Dynamics and dynamical transitions in proteins
Proteinlerde dinamik ve dinamiksel donusum
- Tez No: 889792
- Danışmanlar: PROF. DR. HENRY R. GLYDE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyofizik, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Biophysics, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Delaware
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katıhal Fiziği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 151
Özet
Nötron saçılması (NS) deneyleri ve moleküler dinamik (MD) simülasyonları proteinlerdeki hidrojenlerin dinamiğini araştırmak için çok etkili tekniklerdir. Proteinlerdeki atomların yer değiştirmesinin karesinin ortalaması (MSD) yaygın olarak nötron saçılması kullanılarak ölçülür ve moleküler dinamik simülasyon kullanılarak hesaplanır. Araştırmalar göstermiştir ki düşük sıcaklıklarda küçük olan MSD belirli sıcaklıktan sonra büyük ölçüde artış gösterir. Bu artış, dinamiksel dönüşüm olarak adlandırılırken bu artışın meydana geldiği sıcaklık da dinamiksel dönüşüm sıcaklığı (TD) olarak tanımlanır. Nötron saçılması deneylerinde elde edilen MSD değerleri (exp) deneyler sırasında kullanılan ölçüm cihazının enerji çözünürlüğüne (W) bağlı olarak değişiklikler göstermektedir. Bu tezde ilk olarak nötron saçılma deneylerinde gözlenen MSD ⟨r2⟩exp'nin çözünürlüğe bağlılığına odaklanıyoruz. Proteinlerde kullanılan cihazın çözünürlüğünden bağımsız olan H'nin içsel MSD'si ⟨r2⟩'yi elde etmek için bir yöntem öneriyoruz. İçsel MSD, iyi bilinen Debye-Waller faktöründe görünen MSD'nin sonsuz zaman değeri olarak tanımlanır. Bu yöntemde, çözünürlüğe bağlı verilerden içsel MSD'yi çıkarmak için çözünürlükle genişletilmiş elastik evreuyumsuz dinamik yapı faktörü SR(Q,ω = 0)'nin bir modeli geliştirildi. Model, proteinlerdeki H'nin hareketlerini karakterize eden içsel MSD'yi, cihaz çözünürlük genişliğini ve gevşeme frekansını içerir. SR(Q,ω = 0) modeli, halihazırda güncel literatürde yayınlanmış olan çözünürlük genişletilmiş DSF verilerine uyarlandı ve üç proteindeki içsel MSD başarıyla elde edildi. Daha sonra, sonlu zamanlı moleküler dinamik simülasyonlarından proteinlerdeki H'nin içsel, uzun süreli MSD'sini elde etmek amacıyla evreuyumsuz ara saçılma fonksiyonu I(Q,t) için bir model oluşturduk. Literatürde simüle edilmiş MSD artan zamanla birlikte artmakta ve 10 ns'de bile belirli bir sınırlayıcı değere ulaşmamaktadır. Sonsuz zamanlı MSD, ⟨r2⟩, simüle edilmiş MSD'nin uzun süreli değeridir. I(Q,t) modeli, I(Q,t) modelinde bir parametre olan içsel uzun süreli MSD ⟨r2⟩'yi elde etmek için simüle edilmiş Iinc(Q,t)'ye uygulanır. 1 ns ve 10 ns'ye kadar olan verilerden elde edilen, 100 K ila 300 K arasındaki bir sıcaklık aralığında sulandirilmis lizozim tozunun (h = 0,4 g su/g protein) içsel MSD ⟨r2⟩'si aynı olduğu bulunmuştur. İçsel ⟨r2⟩, simülasyonlarda 1 ns'den sonra ulaşılan MSD değerinin yaklaşık iki katıdır. 1 ns'de simüle edilen MSD, 1 μeV enerji çözünürlük genişliğine sahip nötron saçılma cihazları tarafından ölçülen gözlemlenen MSD'ye karşılık gelir. Nötron saçılma deneylerinde ölçülen elastik dinamik yapı faktöründen elde edilen gözlemlenen MSD ⟨r2⟩exp'nin de Q'ya da bağlı olduğu bulunmuştur. Bu tezin ikinci bölümünde, gözlemlenen MSD ⟨r2⟩exp'in Q bağımlılığının olası kökenlerini analiz ediyoruz. Bu bağımlılığın, nötron saçılması verilerinin analizinde yaygın olarak kullanılan Gauss yaklaşımından kaynaklanmadığını gösterdik. MSD'nin Q bağımlılığı, verileri analiz etmek için kullanılan modeldeki dinamik çeşitliliğin ihmal edilmesinin yapay sonucudur. Son olarak, harmonik olmayan bir potansiyeldeki tek bir parçacık olan basit bir titreşim modeli içinde MSD'nin sıcaklıktaki değişimindeki eğiminin TD'de degisimi yeniden üreterek proteinlerdeki dinamik geçişi gösteriyoruz. Tutarlı-Harmonik teoriyi kullanarak, bir parçacığın dinamiklerini farklı potansiyel modellerde araştırıyoruz. Basit bir Gauss potansiyeli veya bir sert duvar ve bir yumuşak duvar içeren bir potansiyel, MSD'nin sıcaklığa karşı eğimindeki değişikliği yeniden oluşturmada özellikler etkilidir. Literatürdeki miyoglobin ve mor membranın MSD verileri, sert duvar içeren bir potansiyel ve bir Gauss potansiyeli kullanılarak iyi bir şekilde yeniden üretilmiştir.
