Molecular dynamics simulations of acids and bases in biomolecular environments

Abstract

Proton transfer and pH are key features in determining the function of many biological entities, such as lipid membranes and enzymes. Local pH defines the protonation states of titratable groups, which by altering the electrostatic interactions can affect the chemical processes in these biomolecules. In addition to experimental research, continuously advancing computational methods are providing atomistic details of diverse biological processes. One of the common simulation methods for biological systems is molecular dynamics (MD). However, in conventional MD the protonation states of titratable groups such as amino acids in proteins are fixed, preventing the investigation of protonation events. To overcome this limitation, so called constant pH molecular dynamics has been developed during the last decades. In constant pH MD the pH is fixed and the protonation of selected groups can alter during the simulation, enabling the study of pH-dependent phenomena. In this thesis, MD simulations are performed to complement experimental findings of proton diffusion on the surface of phospholipid membranes. An accurate and efficient constant pHMDroutine is implemented into the GROMACS simulation software, together with corrections to the CHARMM force field in order to more reliably sample the rotamers of titratable amino acids. Together, these results demonstrate the benefits of a fast, flexible, and free constant pH MD method in describing pH-dependent processes in biology.

Useiden biologisten kokonaisuuksien, kuten entsyymien tai solukalvojen, toimintaan vaikuttaa niitä ympäröivän liuoksen happamuus, jota kuvataan yleisesti pH-arvolla. Paikallinen pH vaikuttaa atomitasolla biomolekyylien kemiallisten ryhmien protonaatioasteeseen eli siihen, onko kyseisiin ryhmiin sitoutunut protoni. Protonien sitoutuminen muuttaa molekyylien varauksia, jolloin niiden ja ympäristön välisten sähköisten vuorovaikutusten suuruus voi muuttua. Tällä on vaikutus biomolekyylien rakenteeseen ja niiden ominaisuuksiin, vaikuttaen lopulta koko biologisen kokonaisuuden toimintaan. Kokeellisen tutkimuksen lisäksi biomolekyylien toimintaa atomitasolla voidaan tutkia laskennallisesti modernien tietokonesimulaatiomenetelmien avulla. Yksi yleisimmistä biologisten systeemien tutkimiseen käytettävistä simulaatiomenetelmistä on molekyylidynamiikka (MD). Perinteisten Newtonin mekaniikkaan perustuvien MDsimulaatioiden rajoituksena on kuitenkin se, että kemiallisten ryhmien, kuten aminohappojen, protonaatioaste ja siten varaus ei voi muuttua simulaatioiden aikana. Tällöin pH:sta riippuvaisia muutoksia biologisissa kokonaisuuksissa ei voida suoraan tutkia simulaatioissa. Tämän väitöskirjatutkimuksen tarkoituksena on ensin täydentää kokeellisia havaintoja protoninsiirrosta fosfolipidikalvon pinnalla hyödyntämällä klassisia MD-simulaatioita. Väitöskirjan keskiössä on niin kutsutun vakio-pH MD-simulaatiomenetelmän jatkokehittäminen GROMACSohjelmistolle. Tämä laskennallisesti tehokas ja tarkka vakio-pH MD mahdollistaa protonaatioasteen muuttumisen epäsuorasti MD-simulaation aikana, jolloin pHriippuvuus saadaan huomioitua simulaatioissa. Lisäksi vuorovaikutuksia kuvaavaan CHARMM-voimakenttään lisätään korjauksia, jotta aminohappojen sivuketjujen rotameerien mallintaminen olisi todenmukaisempaa vakio-pH simulaation aikana. Kokonaisuutena väitöskirjassa esitetyt tulokset havainnollistavat pH:n tärkeyttä simulaatioparametrina, ja vakio-pH MD:n merkitystä biologisten kokonaisuuksien laskennallisessa tutkimuksessa.