Monte Carlo Simulation Methods for Studying the Thermodynamics of Ligand Binding & Transfer Processes in Biomolecules
Monte Carlo Simulationsmethoden für das Studium von Ligandenbindungs- & -transferprozessen in Biomolekülen
The binding and transfer of ligands is of central
importance for the function of many biomolecular
systems. The main topic of this thesis is the
development and application of Monte Carlo (MC)
simulation methods for studying complex ligand
binding equilibria which can also involve
conformational changes. The simulated systems
were described by microstates within a continuum
electrostatics/molecular mechanics (CE/MM) model
of the receptor-ligand system. The CE/MM modeling
methodology waThe binding and transfer of ligands is of central
importance for the function of many biomolecular
systems. The main topic of this thesis is the
development and application of Monte Carlo (MC)
simulation methods for studying complex ligand
binding equilibria which can also involve
conformational changes. The simulated systems
were described by microstates within a continuum
electrostatics/molecular mechanics (CE/MM) model
of the receptor-ligand system. The CE/MM modeling
methodology was improved. The improvements led to
more detailed molecular models that enable a more
realistic reproduction of system properties and
environmental conditions. The developed simulation
methods were applied to biomolecular systems whose
function involves aspects that are important for
the understanding of bioenergetic energy
transduction. The results of this thesis are
presented in five articles that are published in
peer reviewed scientific journals.
Manuscript A presents the Monte Carlo simulation
software GMCT which was largely developed in this
thesis. The software offers a variety of different
simulation methods that allow the user to harness
the full potential of CE/MM models in the simulation
of complex receptor systems.
Manuscript B presents a novel theoretical framework
for free energy calculations with the free energy
perturbation method. The novel framework is more
broadly applicable and can lead to more efficient
simulations than previous formulations. The
derivation of the formalism also led to interesting
insights into general statistical mechanics. The
formalism was implemented in GMCT and could already
be used fruitfully for the free energy calculations
presented in Manuscripts C and D.
Manuscript C demonstrates the application of free
energy measures of cooperativity to study the
coupling of protonation, reduction and conformational
change in azurin from Pseudomonas aeruginosa (PaAz).
Such a coupling is prototypic for bioenergetic systems
because it forms the thermodynamic basis of their
energy transducing function. PaAz is an experimentally
well characterized, small electron transport protein.
For this reason, PaAz was used here as model system
to demonstrate the usefulness of cooperativity free
energies in detecting and quantifying thermodynamic
coupling between events in complex biomolecular
systems. The results of this study led to new insight
that could help to determine the still enigmatic
physiological role of PaAz.
In Manuscript D, free energy calculations were
applied to study the thermodynamics of transport
through the ammonium transporter Amt-1 from
Archaeoglobus fulgidus (AfAmt-1). Ammonium is the most
directly utilizable nitrogen source for plants and
microorganisms. AfAmt-1 and its homologues facilitate
the transport of ammonia/ammonium across biological
membranes in living beings from all domains of life.
It is intensely debated how these proteins perform
their function and whether ammonia or its protonated
form ammonium is actually transported. The study
extended upon previous theoretical studies by
including the effects of substrate concentration,
electrochemical transmembrane gradients,
proton-coupled binding equilibria and competitive
binding of different ligand species. It was found
that the transported species is most likely the
ammonium ion. An ammonia/proton symport mechanism
that involves a pair of coplanar histidine residues
at the center of the transmembrane pore as transient
proton acceptor is made plausible by the high
genetic conservation of these residues.
Manuscript E presents a first application of the
microstate description within a CE/MM model to the
simulation of the non-equilibrium dynamics of a
molecular system. We simulated the re-reduction
kinetics of the primary electron donor in the
photocycle of the bacterial photosynthetic reaction
center from Blastochloris viridis. The simulation
results are in very good agreement with
experimentally measured data.…



Die Bindung und der Transfer von Liganden ist von
zentraler Bedeutung für die Funktion biomolekularer
Systeme. Das Hauptthema dieser Dissertation ist die
Entwicklung und Anwendung von Monte-Carlo-
Simulationsmethoden für das Studium komplexer
Ligandenbindungsgleichgewichte die auch
Konformationsänderungen beinhalten können. Die
simulierten Systeme wurden durch Mikrozustände
innerhalb eines Kontinuumselektrostatik/
Molekularmechanik-Modells (CE/MM-Modells)
beschrieben. Die CE/MM-ModelliDie Bindung und der Transfer von Liganden ist von
zentraler Bedeutung für die Funktion biomolekularer
Systeme. Das Hauptthema dieser Dissertation ist die
Entwicklung und Anwendung von Monte-Carlo-
Simulationsmethoden für das Studium komplexer
Ligandenbindungsgleichgewichte die auch
Konformationsänderungen beinhalten können. Die
simulierten Systeme wurden durch Mikrozustände
innerhalb eines Kontinuumselektrostatik/
Molekularmechanik-Modells (CE/MM-Modells)
beschrieben. Die CE/MM-Modellierungsmethodik wurde
verbessert. Das Ergebnis dieser Verbesserung waren
detailliertere molekulare Modelle die es ermöglichen,
Eigenschaften eines Systems und Umweltbedingungen
realistischer darzustellen. Die entwickelten
Simulationsmethoden wurden auf einige biomolekulare
Systeme angewendet. Die Funktion dieser Systeme weist
Aspekte auf die wichtig für das Verständnis der
bioenergetischen Energieumwandlung sind. Die
Ergebnisse dieser Arbeit sind in fünf Fachartikeln
dargestellt die in begutachteten wissenschaftlichen
Zeitschriften veröffentlicht wurden.
