Mirco Wahab

Simulation, Berechnung und Visualisierung von Modellen ausgewählter biochemisch relevanter Strukturen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 15.12.1998

Abstract
Computer-Simulationen erlauben das Studium der Eigenschaften von Modellen von Flüssigkeiten, Festkörpern und Gasen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Computerprogramme zur Simulation und Eigenschaftsberechnung von Systemen amphiphiler Moleküle, für die Klassifizierung von Proteinstrukturen und die Visualisierung molekularer Strukturen erarbeitet bzw. weiterentwickelt. Aus der Vielzahl möglicher Probleme wurden die folgenden Schwerpunkte zur Untersuchung ausgewählt:
(1) Simulation von einfachen Modellen biologischer Membranen sowie Untersuchung ihrer Stabilität und strukturellen, geometrischen und thermodynamischen Eigenschaften. Die Simulationen fanden im kubischen Gitter statt (NVT-Ensemble), es wurden Systeme mit 10 Vol% amphiphiler Ketten mit 2-6 Segmenten pro Molekül betrachtet.
(2) Auffinden und Klassifikation geometrischer Muster in Proteinstrukturen am Beispiel der Familie der Serinproteasen.
Komplexe Prozesse wie self assembling und Adsorption können nach Vorgabe geeigneter Modelle untersucht werden. Bei den Simulationen mit vergröberten Modellen amphiphiler Strukturen entstanden aus zufälligen Startkonfigurationen komplexe Aggregate durch self assembling. Die Verwendung einer rein repulsiven nearest-neighbor-Wechselwirkung in Verbindung mit der excluded volume-Bedingung ist hinreichend, um im verwendeten Modell eine Aggregation amphiphiler Moleküle zu Mizellen, tubulären Strukturen, Mono- und Bischichten zu erreichen. Bei tiefen Temperaturen bilden sich aus flexiblen Molekülen kompakte Aggregate (Mono- bzw. Bischichten), das Schichtinnere besteht dabei nicht aus ideal geordneten parallelen Ketten. Bei allen in Wasser untersuchten Systemen bilden sich bei bestimmten Temperaturen spontan lamellare Aggregate. In den Systemen erfolgen in Abhängigkeit von der Temperatur Phasenübergänge. Vorkommende Phasenübergänge sind von Peaks in der Wärmekapazität begleitet und zeigen Diskontinuitäten im Verlauf von temperaturäbhängigen Dichtefluktuationen im Volumen. Membranen aus Bolaamphiphilen weisen vor dem Phasenübergang zwischen lamellaren und nichtlamellaren Phasen Strukturierungsprozesse in der Schichtebene auf. Abhängig vom Molekültyp kommen unterschiedlich stark ausgeprägte Metastabilitätseffekte vor. Aus den gefundenen Resultaten ergibt sich die Schlußforgerung, daß das verwendete Gittermodell kollektive Effekte von Amphiphilen gut erfassen kann.

Computer simulations enable us to study characteristic features in model systems of liquids, solids and gases. Within the context of this work, computer programs for the simulation and calculation of properties of amphiphile molecule systems, for the classification of structural patterns of proteins and for the visualization of molecular structures have been developed. From the multitude of potential topics, the following problems were selected for further investigation:
(1) Simulation of simple models of biological membranes, as well as the investigation of their stability and structural, geometrical and thermodynamical properties. The simulations were performed in the cubic lattice (NVT ensemble). Systems with 10 vol% of amphiphilic chains containing 2-6 segments per molecule were examined.
(2) Detection and classification of geometric patterns in protein structures, demonstrated with the serine protease family.
Complex processes like self assembling and adsorption can be studied with the help of suitable models. The simulations of coarse grained models of amphiphilic structures led to complex aggregates developed through self assembling from random initial configurations. The use of a pure repulsive nearest-neighbor interaction in combination with the excluded volume condition is sufficient to achieve an aggregation of amphiphilic molecules to micelles, tubules, mono- and bilayers. At low temperatures compact units (mono- and bilayers) tend to form, however, their interior which consists of flexible chains is not constituted from ideal parallel aligned molecules. All systems examined in water spontaneously aggregate into layers depending on the temperature. The systems investigated display temperature dependent phase transitions. The occurring phase transitions are accompanied by peaks in the heat capacity and show discontinuities in the temperature dependent density fluctuations in the bulk. Membranes from bolaform amphiphiles show structuring processes in the layer plane close to the phase transition between lamellar and non-lamellar phases. Metastability effects tend to occur dependent on the type of molecule considered. The obtained results permit the conclusion that the lattice model used in the simulations is well suited to reproduce collective effects of real amphiphilic systems.

Keywords:
Computersimulationen, Aggregation, amphiphile Moleküle, Bolaamphiphile, Membranmodelle, Phasenübergänge, Molekülvisualisierung, Softwareentwicklung, Proteinstrukturen

computer simulations, self assembling, amphiphilic molecules, bolaamphiphiles, membrane models, phase transitions, protein structures

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Inhaltsverzeichnis
Inhalt
1. Einleitung (1-3)
2. Methoden (4-47)
3. Monte-Carlo-Simulationen einfacher Modelle biologischer Membranen (48-94)
4. Suche von Strukturelementen in Proteinen (95-97)
5. Zusammenfassung (98-100)
6. Literatur (101-106)
7. Anhang (107-113)