Özet (Çeviri)
Neutron scattering experiments and molecular dynamics simulations are the most effective tools to explore the dynamics of hydrogen in proteins. The mean square displacement (MSD) of hydrogen (H ) in proteins has been extensively measured using neutron scattering and calculated using molecular dynamics simulations. A small MSD is observed at low temperatures and the slope of the MSD significantly increases at a specific temperature TD. This increase in the slope of the MSD is identified as a dy- namical transition, and the temperature it takes place at a specific temperature which is denoted a dynamical transition temperature TD. The observed MSD in neutron scattering experiments depend on the energy resolution of the instrument. In this thesis, we first focus on the resolution dependent of the observed MSD ⟨r2⟩exp in neutron scattering experiments. We propose a method for obtaining the intrinsic MSD ⟨r2⟩ of H, which is independent of the resolution of the instrument employed, in proteins. The intrinsic MSD is defined as the infinite time value of MSD which appears in the well-known Debye-Waller factor. In this method, a model of the resolution broadened elastic incoherent dynamic structure factor SR(Q,ω = 0) is developed to extract the intrinsic MSD from the resolution dependent data. The model contains the intrinsic MSD, the instrument resolution width and a relaxation frequency characterizing the motions of H in proteins. The model of SR(Q,ω = 0) is fitted to the resolution broadened DSF data already published in the recent literature and the intrinsic MSD in three proteins was successfully obtained. Later, we constructed a model for the incoherent intermediate scattering func- tion I(Q,t) to obtain the intrinsic, long-time MSD of H in proteins from finite time molecular dynamics simulations. In the literature, the simulated MSD increases with increasing time and does not reach a certain limiting value at even 10 ns. The infinite time MSD, ⟨r2⟩, is the long time value of the simulated MSD. The model I(Q,t) fits to the simulated Iinc(Q,t) to obtain the intrinsic long-time MSD ⟨r2⟩ which is as a parameter in the model I(Q,t). The intrinsic MSD ⟨r2⟩ of hydrated lysozyme powder (h = 0.4 g water/g protein) over a temperature range between 100 K and 300 K ob- tained from data out to 1 ns and to 10 ns is found to be the same. The intrinsic ⟨r2⟩ is approximately twice the value of the MSD that is reached in simulations after times of 1 ns. The simulated MSD in 1 ns corresponds to the observed MSD measured by neutron scattering instruments having 1 μeV energy resolution width. The observed MSD ⟨r2⟩exp extracted from an elastic dynamical structure factor measured in neutron scattering experiments is also found to be Q-dependent. In the second part of this thesis, we analyse the possible origins of the Q-dependence of the observed MSD ⟨r2⟩exp. We show that this dependence does not arise from the Gaussian approximation, commonly used in the analysis of the neutron scattering data. The Q-dependence of the MSD is the artificial consequence of neglecting the dynamical diversity in the model that are used to analyse the data. Finally, we illustrate the dynamical transition in proteins by reproducing the change in the slope of MSD versus temperature at TD within a simple model of vi- bration, a single particle in an anharmonic potential. Using Self-Consistent-Harmonic theory, we investigate dynamics of a particle in different potential models. A simple Gaussian potential or a potential containing a hard wall and a soft wall is particularly effective to reproduce the change in the slope of MSD versus temperature. The MSD data of myoglobin and purple membrane in the literature is reproduced well using a potential containing hard wall and a Gaussian potential.
Benzer Tezler
- An investigation of phase transitions in self-assembled peptide nanotubes using dielectric and infrared spectroscopy
Kendiliğinden organize peptid nanotüplerde meydana gelen faz geçişlerinin dielektrik ve kızılötesi spektroskopi ile incelenmesi
ABUZER ORKUN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FERİD SALEHLİ
- Developing new applications for PRS method to study conformational modulation of globular proteins
Globüler proteinlerin yapısal modülasyonunun incelenmesi amacıyla etki tepki taraması yöntemine geliştirilen yeni uygulamalar
FARZANEH JALALYPOUR
- A mathematical model for alphabeta T cell differentiation in the thymus
Timusta alfabeta T hücresi farklılaşması için bir matematiksel model
EMRAH ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Biyofizikİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SONDAN DURUKANOĞLU FEYİZ
- Thermodynamic, structural and dynamical analyses of random coil state of proteins
Proteinlerin rastgele sarım halinin termodinamik, yapısal ve dinamik analizleri
ÇİĞDEM SEVİM BAYRAK
Doktora
İngilizce
2013
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURAK ERMAN
- Vicinal solvent and protein coupling modulates the solvent dynamics
Protein etrafındaki çözgen katmanın protein ile bağlaşımının çözgen dinamiğine etkisi
AYŞE ÖZLEM AYKUT SEZERMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
BiyofizikSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. O. UĞUR SEZERMAN
PROF. DR. CANAN ATILGAN