Hochdruck ist eine viel versprechende Möglichkeit Lebensmittel haltbar zu machen. Die derzeit übliche thermische Behandlung ist im Gegensatz zum Hochdruck mit einigen Nachteilen verbunden. Dazu zählen die Energiekosten, die oft unerwünschten chemischen und physikalischen Veränderung von Inhaltsstoffen sowie die Belastung des Biomaterials durch die Aufheizphase auf die gewünschte Temperatur. Druck hingegen herrscht sofort im gesamten Lebensmittel und ist insgesamt schonender, da er z.B. keine kovalenten Bindungen zu spalten vermag. Um nun Aussagen auf molekularer Basis der Inhaltsstoffe, z.B. Proteine, treffen zu können verwendet man Molekülsimulationen.
Numerische Simulation von Biomolekülen in verschiedenen Lösungsmitteln bilden seit vielen Jahren einen Forschungsschwerpunkt. Das liegt zum einen an der Entwicklung neuer Berechnungsalgorithmen und Modelle, zum anderen an der rapiden Zunahme an Rechenkapazität.
Eine der ersten molekulardynamischen Simulationen unter Hochdruck führten Kitchen et al. [ ] im Jahr 1992 durch. Sie untersuchten BPTI (bovine pancreatic trypsin inhibitor) in Lösung bei einem Druck von 1000 MPa. Es gilt dabei zu bedenken, dass die damaligen Rechner nicht annähernd die Rechenleistung besaßen wie die heutigen, und damit die Simulationszeiten im Bereich von 100 ps lagen. Sie beobachteten, dass keine druckinduzierte Denaturierung in dieser kurzen Zeitspanne zu erkennen war. Heutige Rechnernetzwerke bringen ein Vielfaches der Leistung damaliger Rechner, sodass Beobachtungszeitspannen von 10-100 ns möglich werden.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- B-Lactoglobulin
- Thermisch induzierte Veränderungen des B-Lactoglobulin
- Druckinduzierte Veränderungen des ẞ-Lactoglobulin
- Modifikationen durch den pH-Wert
- Experimentelle Untersuchungen
- Angewandte Methode: Molekularmechanik
- Ensembles und Ergodizität
- Nichtbindende Kräfte
- Kovalente Verknüpfungen
- Berechnungsalgorithmen
- MD-Simulationen
- CHARMM
- Vorbereitung und Starten der Simulation
- Angewandte Methode: Elektrostatik
- Die Poisson-Boltzmann-Gleichung
- Lösen der Poisson-Boltzmann-Gleichung mit dem Programmpaket Delphi
- Wahl der Dielektrizitätkonstanten
- Vorbereitung und Starten der Elektrostatikberechnungen
- Solvatisierungsenergie
- Berechnung von Bindungsenergien
- pKs-Wert Berechnungen
- Numerische Stabilität der Lösungen
- Ergebnisse
- Volumen- und Oberflächenänderungen des Proteins
- Eindringen von Wassermolekülen in das Protein und Exponierung des Cystein 121
- Radiale Wasserverteilung – Hydrathülle des Proteins
- Gyrationsradius
- Konformationsänderungen
- Kompressibilität einzelner Strukturelemente
- Anteil der Elektrostatik an der Bindungsenergie der Monomere
- pKs-Wert des Glu8
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen von Hochdruck auf das hydratisierte B-Lactoglobulin-Dimer mithilfe von Molekularmechanik und Kontinuumselektrostatik. Ziel ist es, die Konformationsänderungen des Proteins zu verstehen, insbesondere die Exponierung von Cystein 121, das Eindringen von Wassermolekülen, die Volumenänderungen und den Einfluss dieser Änderungen auf die Bindungsenergie der Monomere und den pKs-Wert von Glu89.
- Einfluss von Hochdruck auf die Konformation von B-Lactoglobulin
- Exponierung von Cystein 121 und Eindringen von Wassermolekülen
- Volumenänderungen und Auswirkungen auf die Hydrathülle
- Bindungsenergie der Monomere und der pKs-Wert von Glu89
- Anwendung von Molekularmechanik und Kontinuumselektrostatik
Zusammenfassung der Kapitel
Die Einleitung führt in die Thematik der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln ein und erläutert die Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren. Sie stellt die molekulardynamische Simulation als Forschungsinstrument vor und skizziert den aktuellen Stand der Forschung in diesem Bereich. Die Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses von Hochdruck auf das B-Lactoglobulin-Dimer.
Kapitel 2 stellt B-Lactoglobulin und seine Eigenschaften im Detail vor. Es behandelt thermisch und druckinduzierte Veränderungen sowie Modifikationen durch den pH-Wert und erläutert die für die Untersuchung angewandte Methode der Molekularmechanik.
Kapitel 3 beschreibt die verwendeten Methoden der Molekularmechanik und Elektrostatik. Es werden Ensembles, nichtbindende Kräfte, Kovalente Verknüpfungen und Berechnungsalgorithmen erläutert. Die Anwendung des CHARMM-Programms und die Vorbereitung der Simulationen werden detailliert dargestellt. Kapitel 4 befasst sich mit der Methode der Elektrostatik. Die Poisson-Boltzmann-Gleichung wird vorgestellt, sowie ihre Lösung mit dem Programmpaket Delphi. Die Wahl der Dielektrizitätkonstanten und die Vorbereitung der Elektrostatikberechnungen werden dargestellt. Die Berechnung von Bindungsenergien und pKs-Werten wird behandelt.
Schlüsselwörter
Hochdruck, B-Lactoglobulin, Molekularmechanik, Kontinuumselektrostatik, Konformationsänderungen, Exponierung, Hydrathülle, Bindungsenergie, pKs-Wert, Simulation, CHARMM, Delphi.
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- Alexander Kutter (Autor), 2007, Proteinstruktur und Elektrostatik von beta-Lactoglobulin unter Hochdruck, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/86344
