Dynamic nature of proteins - interpretation of residual dipolar couplings

Protein conformations and dynamics can be studied by nuclear magnetic resonance spectroscopy using dilute liquid crystalline samples. This work clarifies the interpretation of residual dipolar coupling data yielded by the experiments. It was discovered that unfolded proteins without any additional structure beyond that of a mere polypeptide chain exhibit residual dipolar couplings. Also, it was found that molecular dynamics induce fluctuations in the molecular alignment and doing so affect residual dipolar couplings. The finding clarified the origins of low order parameter values observed earlier. The work required the development of new analytical and computational methods for the prediction of intrinsic residual dipolar coupling profiles for unfolded proteins. The presented characteristic chain model is able to reproduce the general trend of experimental residual dipolar couplings for denatured proteins. The details of experimental residual dipolar coupling profiles are beyond the analytical model, but improvements are proposed to achieve greater accuracy. A computational method for rapid prediction of unfolded protein residual dipolar couplings was also developed. Protein dynamics were shown to modulate the effective molecular alignment in a dilute liquid crystalline medium. The effects were investigated from experimental and molecular dynamics generated conformational ensembles of folded proteins. It was noted that dynamics induced alignment is significant especially for the interpretation of molecular dynamics in small, globular proteins. A method of correction was presented. Residual dipolar couplings offer an attractive possibility for the direct observation of protein conformational preferences and dynamics. The presented models and methods of analysis provide significant advances in the interpretation of residual dipolar coupling data from proteins.

Proteiinit ovat elämän kannalta välttämättömiä molekyylejä. Solujen toiminta perustuu pitkälti proteiineihin, joita solut valmistavat DNA:ssa olevien "rakennusohjeiden" mukaisesti. Proteiineihin liittyvät häiriöt ovat syypää mm. sellaisiin vakaviin saurauksiin kuin Alzheimerin ja Creutzfeldt-Jakobin taudit. Proteiineilla on yleensä hyvin määritelty ja kohtuullisen vakaa rakenne, mutta usein proteiini sisältää myös heikosti rakenteellisia osia. On olemassa myös rakenteellisesti epävakaita proteiineja, jotka ottavat toiminnallisen muotonsa vasta vuorovaikutuksessa. Kaikki proteiinit ovat kuitenkin jatkuvassa sisäisessä liikkeessä; niiden muoto elää alati. Tässä työssä on tutkittu proteiinien rakenteellisten ja dynaamisten ominaisuuksien tulkintaa ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla mitatuista tuloksista. Siinä on osoitettu, että vastoin aiempaa käsitystä myös täysin rakenteettomista proteiineista saadaan mitattua jäännösdipolikytkennäksi kutsuttu suure, joka antaa ainutlaatuista tietoa molekyylin atomien välisistä suhteista. Työssä on myös osoitettu riittämättömäksi vallitseva tapa kohdella proteiinia kuin kiinteää molekyyliä sen keskimääräistä asentoa määritettäessä. Tutkimuksen tulokset mahdollistavat entistä tarkemman kuvan saamisen proteiinien rakenteellisista ja dynaamisista ominaisuuksista. Proteiinien ominaisuuksien lisääntynyt ymmärrys voi mahdollistaa mm. entistä tehokkaampien lääkeaineiden suunnittelun ja kehittämisen.