Computational Studies of Transmembrane Proteins
Creators: name: Kumar, Deepak
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023

description: Wechselwirkungen zwischen Membranproteinen oder -peptiden spielen eine zentrale Rolle bei einer Vielzahl von biochemischen Prozessen wie Signalempfang, Enzyminhibition, dem Transport verschiedener gelöster Stoffe durch die Membran und der Aktivierung von Proteinen durch Signaltransduktion. Ziel der vorliegenden Studie war es, die strukturellen, physikalischen und atomistischen Eigenschaften von Biomolekülen, die in Phospholipid Doppelschichten eingebettet sind, mit Hilfe von computergestützten Simulationen zu untersuchen. Der erste Teil dieser Arbeit zielt darauf ab, mechanistische Details über Wassertransfer- und Protonentransferreaktionen in der tetrameren Ladungszipper-TisB-Assemblierung von Peptiden, die in eine Doppelschicht eingebettet sind, zu liefern. Die Bildung von Persister-Zellen gehört zu den wichtigsten Strategien von Bakterienpopulationen, um sich einer Antibiotikabehandlung und äußerem Stress zu entziehen. E. coli überproduziert das amphiphile $\alpha$-helicale Peptid TisB (toxisches Protein) in die innere Membran, was wiederum zur Bildung von Biofilmen führt. Folglich wird der elektrochemische Gradient an der Membran der Bakterienzelle gestört. Wir haben eine lange All-Atom Simulation ausgewählter Strukturen durchgeführt und eine Enhanced Sampling Simulation eingesetzt, um den Wassertransfer zu untersuchen, der durch die polare Schnittstelle der TisB-Anordnung erleichtert wird. Außerdem haben wir QM/MM-Simulationen eingesetzt, um den detaillierten molekularen Mechanismus und die Energetik des Protonentransports zu untersuchen. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Strukturanalyse des tetrameren und hexameren E5-PDGFR$\beta$-Komplexes. Durch hochspezifische Wechselwirkungen zwischen den Transmembran-Helices wird der Platelet-Derived Growth Factor-Rezeptor PDGFR$\beta$ durch das Onkoprotein E5 aktiviert. Wir haben 2~$\mu$s lange klassische MD-Simulationen mit drei verschiedenen Protokollen durchgeführt. Unsere MD-Simulation sergebnisse wurden durch experimentelle Ergebnisse aus der Gruppe von Prof. Dr. Anne S. Ulrich vom KIT ergänzt. Die vorgeschlagenen tetrameren und hexameren Modelle bilden E5-PDGFR$\beta$-Heterokomplexe durch spezifische Wechselwirkung von Thr513-Gln17 und Lys499-Asp33, was auch durch unsere MD-Simulation bestätigt wird. Unsere Simulationsergebnisse stimmen perfekt mit den experimentellen Beobachtungen überein. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit den Aquaporinen aus der Familie der Tonoplast Intrinsic Proteins (TIP). Diese Proteine sollen für eine erleichterte Permeation von Wasser und Ammoniak durch die Vakuolenmembran von Pflanzen verantwortlich sein. Das Experiment deuten darauf hin, dass die Durchlässigkeit von Wasser und Ammoniak durch Aquaporin AtTip2;1 in der Gelphase geringer ist als in der Flüssigphase. Wir haben 3 $\mu$s lange klassische MD-Simulationen in zwei Lipidphasen durchgeführt. Zu jeder Lipidphase wurden drei Sätze von Simulationen durchgeführt: (1) reines Wassersystem, (2) System mit 1000 NH$_3$ und (3) System mit 1000 NH$_4^+$. Im Gegensatz zu den experimentellen Beobachtungen zeigt unsere MD-Simulation auch eine geringere Durchlässigkeit von NH$_3$ und H$_2$O in der Gelphase des Lipids. Die Permeabilität von NH$_3$ durch AtTIP2;1 in der Gelphase des Lipids ist in unserer Simulation erheblich blockiert, was ebenfalls mit experimentellen Daten übereinstimmt. Obwohl NH$_4^+$-Ionen das AtTIP2;1 nicht durchdringen, zeigt unsere Simulation eine Verringerung der Permeabilität des H$_2$O um die Hälfte im Vergleich zum reinen Wassersystem in der Flüssigphase, was auch durch Experimenten gestützt wird.