Mutasyonların protein termodinamiğine etkilerinin moleküler dinamik yöntemle incelenmesi
Protein thermodynamic effects of mutations investigation in the with molecular dynamics method
Yazar: KAMBER KAŞALİ
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN KAYA
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Biyofizik = Biophysics ; Biyoistatistik = Biostatistics ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Deneysel olarak iki durum termodinamik davranışı gösteren proteinlerden tavuk beyninde bulunan alfa spectrin (pdb kodu: 1U5P) protein için mutasyonların protein dinamiğini nasıl etkilediğini inceledik. Bu amaçla basitleştirilmiş zincir temsili ve amino asitlerin fiziko kimyasal özelliklerini içeren heterojen etkileşimli protein modelleri geliştirilmiştir. Modelleme çalışmamızda Langevin dinamiği içeren moleküler dinamik simülasyon tekniği kullanılmıştır. Katlanmış yapıda olmayan itici etkileşmelerin protein dinamiğine dahil edildiği ve edilmediği durumlarda protein termodinamiği incelenmiş; itici etkileşmelerin dahil edildiği durumda deneylerle uyumlu iki durum davranışı gözlemlenirken dahil edilmediği durumda bariyersiz davranış gözlemlenmiştir. Bu nedenle, itici etkileşmelerin protein dinamiğine dahil edildiği model kullanılarak gerçekleştirilen mutasyonlar için veriler elde edilmiştir.Deneysel çalışmada (Clarke 2009) aynı proteinin merkez ve yüzey bölgelerinde gerçekleştirilen mutasyon seti kulanılarak, teorik anlamda protein kararlılığı ve termodinamiğinin nasıl değiştiği detaylı olarak incelenmiştir. Bu bağlamda, ısı kapasitesi, serbest enerji profil analizi ve kooperativite analizleri gerçekleştirilmiştir. Geliştirdiğimiz protein modelinin proteinin merkezinde gerçekleştirilen mutasyonlar için deneylerle kıyaslandığında şu ana kadar elde edilmiş en başarılı sonuçları verdiği gözlemlenmiştir (r=0.69). Fakat protein modelimiz su ile etkileşmeyi içermediği için protein yüzeyinde gerçekleştirilen mutasyonlar için aynı başarı elde edilememiştir.Diğer taraftan, mutasyonlar sonucunda kararlılık değişimi ile kooperativite ve serbest enerji bariyeri değişimi arasında birebir bir ilişki kurulamayacağı gözlemlenmiştir. Mutasyonlar türüne ve protein zinciri üzerindeki yerine göre çok farklı etkiler gösterebilmektedir. Kimi mutasyonlarda sadece katlı durum konformasyon topluluğu etkilenirken kimi mutasyonlarda ise hem katlı hem açık hem de geçiş durum toplulukları tamamen değişebilmektedir. Bu da proteinlerin mutasyonlar altında ne kadar farklı davranabildiğini işaret etmektedir.Anahtar Kelimeler: Mutasyon, Serbest enerji profili, termodinamik, moleküler dinamik

Abstract:
We have investigated that how dynamics of alpha spectrin (pdb code: 1U5P) protein, which exhibits experimentally two-state thermodynamic behavior and existing in hen's brain, is changed upon mutations. For this purpose, protein models with coarse-grain chain representations and with heterogenous interactions which includes physico-chemical properties of amino acids were developed. In our modeling study, Molecular Dynamic (MD) simulation technique with Langevin dynamic has been used. The protein thermodynamics were evaluated for both in the presence and absence of non-native repulsive interactions. While, in the presence of non-native repulsive interactions, the observed results are consistent with experiments, it is not the case for the later. For this reason, by using the model containing non-native repulsive interactions, the datas were obtained for realized mutations.By using the same mutation sets, which were taken from the experimental study (Clarke 2009), and performed in the core and surface region of alpha spectrin, it has been theoretically analyzed, in detail, that how protein stability and protein thermodynamics are getting changed upon mutations. With this respect, heat capacity, free energy profile analysis and cooperativity analysis has been applied. The protein model which we proposed enable us to get the most successful results comparing with experiment (r= 0.69) for the core region mutations. However, the same success could not been obtained for the mutations on the surface of the protein, since our protein model does not contain water represantation, accordingly, interactions with water.On the other hand, it has been observed that changes in the stability upon mutations can not be related with cooperativity and free energy barrier height. Depending of its type and its location on the protein chain, mutations may result in different effects. For some mutations while only native state ensemble is changed, but for the others both transition state and native state ensembles can be altered. This indicates that how protein dynamics can differ upon mutationsKeywords: Mutation, Free energy profile, Thermodynamic, Moleculer dynamic