Authors:	Bezkorovaynaya, Olga
Title:	Coarse-grained peptide models: conformational sampling, peptide association and dynamical properties for peptides
Online publication date:	20-Sep-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	In dieser Arbeit wird ein vergröbertes (engl. coarse-grained, CG) Simulationsmodell für Peptide in wässriger Lösung entwickelt. In einem CG Verfahren reduziert man die Anzahl der Freiheitsgrade des Systems, so dass man\r\ngrössere Systeme auf längeren Zeitskalen untersuchen kann. Die Wechselwirkungspotentiale des CG Modells sind so aufgebaut, dass die Peptid Konformationen eines höher aufgelösten (atomistischen) Modells reproduziert werden.\ r\nIn dieser Arbeit wird der Einfluss unterschiedlicher bindender Wechsel-\r\nwirkungspotentiale in der CG Simulation untersucht, insbesondere daraufhin,\r\nin wie weit das Konformationsgleichgewicht der atomistischen Simulation reproduziert werden kann. Im CG Verfahren verliert man per Konstruktion\r\nmikroskopische strukturelle Details des Peptids, zum Beispiel, Korrelationen zwischen Freiheitsgraden entlang der Peptidkette. In der Dissertation\r\nwird gezeigt, dass diese “verlorenen” Eigenschaften in einem Rückabbildungsverfahren wiederhergestellt werden können, in dem die atomistischen Freiheitsgrade wieder in die CG-Strukturen eingefügt werden. Dies gelingt, solange die Konformationen des CG Modells grundsätzlich gut mit der atomistischen Ebene übereinstimmen. Die erwähnten Korrelationen spielen eine\r\ngrosse Rolle bei der Bildung von Sekundärstrukturen und sind somit von\r\nentscheidender Bedeutung für ein realistisches Ensemble von Peptidkonformationen. Es wird gezeigt, dass für eine gute Übereinstimmung zwischen CG und atomistischen Kettenkonformationen spezielle bindende Wechselwirkungen wie zum Beispiel 1-5 Bindungs- und 1,3,5-Winkelpotentiale erforderlich sind. Die intramolekularen Parameter (d.h. Bindungen, Winkel, Torsionen), die für kurze Oligopeptide parametrisiert wurden, sind übertragbar\r\nauf längere Peptidsequenzen. Allerdings können diese gebundenen Wechselwirkungen nur in Kombination mit solchen nichtbindenden Wechselwirkungspotentialen kombiniert werden, die bei der Parametrisierung verwendet werden, sind also zum Beispiel nicht ohne weiteres mit einem andere Wasser-Modell kombinierbar. Da die Energielandschaft in CG-Simulationen glatter ist als im atomistischen Modell, gibt es eine Beschleunigung in der Dynamik. Diese Beschleunigung ist unterschiedlich für verschiedene dynamische Prozesse, zum Beispiel für verschiedene Arten von Bewegungen (Rotation und Translation). Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Untersuchung der Kinetik von Strukturbildungsprozessen, zum Beispiel Peptid Aggregation.\r\n A bottom-up coarse-graining (CG) procedure for peptides in aqueous solution\r\nis studied in this thesis. The coarse-graining procedure reduces the number\r\nof degrees of freedom of the system, enabling us to investigate larger systems\r\nand due to the smoother energy landscape one can get faster a better sam-\r\npling of the system. The interaction potentials in our coarse-grained model\r\nare constructed in a such way, that the coarse-grained peptide reproduces\r\nconformations according to a high-resolution (atomistic) model.\r\nIn this work the influence of differently constructed bonded potentials on\r\nthe reproduction of atomistic characteristics in structure-based CG simula-\r\ntion was investigated. In the coarse-graining procedure one loses by constuc-\r\ntion microscopic structural details of the peptide. This can be for example\r\ncorrelations between degrees of freedom. In the thesis it is presented that\r\nthose “lost” properties can be recovered in a backmapping procedure which\r\nreintroduces atomistic degrees of freedom into CG structures – as long as\r\nthe overall conformational sampling of the molecule is correctly represented\r\nin the CG level of resolution. These correlations play an important role in\r\nsecondary structure formation. Therefore they are crucial for a realistic con-\r\nformational ensemble of the peptide. It is shown that for an exact agreement\r\nof the CG conformations with the atomistic reference additional bonded po-\r\ntentials are required such as 1-5 bond and 1,3,5-angle potentials.\r\nIt is shown that the intramolecular parameters (i.e. bonds, angles, tor-\r\nsions) determined for short oligopeptides are transferable to longer peptide\r\nsequences. But one has to be aware that bonded potentials should be used\r\nonly in combination with those nonbonded interaction potentials, with which\r\nthey were parametrized. So, they cannot necessarily be combined with other\r\nnonbonded interactions, for example a different water model.\r\nSince the energy landscape is smoother in CG simulations, there is the\r\nacceleration in time and in principle the CG time does not corresponds one\r\nto one to the atomistic time any more. The dynamical properties of the\r\npeptide in water on the atomistic and CG levels were investigated in order to\r\nget an estimate for the speed-up of the dynamics in the CG model compared\r\nto the atomistic one. We found that these scaling factors are different for\r\ndifferent dynamical properties and concluded that there is different “speed-\r\nup” for different types of motions (for example rotation and translation).\r\nThis is an important observation for the kinetics of processes such as peptide\r\naggregation.\r\n
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3180
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28725
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	147 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen