dc.contributor.author
Held, Martin
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:11:28Z
dc.date.available
2012-03-29T12:34:00.616Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/706
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4908
dc.description.abstract
Theoretical biophysics is increasingly and successfully applied to decipher
basic questions that arise in molecular biology. Using efficient molecular
dynamics software and advanced analysis techniques permits the examination of
structural, energetic and dynamical properties of macromolecular systems.
However, the diversity of length and timescales present in a biological system
often poses the need to study individual system processes in isolation. While
these procedures ignore the interplay between processes, they provide valuable
insights on the respective process and allow for determination of relevant
process parameters which might be integrated into more comprehensive models.
This thesis introduces novel concepts to understand and analyze dynamical
processes. The application of these concepts allows for the identification of
novel biophysical phenomena as well as system properties that are relevant for
the embedding into coarser models. For illustration, three processes that are
relevant for intracellular interaction dynamics are studied in isolation. The
first part of this thesis systematically investigates how the chemical
environment of a ligand influences its structural, kinetic and energetic
properties. It is shown that binding of an ion can stabilize the protein
binding competent conformation of a ligand and thus acts as a binding
cofactor. Secondly, it is investigated if protein ligand association follows
designated binding pathways and which factors may influence these. Exemplified
for the phosphate binding protein, it is shown that the protein possesses an
anion attraction site in addition to the actual binding site. This anion
attractor may preselect potential binding partners and therefore increase the
phosphate binding efficiency. Using the example of the Dynamin protein, the
last part of the thesis examines how the type of ligand bound (here GDP or
GTP) affects the strength of specific protein/protein domain interactions.
Extrapolation of this local information to whole Dynamin helix oligomer
dynamics allows for the integration of existing theories on Dynamin function.
Altogether, in this thesis it is demonstrated how insights gained from
detailed simulations of sub-systems can be used to make statements about the
greater system.
de
dc.description.abstract
Das interdisziplinäre Gebiet der theoretischen Biophysik wird zunehmend
erfolgreich angewendet, um grundlegende Forschungsfragen der molekularen
Biologie zu entschlüsseln. Effiziente Moleküldynamiksoftware und verbesserte
Analysetechniken ermöglichen die Untersuchung struktureller, energetischer und
dynamischer Eigenschaften von makromolekularen Systemen auf atomarer Ebene.
Hierbei werden zunächst meist einzelne Teilsysteme untersucht, ohne die
Wechselwirkung der Teilsysteme oder die Einbettung in ein übergeordnetes,
gröberes System zu betrachten. Begründet ist dieser Sachverhalt darin, dass
unterschiedliche dynamische Prozesse die Betrachtung unterschiedlicher Längen-
und Zeitskalen notwendig machen. Die individuelle Modellierung eines
Teilsystems auf der entsprechen Längen- und Zeitskala ermöglicht es dann, die
für die Wechselwirkung mit anderen Teilsystemen relevanten Eigenschaften zu
extrahieren und in ein übergreifendes Modell zu integrieren. In dieser Arbeit
werden neuartige Konzepte zur Analyse und Modellierung von dynamischen
Teilprozessen der Protei/Ligand- beziehungsweise Protein/Protein-Interaktion
vorgestellt. Die Anwendung dieser Konzepte erlaubt die Identifikation neuer
biophysikalischer Phänomene sowie Systemeigenschaften, die für die Einbettung
in gröbere Modelle relevant sind. Es werden drei Teilprozesse analysiert, die
für die intrazelluläre Interaktionsdynamik von Proteinen von Bedeutung sind:
Erstens wird systematisch am Beispiel eines Nukleotidzuckers untersucht,
inwiefern die chemische Umgebung eines Liganden dessen strukturelle,
kinetische und energetische Eigenschaften beeinflusst. Hierbei wird gezeigt,
dass die Bindung eines Ions an den Liganden die proteinbindende Konformation
stabilisiert und somit als Bindungskofaktor agieren kann. Zweitens wird in
dieser Arbeit untersucht, ob ausgeprägte Bindungspfade existieren und welche
Faktoren diese Bindungspfade sowie -kinetik beeinflussen. Dies wird am
Beispiel des Phosphat-bindenden Proteins untersucht. Hier wird gezeigt, dass
ein von der Bindungstasche entfernter, für Anionen attraktiver Bereich an der
Proteinoberfläche existiert, der wahrscheinlich eine wichtige Filterfunktion
ausübt, welche die Effizienz der Phosphatbindung steigert. Der dritte Teil der
Arbeit untersucht am Beispiel des Proteins Dynamin, inwiefern der Typ des
gebundenen Liganden, hier GTP oder GDP, die Stärke spezifischer
Protein/Protein Interaktionen beeinflusst und wie diese sich schlussendlich
auf die Konformationsdynamik größerer Proteinkomplexe auswirken. Aus den
gewonnen Erkenntnissen wird ein Modell für die Konformationsynamik der
Dynaminhelix abgeleitet. Dieses ermöglicht es, existierende Theorien zur
Funktionsweise von Dynamin zu integrieren und eine alternative Theorie
vorzuschlagen. Es wird somit demonstriert, wie Erkenntnisse aus detaillierten
Simulationen von Teilsystemen benutzt werden können, um Aussagen über einen
übergeordneten Prozess zu machen.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
bioinformatics
dc.subject
computational biophysics
dc.subject
conformational dynamics
dc.subject
protein interaction
dc.subject
protein association
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::539 Moderne Physik
dc.subject.ddc
000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
dc.title
Novel concepts to study conformation and association dynamics of biomolecules
dc.contributor.firstReferee
Dr. Frank Noé
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Wolfgang Wenzel
dc.date.accepted
2012-03-16
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000036588-5
dc.title.translated
Neuartige Konzepte zur Untersuchung der Konformations- und Assoziationsdynamik
von Biomolekülen
de
refubium.affiliation
Mathematik und Informatik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000036588
refubium.mycore.derivateId
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free
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open access