title: Synthetische und theoretische Methoden zur Bestimmung korrelierter Dynamiken in Miniproteinen
title: Synthetic and theoretical methods for the determination of correlated dynamics in miniproteins
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Horx, Philip
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2021
Subjects: Chemistry &amp; allied sciences
Chemie
Peptide
Zinkfinger
NMR-Spektroskopie
Metadynamik
MD-Simulation
synthetische Aminosäuren,

description: The purpose of the present work was to elucidate the correlated dynamics of various bioorganic systems with different time scales, using synthetic as well as analytical and theoretical methods. First, the characteristics of the motions of a dimeric tetradisulfide were established. Previous experimental studies postulated a directional hinge motion of the V-shaped structure composed of two β-hairpin motifs. NMR structure calculations followed by MD simulations allowed the initial capture of the overall dynamics. The dominant motions, opening and closing and twisting of the β-hairpins, were identified by principal component analysis. To overcome the limited sampling, collective variables were selected in analogy to the principal components and subsequently used in a wt-metadynamics to accelerate the exploration of the conformational space. The resulting free energy surface permitted the identification of a mechanism for the hinge-type motion. In addition to characterizing the dynamics of the isolated hinge peptide, this structural motif was simulated in a protein environment, the four-helix bundle. In the second chapter, the hydrophobic core dynamics of a zinc finger peptide was investigated by a combination of experimental and theoretical methods. Structure calculations and MD simulations revealed a restricted rotation of the central phenylalanine around χ2, which nevertheless allowed the formation of an AA'BB'C spin system in the NMR spectra. In order to accurately describe the orientation of the phenyl in the hydrophobic core, tolyl/xylyl derivatives were synthesized that led to a symmetry breaking of the degenerate rotation. This methyl hopping around the aromatic ring highlighted that ε-substitutions led to a single orientation, while modifications on the δ-position allowed a restricted rotation. The energy profile was again obtained by metadynamics and is in good agreement with the experimental results. Finally, the dynamics of β,β-diaryl-α-amino acids hybrids was investigated. NMR spectroscopy provided evidence for a dependent rotation of the side chains the so-called gearing. The combination of MD simulation and metadynamics revealed an increase in the energy barrier compared to the corresponding natural amino acid precursors, but the low interlocking of the aromatic rings prevented continuous gearing. Instead, gear slip was identified as the dominant form of motion. Based on ab initio calculations, substitution patterns within the side chain were postulated that not only feature adequate energy barriers and interlocking suitable for gearing but would also be synthetically accessible. The present work provides significant contributions for the characterization of correlated dynamics of bioorganic systems and thus extends the foundation for targeted design of structural motifs.
description: Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung der korrelierten Dynamik verschiedener bioorganischer Systeme mit unterschiedlichen Zeitskalen, wobei sowohl synthetische als auch analytische und theoretische Methoden zum Einsatz kamen. Zunächst wurde die Charakteristik der Bewegung eines dimeren Tetradisulfid beschrieben. Zuvor durchgeführte experimentelle Studien postulierten eine gerichtete Scharnierbewegung der V-förmigen Struktur, die sich aus zwei β-hairpin-Motive zusammensetzt und als kodierbare Dimerisierungsdomäne verwendet wurde. NMR-Strukturberechnungen, gefolgt von MD-Simulationen erlaubten die initiale Erfassung der Gesamtdynamik. Die dominanten Bewegungen, das Öffnen und Schließen sowie die Verdrillung der β-hairpins wurden durch Hauptkomponentenanalyse identifiziert. Um das begrenzte sampling zu überwinden, wurden kollektive Variablen in Analogie zu den Hauptkomponenten ausgewählt, die anschließend in einer wt-Metadynamik zur Beschleunigung der Simulation eingesetzt wurden. Die daraus resultierende freie Energiefläche erlaubte die Identifikation eines Bewegungsmechanismus für das Scharnier-Peptid. Neben der Charakterisierung der Dynamik des isolierten Scharnier-Peptids, wurde dieses Strukturmotiv in einer Proteinumgebung, dem vier-Helix-Bündel betrachtet. Anschließend wurde die Dynamik des hydrophoben Kerns eines Zinkfingerpeptides durch eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden untersucht. Strukturberechnungen und MD-Simulationen enthüllten eine eingeschränkte Rotation des zentralen Phenylalanins um χ2, die dennoch die Ausbildung eines AA'BB'C-Spin-Systems im NMR-Spektrum erlaubt. Um die Orientierung des Phenyls im hydrophoben Kern präzise beschreiben zu können, wurden Tolyl/Xylyl-Derivate synthetisiert, die zum Symmetriebruch der Rotation führten. Dieses Methyl-Hüpfen um den aromatischen Ring zeigte, dass ε-Substitutionen zum Ausfrieren der Dynamik führten, während Modifikationen der δ-Position eine eingeschränkte Rotation erlaubten. Das Energieprofil konnte erneut durch Metadynamiken erhalten werden und steht in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Abschließend wurde die Dynamik von β,β-Diaryl-α-Aminosäurehybriden untersucht. NMR-Spektroskopische Studien lieferten Hinweise für eine abhängige Rotation der Seitenketten, dem sogenannten gearing. Die Kombination aus MD-Simulation und Metadynamiken enthüllte zwar eine Erhöhung der Energiebarriere im Vergleich zu den entsprechenden natürlichen Aminosäurevorläufern, jedoch verhindert die geringe Verzahnung der aromatischen Ringe kontinuierliches gearing. Stattdessen konnte der Zahnradschlupf als dominierende Bewegungsform identifiziert werden. Auf der Basis von ab initio Berechnungen wurden Substitutionsmuster innerhalb der Seitenkette postuliert, die nicht nur eine adäquate Energiebarriere und Verzahnung für molekulares gearing besitzen, sondern auch synthetisch zugänglich wären. Die vorliegende Arbeit liefert entscheidende Beiträge zur Charakterisierung korrelierter Dynamiken von bioorganischen Systemen und erweitert somit die Grundlagen zum gezielten Designen von Strukturmotiven.