Molecular dynamics and quantum mechanics /molecular mechanics analysis of hydrolysis reactions in NTPases proteins
- Autores: Fernando Martín García
- Directores de la Tesis: Paulino Gómez Puertas (dir. tes.), Jesús Mendieta Gómez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2013
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Ortega Mateo (presid.), Ugo Bastolla (secret.), Elena Papaleo (voc.), Jesús Mingorance Cruz (voc.), Marisela Vélez Tirado (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Palabras clave: Dinámica molecular, Mecánica cuántica, Mecánica molecular, NTPasas, Métodos computacionales, Reacciones enzimáticas, Superficies de energía potencial Keywords Molecular dynamics, Quantum Mechanics, Molecular Mechanics, NTPases, Computational Methods, Enzymatic Reactions, Potential Energy Surfaces.
Summary The main aim of macromolecular structure analysis is to study the connection between structure and function; to gain an understanding of the mechanisms via which macromolecular systems perform their functions at the molecular level; and to identify the role of every residue that is involved in the function of these macromolecules.
Molecular biology and biochemistry techniques have offered and continue to offer a great number of techniques that allow us to obtain reliable results in the study of such processes. In recent years, we have seen how new computational methods have been incorporated into the range of analytical tools available. These new methods are oriented towards the analysis of biological systems and they have evolved to offer us highly accurate calculations that reproduce results obtained in the laboratory. Thus, they provide an atomic resolution tool that can provide additional information to that obtained with in vivo and in vitro techniques.
Focusing on the approximations applied in the studies performed as part of this thesis, molecular dynamics (MD) allow us to simulate and analyze how both biological macromolecules (proteins, DNA, membranes, etc) and small molecules (ligands, cofactors, peptides, ions, etc) evolve over time in simulations that are close to experimental conditions and that are governed by the different ensembles and force fields. The development and constant evolution of computational systems now permits the study of larger and more complex systems, including not only the system to be studied but also its possible interaction with additional systems, thereby providing new and more accurate information.
In addition to the analysis, that MD can offer (protein ¿ protein / ligand interaction, studies of solvation and conformational changes, etc), quantum mechanics (QM) offers us the opportunity to study different chemical reactions that occur in these systems. Although the application of QM to complete macromolecular systems would be unaffordable from a computational point of view, the combination with molecular mechanics (MM) and MD, in what has been called QM /MM /MD or QM / MD, is perfectly affordable. In the present case, this interface allows us to describe the specific role of certain elements (such as the amino acids that constitute the catalytic sites of enzymes), while considering the protein environment, and permits us to generate and corroborate different hypothesis that would be extremely difficult to formulate and examine in experimental studies.
In accordance with this idea, in this thesis we have developed a new approximation based on QM /MD interface, combined with biased molecular dynamics (BMD) techniques, such us steered molecular dynamics (SMD) and umbrella sampling (US). This combination permits the study of complete macromoleculare systems (also called all atoms systems) via MD; and include the atoms implicated in the reaction in QM calculations. It involves the sampling of the conformational space defined by reaction coordinates in order to clarify how a reaction takes place and what the role of the surrounding protein environment is.
Resumen El principal objetivo del análisis estructural de macromoléculas consiste en el estudio de la relación estructura-función de las mismas, comprender los mecanismos gracias a los cuales desarrollan su función a nivel molecular y así como el papel que desempeñan cada uno de los residuos que intervienen en la función de dichas macromoléculas.
Las técnicas de biología molecular han ofrecido y siguen ofreciendo un gran número de técnicas que ofrecen resultados fiables en el estudio de tales procesos. Durante los últimos años, hemos visto como las nuevas aproximaciones computacionales orientadas al análisis de sistemas biológicos se han incorporado dentro del rango de herramientas analíticas. Estos nuevos métodos están orientados al análisis de sistemas biológicos y han evolucionado hasta proporcionarnos cálculos muy precisos que reproducen los resultados obtenidos en el laboratorio. Nos proporcionan por tanto una resolución atómica que puede generar información adicional a los obtenidos por técnicas in vivo e in vitro.
Centrándonos en las aproximaciones aplicadas en los estudios realizados en esta tesis, la dinámica molecular (MD) permite simular y analizar tanto los sistemas biológicos macromoleculares (proteínas, DNA, membranas, etc.) como las pequeñas moléculas (ligandos, cofactores, péptidos pequeños, iones, etc.) observando su evolución con el tiempo bajo condiciones cercanas a las experimentales y que vienen dadas por los ensambles y campos de fuerzas. El desarrollo y la constante evolución de los sistemas de computación, nos permiten el estudio de sistemas cada vez más grandes y complejos, incluyendo no solo el sistema de estudio si no también las posibles interacciones con otros sistemas, proporcionando nueva y más precisa información.
Adicionalmente al análisis que la MD ofrece (interacciones proteína ¿ proteína / ligando, estudios de solvatación y de cambios estructurales, etc.), la mecánica cuántica (QM) nos ofrece la capacidad de estudiar diferentes reacciones químicas llevadas a cabo por los sistemas biológicos de nuestro interés. Aunque su aplicación al estudio de sistemas macromoleculares completos es inabordable en estos momentos desde el punto de vista de la computación, su combinación con MD, en lo que se denomina interfaz QM/MM/MD o QM/MD, permite afrontar dicho problema. En nuestro caso, dicha interfaz nos permite describir el papel específico de determinados elementos (tales como los aminoácidos que componen los centros catalíticos de los enzimas), considerando el ambiente proteico, permitiendo así generar y corroborar las diferentes hipótesis que resultan difíciles de investigar por medio de técnicas experimentales.
De acuerdo con esta idea, en esta tesis hemos desarrollado una nueva aproximación basada en la interfaz QM/MD, combinada con técnicas de dinámica molecular dirigida (BMD), tales como el ¿steered molecular dynamics (SMD)¿ y ¿umbrella sampling (US)¿. Esta combinación permitirá el estudio de sistemas macromoleculares completos gracias a la parte de MD, incluyendo en los cálculos de QM aquellos átomos implicados en la reacción, analizando el espacio conformacional definido por las coordenadas de reacción con el fin de aclarar como una reacción es llevada a cabo y cuál es el papel de ambiente proteico en la misma.
