Moleküler dinamik simülasyon metodu ile bazı peptitlerin ikincil yapılarının incelenmesi
Investigation of the secondary structures of some peptides by molecular dynamics simulation method
Yazar: MURAT ERMAN OĞUZ
Danışman: PROF. DR. FATİH YAŞAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Moleküler dinamik = Molecular dynamic

Özet:
Bir proteinin termodinamik özellikleri ile kararlı yapılarının belirlenmesinde deneysel yöntemler önemli bir yer tutar. Özellikle 3 boyutlu yapılarının belirlenmesinde X-ışınları, Nükleer Magnetik Resonans gibi değişik spektral yöntemler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla beraber, herhangi bir peptit veya proteinin dinamik davranışı ya da meydana gelen katlanma olayının anlaşılmasında yeterli bilgi deneysel yöntemlerden elde edilemeyebilir. Ya da, sentezlenen herhangi bir peptit veya proteinin yaşam ömrünün kısa olması, deneysel yöntemlerin kullanım etkinliğini azaltacaktır. Bu gibi durumlarda sistemin anlaşılması için kuramsal yöntemlere başvurulması kaçınılmaz olur.Diğer taraftan protein yapılarının oldukça yüksek esnekliğe sahip olması, anormal sayıda mümkün konformasyonlara neden olmaktadır. Çok sayıda serbestlik derecesine sahip bu tür sistemlerin kuramsal açıdan anlaşılması oldukça zordur. Tamamı ile yeni matematiksel yaklaşımlarla bu sistemler izah edilmeye çalışılmasına rağmen, en önemli bilgilerin simülasyon çalışmaları ile elde edileceği bilinmektedir (Hao and Scheraga, 1994; Hansmann and Okamoto, 1993; 1997, Okamoto, 1998). Bu nedenledir ki son otuz yıldır proteinlerin düşük enerjili konformasyonları simülasyon teknikleri ile örneklenmeye çalışılmaktadır (Meirovitch et al., 1997, Baysal and Meirovitch, 1997).Proteinin sahip olduğu yapı ve dinamiği incelemek ve bilgi edinmek için yoğun olarak kullanılan yöntemlerden birisi Moleküler Dinamik (Adler ve Wainwright, 1957) simülasyonu tekniğidir. Ancak, simülasyon açısından bakıldığında, Moleküler Dinamik simülasyonlarının, protein veya peptitlerin gerçek konformasyon uzaylarının tümünü elde etmede zorlukları vardır. Bu zorluğu yaratan ana sebep, özellikle düşük sıcaklıkta, yüksek enerjili bariyerle ayrılmış çok sayıda enerji vadilerinden birinde takılıp kalmasıdır.Bu tez çalışmasında, gıda zehirlenmelerine sebep olan Staphylococcal enterotoxin B toksinlerinin saptanmasında biyosensör olarak kullanılması öngörülen vedeneysel yöntemlerle sentezlenmiş, herbiri 12 amino-asitten oluşan üç farklı peptit dizilimlerinin (Ceyda et al., 2010) doğal konformasyonlarının deterministik bir yaklaşım olan Moleküler Dinamik tekniği ile incelenmesini amaçlamıştır. Klasik MD simulasyonlarında bilinen sorunların üzerinden gelinebilmesi için belirlenen bir protokol izlenmiştir.Deneysel yöntemlerle sentezlenen bu peptitlerin X-ışını veya NMR spektral teknikleri ile elde edilmiş kararlı yapılarını bulunmamaktadır. Buna karşın, aynı peptitlerin ?Circular Dichroism? (CD) spektral yöntemi ile edilmiş bilgiler bulunmaktadır. CD bilgilerinden, her üç peptit diziliminde genel olarak rasgele sarmal, beta-dönüşleri, beta-yaprağı ve helis yapısı göstereceği ilgili çalışmada ifade edilmiştir. Bilindiği üzere CD yöntemi belirlediği bu ikincil yapıların hangi amino-asitleri kapsadığı bilgisi yer almamaktadır.Bu tez çalışması, ilgili peptitlerin sahip olabilecekleri bu yapıların MD simülasyon tekniği ile gözlenip gözlenemeyeceğinin araştırılması, eğer gözlemlenebiliyor ise hangi amino-asitler arasında daha baskın olarak oluşabileceğinin araştırılmasını hedeflemiştir. Bu kapsamda yapılan tez çalışmasında, ilgili peptitlerin MD simulasyonları için tamamı ile birincil yapıdan başlayarak elde edilmiş sonuçlar, deneysel sonuçlarla uyuşum halde olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
The experimental methods plays an important role in determining thermodynamic properties and the stable structures of a protein. In various spectral methods such as nuclear magnetic resonance or x-ray is widely used to determinate 3-dimensional structure. However, experimental methods may not be obtained enough information in understanding the dynamic behavior or folding of any peptide/protein. Also, any peptide or protein to be produced in a short lifetime, will reduce the efficiency of the use of experimental methods. In such cases, the system will inevitably be resorted to understand with the theoretical methods.On the other hand protein structures have a very high level of flexibility that causes the abnormal number of possible conformations. Such a these system which have large number of degrees of freedom is very difficult to understand theoretically. Although, these systems to be explained with the new mathematical approaches to working, is known to be the most important information obtained by the simulation studies (Hao and Scheraga, 1994; Hansmann and Okamoto, 1993; 1997, Okamoto, 1998). Therefore, the last thirty years has been tried to analyze the low-energy conformations of proteins with simulation techniques (Meirovitch et al., 1997, Baysal and Meirovitch, 1997).To investigate of protein structure and dynamics, Moleculer Dynamics (MD) (Adler and Wainwright, 1957 ) technics have been used extensively. From the point of simulations, Molecular Dynamics methods is not well suited for obteining a true sample of the complete conformational space of realistic protein and peptides. The main factor that create this difficulty is the very rugged shape of potential energy surface of protein and peptides which usually causes conventional simulation methods to be come trapped in the valley of a particular energy minimum at relatively low temperature.In this thesis, we aimed to examine natural conformations of experimentaly produced three different bosensors peptide sequences by Molecular dynamics simulations. These peptides are used for detection of Staphylococcal enterotoxin B toxins which causes food poisoning. For all MD simulations, we followed a protocol set to come out of the known issues about classical MD simulations.Up to now, there is no three-dimensional conformations of these peptide sequences, which have been obtained with spectral techniques as X-ray or NMR. However, the information of these peptides was obtained by ?Circular Dichroism? (CD) spectral method. According to CD results, all three peptide sequences show random coil, beta-sheet, turn and helix structure, mainly. But, (CD) spectral method is not included information which residues covered by these secondary structures. In this context, the thesis demonstrated that the results obtained from MD simulations are consistent with the experimental results.