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Egwolf, Bernhard (2004): Proteine in wässriger Umgebung: Kontinuumstheorie der Lösungsmittelelektrostatik und ihre effiziente Berechnung. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die biologisch funktionale Struktur und Dynamik globulärer Proteine entfaltet sich in ihrer nativen Umgebung, die aus ionenhaltigem Wasser besteht. Die entscheidenden Wechselwirkungen sind dabei elektrostatischer Natur. Bei Molekulardynamik-(MD-)Simulationen von Protein-Lösungsmittel-Systemen müssen diese Wechselwirkungen daher genau erfasst und, wegen der Größe der behandelten Systeme, numerisch effizient berechnet werden. Es bietet sich dazu an, das üblicherweise betrachtete mikroskopische Ensemble der Lösungsmittelatome durch ein Lösungsmittelkontinuum zu ersetzen, welches die auf das Protein ausgeübten Reaktionsfeldkräfte erzeugt. Die Entwicklung einer atombasierten Kontinuumsmethode, mit der sich Reaktionsfeldkräfte und -energien bei solchen MD-Simulationen effizient und genau berechnen lassen, war das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Die Methode wird zunächst für Proteine in rein dielektrischen Lösungsmittelkontinua hergeleitet [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 2039-2056 (2003)] und anschließend um Ionenkontinua erweitert [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 120, 2056-2068 (2004)], welche der linearisierten Poisson-Boltzmann-Gleichung gehorchen. Die zugrundeliegende Theorie wird so weit wie möglich in exakter Form vorangetrieben. Sie führt in natürlicher Weise zu einigen wenigen Näherungen, so dass sich das vom Lösungsmittelkontinuum ausgehende Reaktionsfeld in effizienter Weise mittels selbstkonsistent zu bestimmender Ladungen und Dipole darstellen lässt, die an den mikroskopisch beschriebenen Proteinatomen lokalisiert sind. Die Qualität der atombasierten Kontinuumsmethode wird anhand von Vergleichen mit dem auf sphärische Geometrien beschränkten, analytischen Kirkwood-Reaktionsfeld, einer mikroskopischen Protein-Wasser-Simulation und einer Finite-Differenzen-Methode untersucht. Darüber hinaus wird ein Verfahren für MD-Simulationen von mikroskopisch beschriebenen Protein-Lösungsmittel-Systemen mit periodischen Randbedingungen vorgestellt [G. Mathias, B. Egwolf, M. Nonella und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Dabei werden die Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den Atomen mit Hilfe der effizienten, linear skalierenden und strukturadaptierten Multipolmethode (SAMM) bis zu einem Grenzabstand explizit berechnet und für größere Abstände durch das Kirkwood-Reaktionsfeld modelliert. Durch dieses Vorgehen können die von den Randbedingungen erzeugten Periodizitätsartefakte weitgehend unterdrückt werden. Ferner kann das Kirkwood-Reaktionsfeld im Rahmen des SAMM-Ansatzes unter vernachlässigbarem Aufwand berechnet werden.