TY - THES A1 - Geraili Daronkola, Hosein T1 - The role of acidic amino acids in the hydration and stabilization of halophilic proteins T1 - Die Rolle Saurer Amino Säuren bei der Hydratation und Stabilisierung von Halophilen Proteinen N2 - Proteins of halophilic organisms that accumulate molar concentrations of KCl in their cytoplasm have much higher content in acidic amino acids than proteins of mesophilic organisms. It has been proposed that this excess is necessary to maintain proteins hydrated in an environment with low water activity: either via direct interactions between water and the carboxylate groups of acidic amino acids or via cooperative interactions between acidic amino acids and hydrated cations, which would stabilize the folded protein. In the course of this Ph.D. study, we investigated these possibilities using atomistic molecular dynamics simulations and classical force fields. High quality parameters describing the interaction between K+ and carboxylate groups present in acidic amino acids are indispensable for this study. We first evaluated the quality of the default parameters for these ions within the widely used AMBER ff14SB force field for proteins and found that they perform poorly. We propose new parameters, which reproduce solution activity derivatives of potassium acetate solutions up to 2 mol/kg and the distances between potassium ions and carboxylate groups observed in x-ray structures of proteins. To understand the role of acidic amino acids in protein hydration, we investigated this aspect for 5 halophilic proteins in comparison with 5 mesophilic ones. Our results do not support the necessity of acidic amino acids to keep folded proteins hydrated. Proteins with a larger fraction of acidic amino acids indeed have higher hydration levels. However, the hydration level of each protein is identical at low (b_KCl = 0.15 mol/kg) and high (b_KCl = 2 mol/kg) KCl concentration. It has also been proposed that cooperative interactions between acidic amino acids with nearby hydrated cations stabilize the folded protein and slow down its solvation shell; according to this theory, the cations would be preferentially excluded from the unfolded structure. We investigate this possibility through extensive free energy calculation simulations. We find that cooperative interactions between neighboring acidic amino acids exist and are mediated by the ions in solution but are present in both folded and unfolded structures of halophilic proteins. The translational dynamics of the solvation shell is barely distinguishable between halophilic and mesophilic proteins; therefore, such a cooperative effect does not result in unusually slow solvent dynamics as has been suggested. N2 - Die Hydratation von Proteinen ist entscheidend für die Funktion von Proteinen. Die meisten Proteine typischer Organismen existieren in Umgebungen, in denen die Elektrolytkonzentration deutlich unter 1 molar bleibt; in Medien mit höherer Konzentration stellen diese Proteine oft ihre Funktion ein. Im Gegensatz dazu existieren Proteine von halophilen Organismen in Umgebungen mit multimolaren Konzentrationen von KCl-Salz und verlieren oft ihre Funktion bei niedriger KCl-Konzentration. Das Verständnis der Mechanismen, durch die halophile Proteine in der Lage sind, bei hoher KCl-Konzentration zu funktionieren, ist wichtig, sowohl aus fundamentaler Sicht als auch wegen der Auswirkungen, die dieses Verständnis auf die Suche nach Enzymen haben wird, die in anderen Umgebungen mit hoher Salzkonzentration funktionieren (z.B. für die H2-Produktion in NaCl-reichem Wasser, wodurch Süßwasserressourcen geschont werden, oder um enzymatische Katalyse in Mischungen aus organischen Lösungsmitteln und Wasser durchzuführen, was von Interesse ist, wenn Substrate oder Produkte schlecht wasserlöslich sind). Halophile Proteine haben einen außergewöhnlich hohen Gehalt an negativ geladenen Aminosäuren (saure Aminosäuren) und diese Aminosäuren, Bausteine der Proteine, sind wesentlich stärker hydratisiert als andere natürliche Aminosäuren. Eine intuitive Erklärung für den hohen Gehalt an sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist, dass sie zur Aufrechterhaltung der Proteinhydratation bei hohen KCl-Konzentrationen notwendig sind. Diese