Synthetische und theoretische Methoden zur Bestimmung korrelierter Dynamiken in Miniproteinen

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

Defining the mobility range of a hinge-type connection using molecular dynamics and metadynamics.

A designed disulfide-rich β-hairpin peptide that dimerizes spontaneously served as a hinge-type connection between proteins. Here, we analyze the range of dynamics of this hinge dimer with the aim of proposing new applications for the DNA-encodable peptide and establishing guidelines for the computational analysis of other disulfide hinges. A recent structural analysis based on nuclear magnetic resonance spectroscopy and ion mobility spectrometry revealed an averaged conformation in the hinge region which motivated us to investigate the dynamic behavior using a combination of molecular dynamics simulation, metadynamics and free energy surface analysis to characterize the conformational space available to the hinge. Principal component analysis uncovered two slow modes of the peptide, namely, the opening and closing motion and twisting of the two β-hairpins assembling the hinge. Applying a collective variable (CV) that mimics the first dominating mode, led to a major expansion of the conformational space. The description of the dynamics could be achieved by analysis of the opening angle and the twisting of the β-hairpins and, thus, offers a methodology that can also be transferred to other derivatives. It has been demonstrated that the hinge peptide's lowest energy conformation consists of a large opening angle and strong twist but is separated by small energy barriers and can, thus, adopt a closed and untwisted structure. With the aim of proposing further applications for the hinge peptide, we simulated its behavior in the sterically congested environment of a four-helix bundle. Preliminary investigations show that one helix is pushed out and a three-helix bundle forms. The insights gained into the dynamics of the tetra-disulfide peptide and analytical guidelines developed in this study may contribute to the understanding of the structure and function of more complex hinge-type proteins, such as the IgG antibody family

RNA hydrolysis by heterocyclic amidines and guanidines: parameters affecting reactivity

2-Aminobenzimidazole 10, although a weak catalyst in the monomeric state, is a successful building block for effective artificial ribonucleases. In an effort to identify new building blocks with improved catalytic potential, RNA cleavage by a variety of heterocyclic amidines and guanidines has been studied. In addition to pKa values and steric effects, the energy difference between tautomeric forms seems to be another important parameter for catalysis. This information is available from quantum chemical calculations on higher levels, but semiempirical methods are sufficient to get a first estimate. According to this assumption, imidazoimidazol 18, characterized by isoenergetic tautomeric forms, is superior to 2-aminoimidazol 6, the best candidate among the simple compounds. By far the largest effects are seen with 2-aminoperimidine 24, which rapidly cleaves RNA even in the micromolar concentration range. The impressive reactivity, however, is related to a tendency of compound 24 to form polycationic aggregates which are the actual catalysts