Manuskript A stellt die größtenteils im Rahmen dieser
Arbeit entstandene Monte-Carlo-Simulationssoftware
GMCT vor. Die Software bietet viele verschiedene
Simulationsmethoden, die es dem Anwender erlauben,
das volle Potential der CE/MM Modelle für die
Simulation komplexer Rezeptorsysteme zu nutzen.
Manuskript B stellt ein neues theoretisches
Grundgerüst für die Berechnung freier Energien
mittels thermodynamischer Störungstheorie vor.
Das neue Grundgerüst besitzt einen breiteren
Anwendungsbereich und kann zu effizienteren
Simulationen führen als frühere Formulierungen.
Die Herleitung des Formalismus ergab auch
interessante neue Einblicke in das Gebiet der
allgemeinen Thermodynamik. Der Formalismus wurde
in GMCT eingebaut und konnte für die in den
Manuskripten C und D dargestellten Berechnungen
freier Energien schon nutzbringend eingesetzt
werden.
Manuskript C, demonstriert die Anwendung von
Kooperativitätsmaßen auf Basis freier Energien
zur Untersuchung der Kopplung von Protonierung,
Reduktion und Konformationsänderung in Azurin
aus Pseudomonas aeruginosa (PaAz). Eine solche
Kopplung ist prototypisch für bioenergetische
Systeme, weil es die thermodynamische Grundlage
ihrer Energieumwandlungsfunktion darstellt.
PaAz ist ein experimentell gut charakterisiertes,
kleines Elektronentransportprotein. Deshalb wurde
PaAz hier als Modellsystem benutzt, um die
Nützlichkeit freier Kooperativitätsenergien für
die Erkennung und Quantifizierung einer
thermodynamischen Kopplung zwischen Ereignissen
in komplexen biomolekularen Systemen zu
demonstrieren. Die Ergebnisse dieser Studie
führten zu neuen Einsichten, die helfen könnten,
die immer noch rätselhafte physiologische Rolle
von PaAz zu ergründen.
In Manuskript D wurden Berechnungen freier Energien
angewendet, um die Thermodynamik des Transports durch
den Ammonium-/Ammoniaktransporter Amt-1 aus
Archaeoglobus fulgidus (AfAmt-1) zu untersuchen.
Ammonium ist die am direktesten verwertbare
Stickstoffquelle für Pflanzen und Mikroorganismen.
AfAmt-1 und seine Homologen erleichtern den Transport
von Ammoniak/Ammonium über biologische Membranen
in Lebewesen aus allen Reichen des Lebens. Es wird
intensiv debattiert, wie diese Proteine
ihre Funktion erfüllen und ob Ammonium oder seine
protonierte Form Ammoniak das tatsächlich
transportierte Substrat ist. Die Studie ging durch
die Berücksichtigung der Effekte der
Substratkonzentrationen, elektrochemischer
Transmembrangradienten, gekoppelter
Protonierungsgleichgewichte und der kompetitiven
Bindung verschiedener Ligandenarten über vorherige
theoretische Studien hinaus. Es wurde festgestellt,
dass die transportierte Spezies höchstwahrscheinlich
das Ammoniumion ist. Ein Ammoniak/Proton-Symport-
Mechanismus, der ein Paar koplanarer Histidinreste
im Zentrum der Transmembranpore als vorübergehenden
Protonenakzeptor einbindet, erscheint wegen der
hohen genetischen Konservierung dieser Reste
plausibel.
Manuskript E stellt eine erste Anwendung der
Mikrozustandsbeschreibung innerhalb eines CE/MM-
Modells für die Simulation der
Nichtgleichgewichtsdynamik eines molekularen
Systems dar. Simuliert wurde die Re-Reduktionskinetik
des primären Elektronendonors im Photozyklus des
bakteriellen photosynthetischen Reaktionszentrums
aus Blastochloris viridis. Die Ergebnisse der
Simulationen stimmen sehr gut mit experimentell
gemessenen Daten überein.…



| Institutes: | Chemie |
|---|---|
| Author: | R. Thomas Ullmann |
| Advisor: | Prof. Dr. G. Matthias Ullmann |
| Granting Institution: | Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften |
| Date of final exam: | 08.08.2012 |
| Year of Completion: | 2012 |
| Pagenumber: | 173 S. |
| SWD-Keyword: | Chemische Thermodynamik; Elektrostatik; Kooperativität; Markov-Ketten-Monte-Carlo-Verfahren; Monte-Carlo-Simulation |
| Tag: | Monte Carlo simulation; continuum electrostatics; cooperativity; free energy calculation; free energy perturbation |
| Dewey Decimal Classification: | 5 Naturwissenschaften und Mathematik |
| CCS-Classification: | I. Computing Methodologies |
| MSC-Classification: | 28-XX MEASURE AND INTEGRATION (For analysis on manifolds, see 58-XX) |
| PACS-Classification: | 30.00.00 ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS |
| 60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES | |
| 70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES | |
| URN: | urn:nbn:de:bvb:703-opus4-10224 |
| Document Type: | Doctoral Thesis |
| Language: | English |
| Date of Publication (online): | 06.12.2012 |
| Licence (German): | Creative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung |






