MDCK-MRP2 - Dkfz

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Forschungsschwerpunkt B
Funktionelle und Strukturelle Genomforschung
In den letzten Jahren konzentrierten sich unsere Aktivitäten
im Bereich der MS-bezogenen Proteomik auf die Weiterentwicklung
der relevanten Bioinformatik-Methoden. Wie oben
beschrieben, ist der problematischste Aspekt bei der Verarbeitung
von MS/MS Daten, dass unser Wissen über die
Fragmentationswege von protonierten Peptiden noch sehr
beschränkt ist. Unsere ursprüngliche Idee war, die sehr
komplizierten Reaktionsmuster der Peptidfragmentation mittels
eines intensiven Zusammenspiels von theoretischen,
experimentellen und auf Bioinformatik basierenden Methoden
anzugehen. Es wurden dafür moderne Werkzeuge
der theoretischen Chemie angewendet [2-7], um Einblick
in die Einzelheiten der wichtigsten Fragmentationswege
von protonierten Peptiden zu gewinnen. Unser Hauptziel
bei diesen Untersuchungen war, die zugrunde liegende Chemie
der Peptidfragmentation auf einer solchen Ebene zu
verstehen, die es uns ermöglichen würde, Ionen-Intensitäts-Beziehungen
für die MS/MS Spektren von protonierten
Peptiden nicht nur zu erklären, sondern auch vorherzusagen.
Die abgeleitete Fragmentationseigenschaft wurde kontinuierlich
überprüft durch den Vergleich von theoretischen
mit experimentellen Daten, die für die gleichen Modellsysteme
erzielt worden waren.
Aufgrund unserer intensiven Forschungsarbeit in den letzten
fünf Jahren sind die wichtigsten Eigenschaften der
Peptidfragmentation jetzt bekannt [1]. Wir haben damit
angefangen, die Fragmentationschemie von kleinen Peptiden
zu untersuchen, um die energetischen und kinetischen
Einzelheiten der beteiligten Fragmentationswege zu verstehen.
Als eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Untersuchungen
haben wir die generellen b -y Pfade der
x z
Peptidfragmentation aufgestellt und sie durch Einschluss
der wichtigsten mechanistischen, energetischen und kinetischen
Aspekte vollständig charakterisiert. Wir haben
gezeigt [2], dass die b -y Pfade zum Verständnis und zur
x z
Vorhersage der MS/MS Spektren von Peptiden verwendet
werden können.
Eine approximative DFT-Methode für QM/MM
Simulationen von Biomolekülen
M. Elstner, K. Jalkanen, M. Knapp-Mohammady,
T. Niehaus, S. Suhai
Während der letzten Jahre haben wir eine effiziente Annäherung
an die Dichtefunktionaltheorie (DFT) entwickelt,
das sogenannte Self-Consistent-Charge Density Functional
Tight-Binding Scheme (SCC-DFTB) [8-11]. Zur Erweiterung
seiner Anwendbarkeit auf biomolekulare Strukturen wurde
diese Methode in quantummechanische/ molekularmechanische
(QM/MM) und lineare Scalingschemata implementiert
und mit einer empirischen Behandlung der
Dispersionskräfte angereichert [12]. Es wurden auch mehrere
verschiedene QM/QM Kombinationen getestet und
die SCC-DFTB QM/MM Methode auf Protontransfer (PT)
Reaktionen und Enzyme angewendet. Die Rechengeschwindigkeit
von SCC-DFTB ermöglicht nicht nur die
Berechnung der Minimumenergiepfade für den PT, sondern
auch des Potentials der Durchschnittskraft.Die Entwicklungen
ermöglichten zum ersten Mal realistische QM Simulationen
von Polypeptiden [16] und einen DNS Dodecamer
in der ns Zeitskala [14]. Erste Schritte hin zur Berechnung
von angeregten Zuständen waren auch erfolgreich [8, 15].
Abteilung B020
Molekulare Biophysik
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Intermolekulare Wechselwirkungen in
Biopolymeren
B. Paizs, S. Suhai
Mit Hilfe von empirischen Kraftfeldern, die in der Vergangenheit
für dynamische Simulationen von großen Strukturen
mit ab-initio Berechnungen parametrisiert wurden, ist
es nicht möglich, reale chemische Reaktionen im aktiven
Zentrum eines biologischen Systems zu beschreiben, wo
effiziente quantummechanische Methoden von entsprechender
Genauigkeit benötigt werden. Das Ziel verschiedener
Projekte in unserer Gruppe war eine Verbesserung der
Leistung und Genauigkeit der Rechenverfahren in diesem
Gebiet, einschließlich large-scale Strukturoptimierungen
[16] und der Eliminierung des Basis Set Superposition Errors
[17-20].
Hydrationseffekte und Simulation von IR, CD,
VCD, Raman und Raman optischen Spektren in
Peptiden und Proteinen
K. Jalkanen, M. Elstner, M. Knapp-Mohammady,
S. Suhai
Die meisten molekulardynamischen Simulationen von Biopolymeren
leiden unter der Tatsache, dass es sehr schwierig
ist, die Anwesenheit der wässrigen Umgebung der lebendigen
Zelle einzuschließen, die wiederum die strukturellen
und funktionellen Eigenschaften der untersuchten Moleküle
substantiell beeinflußt. Zur Verbesserung der Vorhersagekraft
solcher Simulationen über die für Vakuum erzielten
Ergebnisse hinaus führten wir verschiedene Untersuchungen
an Modellsystemen durch, um die Hydrationseffekte
auf die strukturellen und spektralen Eigenschaften dieser
Moleküle zu verstehen [21-22]. Ferner haben wir auch
bei verschiedenen Spektren (vibrational absorption, VA,
vibrational circular dichroism, VCD, Raman scattering und
Raman optical activity, ROA) die Intensitäten simuliert [21-
23]. Das Ziel bei diesen Untersuchungen war die strukturellen
und funktionalen Implikationen im Fall von mittelgroßen
Peptidmodellen zu verstehen, um in der Lage zu sein,
größere Proteinmoleküle zu modellieren und die Ergebnisse
von experimentellen Untersuchungen zu interpretieren
[23].
Protontransfer in Bakteriorhodopsin (bR)
N. Bondar, M. Elstner, S. Suhai
Der primäre Protontransferschritt in bR beinhaltet den Transfer
des NH Protons der retinalen Schiff Base nach Asp85
[24]. Zur Bestimmung des Protontransfermechanismus
wurden hier kombinierte quantummechanische/molekularmechanische
Reaktionspfadberechnungen durchgeführt
[25]. Wir haben herausgefunden, dass der Protontransfer
ausgeht von einem Zustand, in dem die NH Gruppe der
Schiff Base zur zytoplasmatischen Seite hin orientiert ist,
d. h. in die entgegengesetzte Richtung zum Protontransfer.
Es gibt drei approximative isoenergetische Pfade mit Barrieren
in Übereinstimmung mit dem Experiment. Zwei davon
erfordern eine erhebliche Proteinflexibilität, wobei eine den
direkten Transfer nach Asp 85 beinhaltet und die andere
die Reorientierung der Schiff Base zu der extrazellulären
Seite gefolgt von einem konzertierten Protontransfer mit
einem Wassermolekül und Asp 212. Der dritte Pfad, bei
dem die aktive Seite starr bleibt, involviert Thr89 als einen
Zwischenprotonträger [26].