Erklärung wurde noch nicht getestet, zum Teil, weil die Quantifizierung der Proteinhydratation in einem breiten Bereich von KCl-Konzentrationen im Experiment eine Herausforderung darstellt. In dieser Arbeit überwinden wir diese Schwierigkeit durch den Einsatz von Molekularsimulationen. Wir untersuchen 10 Proteine mit unterschiedlichem Gehalt an sauren Aminosäuren, Nettoladung und Proteingröße, um allgemeine Schlussfolgerungen ziehen zu können. Wir zeigen, dass der Hydratationsgrad aller untersuchten Proteine unempfindlich gegenüber Änderungen der KCl-Konzentration ist. Dieses Ergebnis deutet stark darauf hin, dass die Aufrechterhaltung der Proteinhydratation nicht die evolutionär treibende Kraft hinter der Häufigkeit von sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist. Die Robustheit der Proteinhydratation hängt mit der Tatsache zusammen, dass positiv geladene Salzionen nicht mit dem Protein um verfügbares Wasser konkurrieren, sondern die Hydratation der Proteine mit ihrer eigenen Hydratation integrieren. Es wurde auch vorgeschlagen, dass diese Integration die Wassermoleküle in der Nähe des Proteins verlangsamt. Unsere Studie zeigt eine kaum unterscheidbare Wasserdynamik zwischen halophilen und mesophilen Proteinen. KW - Halophilic proteins KW - Molecular Dynamics Simulation KW - Force Field Optimization KW - Kraftfeld Optimierung KW - Halophile Proteine KW - Molekulardynamische Simulation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516713 ER - TY - THES A1 - Kav, Batuhan T1 - Membrane adhesion mediated via lipid-anchored saccharides T1 - Membranadhäsion durch Lipid-verankerte Saccharide N2 - Membrane adhesion is a fundamental biological process in which membranes are attached to neighboring membranes or surfaces. Membrane adhesion emerges from a complex interplay between the binding of membrane-anchored receptors/ligands and the membrane properties. In this work, we study membrane adhesion mediated by lipid-anchored saccharides using microsecond-long full-atomistic molecular dynamics simulations. Motivated by neutron scattering experiments on membrane adhesion via lipid-anchored saccharides, we investigate the role of LeX, Lac1, and Lac2 saccharides and membrane fluctuations in membrane adhesion. We study the binding of saccharides in three different systems: for saccharides in water, for saccharides anchored to essentially planar membranes at fixed separations, and for saccharides anchored to apposing fluctuating membranes. Our simulations of two saccharides in water indicate that the saccharides engage in weak interactions to form dimers. We find that the binding occurs in a continuum of bound states instead of a certain number of well-defined bound structures, which we term as "diffuse binding". The binding of saccharides anchored to essentially planar membranes strongly depends on separation of the membranes, which is fixed in our simulation system. We show that the binding constants for trans-interactions of two lipid-anchored saccharides monotonically decrease with increasing separation. Saccharides anchored to the same membrane leaflet engage in cis-interactions with binding constants comparable to the trans-binding constants at the smallest membrane separations. The interplay of cis- and trans-binding can be investigated in simulation systems with many lipid-anchored saccharides. For Lac2, our simulation results indicate a positive cooperativity of trans- and cis-binding. In this cooperative binding the trans-binding constant is enhanced by the cis-interactions. For LeX, in contrast, we observe no cooperativity between trans- and cis-binding. In addition, we determine the forces generated by trans-binding of lipid-anchored saccharides in planar membranes from the binding-induced deviations of the lipid-anchors. We find that the forces acting on trans-bound saccharides increase with increasing membrane separation to values of the order of 10 pN. The binding of saccharides anchored to the fluctuating membranes results from an interplay between the binding properties of the lipid-anchored saccharides and membrane fluctuations. Our simulations, which have the same average separation of the membranes as obtained from the neutron scattering experiments, yield a binding