Makromoleküllerin simülasyonunda solvent etkilerinin araştırılması ve etkin algoritmaların geliştirilmesi
Investigation of solvation effects in simulations of macromolecules and development of effective algorithms
Yazar: GÖKHAN GÖKOĞLU
Danışman: PROF.DR. TARIK ÇELİK
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Monte Carlo benzetimi = Monte Carlo simulation ; Proteinler = Proteins

Özet:
Protein ve polipeptitlerde, 3D yapının biyolojik aktivite üzerinde büyük etkisi olduğu bilinmektedir. Biyolojik olmayan ancak nanoteknolojik uygulamalar açısından önem taşıyan bazı polimerlerde de konformasyon ve işlev arasında ilişki bulunmuştur. Bu gerçekler, proteinlerin hangi fiziksel koşullar altında, neden ve nasıl katlandığı sorusunu gündeme getirmektedir. Son yıllarda çok sayıda teorik ve deneysel çalışma, bu tür makromoleküllerin 3D kararlı yapısının belirlenmesi üzerine odaklanmıştır.Özellikle proteinler ve spin camlar gibi kompleks sistemlerin potansiyel enerji yüzeyleri çok sayıda lokal minimuma sahip olup girintili çıkıntılıdır. Simülasyon sırasında sistemin bu lokal minimumlardan birine takılması sonucu sistemin konfigürasyon uzayı yeterince örneklenemez. Bu nedenle sisteme ilişkin bulunan değerler büyük ölçüde gerçeği yansıtmaktan uzaktır. Başta multikanonik teknik olmak üzere genelleştirilmiş küme algoritmaları, potansiyel enerji yüzeyinde bir boyutlu bir rasgele yürüyüş yaparak sistemin olası tüm konfigürasyonlarının örneklenmesini olanaklı kılar. Multikanonik simülasyon tekniği, klasik simülasyon tekniklerinin birçoğunda karşılaşılan kritik yavaşlama, ergodisitenin bozulması gibi sorunlarda iyileşme sağlamıştır. Bu tür sorunlarla sık karşılaşılan faz geçişi ve optimizasyon problemlerinde multikanonik algoritma, metropolis, heat-bath gibi algoritmalarla karşılaştırıldığında üstünlüğe sahiptir.Bu çalışmada genelleştirilmiş küme algoritmaları; çözücü içerisindeki çeşitli polipeptit zincirlerinde birincil (primary, amino asit dizilimi) yapıdan yola çıkılarak ikincil yapının konformasyon uzayının belirlenmesi amacıyla kullanılmıştır. Genel anlamda, polipeptit zincirlerinin içinde bulunduğu ortam ile etkileşmesini ifade eden çeşitli çözücü (solvent) yaklaşımları simülasyonlarda kullanılarak, çözücü moleküllerinin protein ve polipeptit konformasyonları üzerindeki etkisi derinliğine irdelenmiş, çözücü modellerinin doğasındaki fiziksel etkileşmeler göz önüne alınarak geçerlilikleri araştırılmıştır. Bu etkileşmelerin, simülasyon algoritmalarının işleyişi üzerindeki etkileri de araştırılarak çeşitli algoritmaların bu sistemlerin incelenmesindeki kullanılabilirliği tartışılmıştır.Anahtar Kelimeler: Protein katlanması, simülasyon teknikleri, çözücü etkileri, multikanonik teknik.

Abstract:
It is well known that 3D structure of proteins and polypeptides plays an important role due to their biological activities. The relation between structure and function is also identified for some polymers which are non-biologic and have important nano-technological applications. These facts pronounce some important questions such that how and why proteins fold. In recent years, number of theoretical and experimental studies focus on the determination of 3D stable structures of these kind of macromolecules.Complex systems like proteins and spin glasses have rough energy landscape consisting tremendous number of local minima. In simulation process, if the systems is trapped in one of the these local minima, configuration space of the system cannot be sampled effectively. In this case, the obtained data for the system would be far from the reality. Generalized ensemble algorithms, specially multicanonical technique, perform a one-dimesional random walk in energy space and enables one to sample all possible configurations of the system. Multicanonical simulation technique overcomes the problems on ergodicity, critical slowing down and trapping which are encountered in conventional simulation methods. Therefore, it has an advantage in phase transition and optimization problems compared to metropolis and heat-bath algorithms.Generalized ensemble techniques have been used for the determination of conformational space of secondary structure of polypeptide chains in solvent starting from their amino acid sequence. Solvent approximations, which mimics the interaction of polypeptide chain with the environment, was used in simulations and effects of solvent molecules on protein conformations were investigated. Validity of solvent models was discussed by means of all known physical interactions. The effects of these interactions on functions of simulation algorithms was also investigated and feasibility of various algorithms in simulation of these systems were discussed.Keywords: Protein folding, simulation techniques, solvation effects, multicanonical technique.