Exploring the shifts in the energy landscape of calmodulin under different environmental conditions
Farklı çevresel koşullarda kalmodulinin enerji yüzeyindeki değişimlerin araştırılması
- Tez No: 929596
- Danışmanlar: PROF. DR. CANAN ATILGAN, PROF. DR. ALİ RANA ATILGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyofizik, Biyokimya, Biyomühendislik, Biophysics, Biochemistry, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji, Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Proteinler sabit yapılar değildir; fonksiyonları, birden fazla konformasyon edinebilme yetenekleriyle yakından ilişkilidir. Bu dinamik doğaları, proteinlerin diğer biyomoleküllerle etkileşim kurmalarını veya reaksiyonları katalize edebilmeleri için farklı şekiller veya durumlar arasında geçiş yapmalarını mümkün kılar. Proteinlerin dinamik davranışları, sıcaklık, pH ve iyonik kuvvet gibi çevresel koşullara güçlü bir şekilde bağlıdır ve bu koşullar, proteinlerin yapılarını ve fonksiyonlarını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu tezde, proteinlerin konformasyonel çeşitliliğinin değişen çevresel koşullar altında nasıl farklılaştığını araştırıyoruz. Model sistem olarak, çok sayıda hücresel süreçte yer alan ve farklı deneysel koşullarda birçok konformasyonu tespit edilmiş bir kalsiyum bağlayıcı protein olan kalmodulini (CaM) seçtik. CaM, çevresel etkilerin protein dinamikleri üzerindeki etkilerini incelemek için ideal bir adaydır. Dahası, CaM, genetik olarak kodlanmış floresan kalsiyum biyosensörlerinde algılama bölgesi olarak görev yapar; bu da konformasyonel değişimlerini anlamanın, etkili ve duyarlı sensörlerin tasarlanması açısından önemini vurgular. CaM'in ziyaret ettiği bölgeler, iki temel serbestlik derecesi ile iyi bir şekilde temsil edilir: iki lobununun birbirinden bağımsız dönüş açısı (cis/trans) ve lobların birbirine olan uzaklığı. Klasik moleküler dinamik (MD) benzetimleriyle ulaşılabileceğimiz zaman ölçekleri çeşitli minimumları ayıran yüksek enerji bariyerlerini aşmaya izin vermediğinden, temel serbestlik derecelerini kolektif değişkenler olarak kullanarak metadinamik benzetimlerini uyguladık. Fizyolojik/düşük iyonik kuvvet koşullarında kalsiyumlara bağlı/bağlı olmayan CaM'i temsil eden dört farklı koşulu araştırdık. CaM'in, dört kararlı bölge (cis-kompakt, trans-kompakt, cis-açık, trans-açık) arasında minimumlarının konumunu ayarlayan bir jonglör gibi davrandığını tespit ettik. Metadinamik benzetimleri yoluyla minimumların konumlarını belirledikten sonra, bu minimumlardan temsilci yapılar seçip minimizasyon ve ardından dengeleme benzetimleri gerçekleştirdik. Bunu, gözlemlenen minimumların yapısal temelini anlamak ve seçilen kolektif değişkenlerin etkinliğini doğrulamak için yaptık. MD benzetim sonuçlarımız, düşük iyonik kuvvet koşulları altında enerji yüzeyinin çok daha sığ olmasına rağmen, konformerlerin yapay minimumlarda sıkışıp kaldığını ortaya koydu. Bu durumu, iyonların, konformerlerin sıkışmasına neden olan tuz köprülerinin serbest kalmasına yardımcı olan faktörler olarak tanımlayarak açıklayabilmekteyiz. Dolayısıyla iyonik kuvveti protein tasarımında hesaba katılması gereken önemli bir aktör olarak belirlemekteyiz.
Özet (Çeviri)
Proteins are flexible structures, and their functions are closely tied to their ability to adopt multiple conformations. Their dynamic nature enables them to shift between different shapes or states, which is crucial for interacting with other biomolecules or catalyzing reactions. This behavior of proteins is strongly influenced by environmental conditions, such as temperature, pH, and ionic strength, which can significantly alter their structural states and functions.In this thesis, we investigate how the conformational landscape of proteins shifts under changing environmental conditions. Our model system is calmodulin (CaM), a calcium-binding protein involved in numerous cellular processes. Known for its adaptability, CaM exhibits a wide array of conformations under various experimental conditions, making it an ideal candidate for studying environmental effects on protein dynamics. Moreover, CaM serves as the sensing domain in genetically encoded fluorescent calcium biosensors, highlighting the importance of understanding its conformational changes for designing efficient and responsive sensors. The regions visited by CaM are well-represented by a pair of essential degrees of freedom (DoF) describing the relative positioning of its two lobes (cis/trans) and the compactness of the overall CaM structure. Since the time scale of classical molecular dynamics (MD) simulations do not allow for overcoming the high energy barriers that might separate various minima, we resort to well-tempered metadynamics simulations using the essential DoF as collective variables (CVs). We explore four different conditions representing Ca2+ bound/unbound CaM at physiological/low ionic strength. We find that CaM acts like a juggler, adjusting the position of its minima between four stable regions (cis-compact, trans-compact, cis-open, trans-open). After identifying the locations of the minima via metadynamics, we select representative structures from these minima and perform equilibration runs. Our work unveils the structural basis of the observed minima and validates the effectiveness of our chosen CVs. Our results reveal that, although the energy surface is much shallower under low ionic strength (IS) conditions, conformers get stuck in artificial minima due to strong transient salt bridges. It appears that ions act as lubricants, helping to release salt bridges that cause the conformers to become trapped. As a result, we find IS of the environment to be a major factor to be considered in protein design problems.
Benzer Tezler
- Akaryakıtla çalışan endüstriyel tav fırınlarında yanma, sıcaklık ve basıncın optimum kontrolu
Optimum control of combustion temperature and pressure in industrial tempering furnaces working with fuel-oil
MEHMET EROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜCEL ERCAN
- Çekirdeksiz kuru üzümde uygulanan politikanın Ege Bölgesinde üretim ve üretici açısından sonuçlarının değerlendirilmesi
Başlık çevirisi yok
GÜVEN ÖZERİN
- S.S. Çiçek yetiştirme ve satış kooperatifi İzmir mezatında aylara göre piyasaya arzedilen süs bitkileri cinsleri ve toptan fiyatlarının 1984-1985 kış sezonu (Kasım-Mayıs) içerisindeki değişimi
Başlık çevirisi yok
TANAY BİRİŞÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Peyzaj MimarlığıEge ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN HATİPOĞLU
- KY-89 zeolitinde asitlik dağılımının ve bazı hidrokarbonların etkin difüzyon katsayılarının gaz kromatografi ile tayini
Başlık çevirisi yok
SEZAİ ERDEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖNÜL GÜNDÜZ
- Renk görüntü teorisi ve televizyona uygulaması
Theories of colour vision and their application to television
MUSTAFA LAMİ TAPLAMACIOĞLU
Doktora
Türkçe
1986
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ATİLLA ÖZMEN
- Spinntester makinasında optimum pamuk ipliği eğirme koşullarının saptanması üzerine bir araştırma
Başlık çevirisi yok
SEDAT DİNÇBOSTANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YALÇIN BOZKURT