allein, sondern nden sich eingebettet in
ein dichtes Netz von Wechselwirkungen. Fluktuationen der Struktur haben offen-
bar betr chtlichen Ein uss sowohl auf die Stabilit t 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 Verst ndnis. Ich vergleiche die Dynamik von 17
Proteinkomplexen und den daran beteiligten Partnern. Wie die umfangreichen Si-
mulationen enth llen, sind freie Bindungsstellen deutlich exibler als die restliche
Ober che des Proteins. Entgegen der blichen Annahme wird aber die allgemei-
viiviii ZUSAMMENFASSUNG
ne Beweglichkeit der Proteine im Komplex nicht grunds tzlich eingeschr nkt. Die
Bindung kann sowohl mit dem Verlust als auch mit dem Gewinn von konformel-
ler Entropie einhergehen. Auch die Vorstellungen vom Erkennungsvorgang selbst
ziehen die Flexibilit t von Proteinen bisher kaum in Betracht. Ich verkn pfe die
Simulationen mit einer systematischen Untersuchung der Passgenauigkeit zwi-
schen verschiedenen Konformationen der beiden Bindungspartner. Erkennung er-
fordert oft spezi sche Varianten der freien Struktur. Mein erweitertes Modell f r
den Mechanismus der Proteinbindung tr gt dem Rechnung und erscheint besser
vereinbar mit theoretischen und experimentellen Daten.