Protein-Dynamik in Lösung und in einer kristallinen Umgebung: Eine molekulare Dynamikstudie

Der Einfluss eines Lösungsmittels und einer kristallinen Umgebung auf die Dynamik von Proteinen wird mittels Computersimulation untersucht. Drei 25-ps molekulare Dynamiksimulationen bei 300 K des bovinen pankreatischen Trypsinhemmers (BPTI), der aus 454 schweren Atomen besteht, werden verglichen: eine von BPTI im Vakuum, eine von BPTI in einer Box mit 2647 sphärischen unpolaren Lösungsmittelatomen und eine von BPTI, umgeben von festen Kristallbildatomen. Sowohl durchschnittliche als auch zeitabhängige molekulare Eigenschaften werden untersucht, um den Einfluss der Umgebung auf das Verhalten des Proteins zu bestimmen. Die Dynamik von BPTI in Lösung oder in der Kristallumgebung ist derjenigen, die im Vakuum berechnet wurde, sehr ähnlich. Der Hauptunterschied bei den Durchschnittseigenschaften ist, dass die Gleichgewichtsstruktur in Anwesenheit des Lösungsmittels oder des Kristallfeldes signifikant näher an der Röntgenstruktur liegt als das Ergebnis im Vakuum; gleichzeitig führt die realistischere Umgebung zu einer Teilchenzahl, die näher am Experiment liegt. Die Anwesenheit des Lösungsmittels hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf die gesamte Größe der räumlichen oder dihedralen Winkelstörungen im Inneren des Proteins; jedoch gibt es Änderungen bei den Zerfallszeiten der Fluktuationen der inneren Atome. Bei Oberflächenresten sind sowohl die Größe als auch der zeitliche Verlauf der Bewegungen signifikant durch das Lösungsmittel verändert. Es gibt tendenziell eine Zunahme der Verschiebungen der langen Seitenketten und der flexiblen Teile der Hauptkette, die in das Lösungsmittel hineinragen. Darüber hinaus haben diese Bewegungen tendenziell einen diffusive Charakter mit längeren Relaxationszeiten als im Vakuum. Die kristalline Umgebung hat einen spezifischen Einfluss auf eine Reihe von Seitenketten, die durch Wasserstoffbrücken- und elektrische Wechselwirkungen mit den benachbarten Proteinatomen relativ fest in ihren Positionen gehalten werden. Die meisten der Auswirkungen der Lösungsumgebung scheinen ausreichend unspezifisch zu sein, so dass es möglich sein könnte, sie durch Anwendung eines Mittelwertfeldes und stochastischer Dynamikmethoden zu modellieren.