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Binding free energy calculations and molecular dynamics simulations on complexes of viral proteases with their ligands

Kuhn, Oliver

A major aim of biomolecular modelling is the calculation of binding affinities deltaG of ligands to proteins, especially enzymes. The spectrum of methods that has been developed for this task ranges from theoretically exact but expensive to more simple and qualitative ones. While the latter are often empirical scoring functions using one single structure as an input, the more complex methods require the preferably complete conformational space of a protein-ligand complex which can be sampled using methods such as molecular dynamics (MD). The intention of this thesis was to test and further develop methods for the calculation of deltaG, in particular variants of the molecular mechanics Poisson-Boltzmann surface area (MMPBSA) method. Furthermore, the effects of specific resistance mutations on the structure and dynamics of proteins should be determined using different metrics on MD simulation data. The first step to quantitative modelling using MD is the description of the molecules by parameterizing a forcefield. Such a molecular parameterization was performed for the non-standard amino acid sulpho-tyrosine. Subsequently, variants of the less expensive MMPBSA method were tested with regard to their ability to converge and determine deltaG estimates or at least establish the correct ranking of deltaG values for a set of enzyme-ligand complexes. Different solvation models and procedures to calculate the entropy have been used. As a molecular reference system, mutants of the HIV protease complexed with inhibitors were used. For these systems, experimental data are available to which the calculated values can be compared. At the other end of the methodological spectrum is the more expensive thermodynamic integration (TI). With a proper forcefield parameterization, TI should be able to quantitatively determine deltaG effects in the order of a few kJ/mol. This was tested on the HIV protease mutation L76V which is known to lead to a resensitivation (increased affinity) for some drugs. Eventually, MD simulations were used to understand the molecular effects of mutations of the NS3/4A protease, an enzyme of the human hepatitis C virus, on the binding of ligands (substrate, inhibitors).

Ein Ziel der biomolekularen Modellierung ist die Berechnung der Affinität deltaG von Liganden an Proteine, insbesondere Enzyme. Das Spektrum der Methoden, die zu diesem Zweck entwickelt wurden, reicht von theoretisch genauen aber aufwändigen Verfahren zu einfachen, eher qualitativen Verfahren. Während letztere häufig empirische Scoring-Funktionen und eine einzelne Struktur als Eingabe verwenden, wird für kompliziertere Methoden der möglichst vollständige Konformationsraum eines Protein-Ligand-Komplexes benötigt. Dieser wird mit Sampling-Verfahren wie der Molekulardynamik (MD) durchmustert. In dieser Promotionsarbeit sollten Verfahren zur Berechnung von deltaG, insbesondere Varianten der Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area (MMPBSA) Methode, getestet und nach Möglichkeit weiterentwickelt werden. Desweiteren sollte die Auswirkung bestimmter Resistenzmutationen auf Struktur und Dynamik von Proteinen mit unterschiedlichen Maßen aus MD Simulationen heraus erfasst werden. Der erste Schritt der quantitativen Modellierung mit MD ist die Beschreibung der Moleküle durch die Parametrisierung eines Kraftfelds. Anhand des sulfatierten Tyrosins wurde eine solche molekulare Parametrisierung für ein Nicht-Standard-Molekül durchgeführt. Sodann wurden Varianten der tendenziell weniger aufwändigen MMPBSA-Methode getestet im Hinblick auf ihre Konvergenz und ihre Eignung zur Bestimmung genauer deltaG-Werte oder zumindest verschiedene Enzym-Ligand-Komplexe in eine richtige Rangfolge gemäß ihrer deltaG-Werte zu bringen. Die Varianten unterscheiden sich durch verschiedene Solvatisierungsmodelle und Methoden zur Berechnung der Entropie. Als molekulares Referenzsystem wurden Mutanten der HIV Protease im Komplex mit Wirkstoffen verwendet, da es hierzu experimentelle Daten gibt, mit denen die berechneten Werte verglichen werden können. Am anderen Ende des methodischen Spektrums liegt die aufwändige Thermodynamische Integration (TI). Bei einer guten Kraftfeldparametrisierung sollte TI in der Lage sein, deltaG-Effekte in der Größenordnung weniger kJ/mol quantitativ zu bestimmen. Dies wurde anhand der Mutante L76V der HIVProtease, die für einige Wirkstoffe zu einer Resensitivierung (erhöhte Affinität) führt, getestet. Schließlich sollten MD-Simulationen verwendet werden, um die molekularen Effekte von Mutationen der NS3/4A-Protease des humanen Hepatitis C Virus auf die Bindung von Liganden (Substrat, Inhibitoren) zu verstehen.

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Kuhn, Oliver: Binding free energy calculations and molecular dynamics simulations on complexes of viral proteases with their ligands. 2013.

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