Collective dynamics and conformational sampling of triosephosphate isomerase

Abstract

Triozfosfat izomeraz (TIM) molekülünün apo formunun kollektif hareketleri ile `loop 6' bölgesinin hareketi arasındaki korelasyonu (bağlaşım, bağıntı) belirlemek için moleküler dinamik simülasyonları (30-60 ns) gerçekleştirilmiştir. TIM molekülünün özdeş monomerleri arasında eşgüdümlü bir hareket gözlenmese de, doğal yapısının homo-dimer olarak aktif olduğu bilinmektedir. Dimer yapının ve dimer yapısından izole edilen monomerlerin, belirtik çözücü içersinde 300 K sıcaklık, 1 bar basınç altında yapılan simülasyonları sayesinde, monomer ve dimer yapıların dalgalanma hareketleri ve fonksiyonel olarak önemli olan `loop 6' bölgesi dinamiği/kapanması arasındaki farklılıklar incelenmiştir. Özdeş iki monomerin temel modlarındaki zıt dönme hareketleri sonucunda, dimer yapıdaki rezidü hareketleri arasında önemli karmaşık korelasyonlar gözlenmiştir. Özellikle dimer yapının toplam hareketinin % 34'ünü oluşturan ilk temel mod, `loop 6' bölgesinin aktif bölge üzerine kapanma hareketi ile büyük ölçüde ilişkilidir. Buna karşılık, monomer yapının simülasyonunda bu tür belirgin korelasyonların yerine lokal hareketler yer almaktadır. Sonuç olarak dimer yapıdan kaynaklanan, ns zaman dilimindeki kollektif hareketler `loop 6' bölgesinin koordine olarak kapanmasında fonksiyonel olarak önemli rol almaktadır. Buna ek olarak elastik ağ yapı modelleri ile enerji minimizasyonunun birleşmesi ile oluşan, proteinlerin konformasyon kümesinde örnekleme yapan yeni bir teknik, bu tez çalışması içerisinde önerilmiştir. Farklı yönlerde yavaş harmonik normal modlar doğrultusunda yaratılan değişik konformasyonlar, enerji minimizasyon yöntemi ile geri haritalanmıştır. Enerji minimizasyonu sırasında genel Born örtük çözücü modeli kullanılmıştır. Önerilen metodun uygulanabilirliği ve verimliliği 60 ns'lik dimer TIM simulasyonu üzerinde sınanmış ve açıklanmıştır.

Molecular dynamics simulations (30-60 ns runs) are performed on free/apo triosephosphate isomerase (TIM) to determine any correlation between collective motions and loop 6 dynamics. Native TIM is active only as a homo-dimer even though cooperativity has not been observed between the two identical subunits. Both dimeric and monomeric (isolated from dimer) forms of TIM are simulated in explicit water at 300 K and 1 bar to inspect any differences between the structures in terms of fluctuation dynamics and functionally important loop 6 dynamics/closure. Significant cross-correlations between residue fluctuations are observed in the dimer, which result from the global counter-rotations of the two identical subunits in the essential modes of the dimer. Specifically, the first essential mode contributing to 34% of overall motion of the dimer is strongly coupled to the loop 6?s closure over the active site. In contrast, such significant correlations cannot be observed in the monomeric structure, which maintains relatively localized motions of the loops in the essential modes. Thus, the onset of collective motions at ns timescale due to dimerization has functional implications as to the coordination of loop 6 closure. Additionally, a new technique for conformational sampling of proteins is proposed in this thesis, which combines elastic network models and energy minimization procedure. Different conformations generated along the slow harmonic normal modes are reverse-mapped by energy minimization using the generalized Born, implicit solvation model. The applicability and efficiency of this approach is demonstrated on dimeric TIM using the 60 ns MD trajectory.