constant larger than in planar membranes with the same separation. This result demonstrates that membrane fluctuations play an important role at average membrane separations which are seemingly too large for effective binding. We further show that the probability distribution of the local separation can be well approximated by a Gaussian distribution. We calculate the relative membrane roughness and show that our results are in good agreement with the roughness values reported from the neutron scattering experiments. N2 - Membranadhäsion ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem Membranen sich an benachbarte Membranen oder Oberfläche anheften. Membranadhäsion entstammt einem komplexen Zusammenspiel aus Bindungen zwischen Membranverankerten Rezeptor/Ligand-Bindungen und den Membraneigenschaften selbst. In dieser Arbeit untersuchen wir Membranadhäsion vermittelt durch Lipid-verankerte Saccharide mittels Mikrosekunden-langer voll-atomistischer molekular-dynamischer Simulationen. Motiviert durch Neutronen Scattering Experimente von Lipid-verankerten Sacchariden und deren Einfluss auf Membranadhäsion, untersuchen wir die Rolle der Saccharide LeX, Lac1 und Lac2 sowie der Membranfluktuationen in Membranadhäsion. Wir untersuchen die Bindungen der Saccharide in drei verschiedenen Systemen: In Wasser, verankert in quasi-ebenflächigen Membranen bei fixierten Abständen, und verankert in aneinanderliegenden, fluktuierenden Membranen. Unsere Simulationen von zwei Sacchariden in Wasser deuten darauf hin, dass diese Saccharide durch schwache Interaktionen Dimere formen. Anstelle einiger klar definierter Bindungsstrukturen, finden wir ein Kontinuum von gebundenen Zuständen vor, das wir als "diffuse Bindung" bezeichnen. Die Bindungen von Sacchariden in quasi-ebenflächigen Membranen hängt stark vom Abstand zwischen diesen Membranen ab, der in unserem System fest gewählt ist. Wir zeigen, dass die Bundungskonstanten für trans-Interaktionen zweier Lipid-verankerter Saccharide monoton abnimmt mit zunehmendem Abstand. Saccharide verankert auf der selben Membran wechselwirken in cis-Interaktionen, deren Bindungskonstanten denen der trans-Interaktionen bei dem kleinsten gewählten Membranabstand ähneln. Das Zusammenspiel der cis- und trans-Interaktionen kann in Simulationssystemen mit vielen Lipid-verankerten Sacchariden untersucht werden. Für Lac2 deuten unsere Simulationen auf eine Kooperativität zwischen cis- und trans-Interaktionen hin: In diesem kooperativen Bindungsprozess verstärkt die cis-Interkation die trans-Bindunskonstante. Für LeX hingegen stellen wir keine Kooperativität zwischen trans- und cis-Bindung fest. Zusätzlich bestimmen wir die generierten Kräfte, die durch trans-gebundene Lipid-verankerte Saccharide in ebenflächigen Membranen und die resultierende Ablenkung der Lipid-Anker hervorgerufen werden. Wir stellen fest, dass mit gesteigertem Abstand zwischen den Membranen, die auf trans-gebundene Saccharide wirkenden Kräfte auf bis zu 10 pN ansteigen. Die Bindungen von Sacchariden, die in fluktuierenden Membranen verankert sind, resultieren aus einem Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften dieser Lipid-verankerten Saccharide und den Membranfluktuationen. Unsere Simulationen, die den Membranabstand aufweisen, der auch in den Neutron Scattering Experimenten ermittelt wurde, resultieren in einer Bindungskonstante, die größer ist als jene in quasi-ebenflächigen Membranen bei dem gleichen Abstand. Dieses Ergebnis demonstriert, dass Membranfluktuationen eine wichtige Rolle spielen bei mittleren Membranabstünden, die sonst scheinbar zu groß sind für effektive Bindungsprozesse. Weiterhin zeigen wir, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung der lokalen Abstünde gut durch eine Gauss-Verteilung approximiert werden kann. Wir berechnen die relative Membranrauigkeit und zeigen, dass unsere Ergebnisse gut mit denen der Neutron Scattering Experimente vereinbar sind. KW - molecular dynamics KW - membrane adhesion KW - lipid-anchored saccharide KW - lipid membranes KW - membrane adhesion forces KW - Molekulardynamik KW - Membranadhäsion KW - lipid-verankerte Saccharide KW - Lipidmembran KW - Membran-Adhäsionskräfte Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428790 ER -