Riassunto analitico
La complessa relazione che collega gli aspetti strutturali delle biomolecole con l'interazione con il loro intorno è sicuramente uno degli aspetti più studiati nel trasferimento elettronico biologico.
Per capire come una biomolecola agisca, si deve prendere in considerazione una quarta dimensione, il tempo, aggiornando così il classico paradigma struttura-funzione includendo gli aspetti dinamici.
Per questo scopo, la dinamica molecolare (MD) fornisce un potente mezzo per studiare gli effetti della dinamica sulla funzionalità di una proteina.
Nel mio progetto di dottorato, ho studiato diverse proteine, native e mutanti, utilizzando simulazioni di dinamica molecolare e il Perturbed Matrix Method (PMM), un metodo teorico QM/MM che consente di calcolare le proprietà elettroniche in sistemi complessi e si basa su un ampio campionamento conformazionale. In particolare, la mia ricerca si è concentrata su: cinque cupredossine (proteine contenenti un sito rame), precisamente l'azurina e quattro suoi mutanti, studiando la loro interazione col solvente; un citocromo c di-heme (DHC), con l'assegnazione dei due potenziali di riduzione al rispettivo sito heme, e studiando il suo possibile ruolo fisiologico; il Voltage Dependent Anion Channel (VDAC) (in collaborazione con il gruppo del professor De Groot presso l'istituto Max Planck per la chimica biofisica a Goettingen, in Germania, dove ho trascorso sei mesi), una proteina canale di membrana coinvolta nel percorso apoptotico mitocondriale, focalizzandomi sulla sua dipendenza da diversi tipi di membrane lipidiche; infine, ho studiato e caratterizzato la neuroglobina umana, una globina esa-coordinata principalmente espressa nei tessuti neuronali, che si suppone avere un ruolo nel limitare l'apoptosi interagendo con il citocromo c.
I risultati che ho ottenuto mostrano l'importanza dell'inclusione dell'intorno di una proteina e i suoi effetti dinamici sulla funzionalità, e il potere che i mezzi computazionali possono avere nel caratterizzare diverse molecole biologiche.
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Abstract
Among the most deeply investigated issues in biological electron transfer (ET) is the complex relationship that links the structural features of the biomolecule to their dynamic interplay with its environment.
To understand a biomolecule in action, a fourth dimension, time, must be taken into account, updating the usual structure-function paradigm to include dynamics.
To this end, molecular dynamics (MD) provide a powerful tool to investigate the effects of dynamics on the funcionality of a protein.
In my PhD project, I have investigated several native and mutants proteins by means of Molecular Dynamics simulations and Perturbed Matrix Method (PMM) approach, a QM/MM-like theoretical method allowing for the calculation of electronic properties in complex systems based on a wide configurational sampling. In particular, I focused my research on: five cupredoxins (copper-containing proteins), namely native azurin and four of its mutants, studying their interaction with the solvent; a di-heme cytochrome c protein (DHC), assigning the two reduction potentials to its corresponding heme site, and studying its possible physiological role; the Voltage Dependent Anion Channel (VDAC) (in collaboration with the De Groot group at Max Planck Institute for Biophysical Chemistry in Goettingen, Germany, where I stand for six months), a membrane channel protein involved in the mitochondrial pathway of apoptosis, focusing on its dependence on different lipid membrane; and, finally, on hexacoordinate globin proteins, in partcular on human neuroglobin, a protein predominantly expressed in the nervous tissues, which is supposed to be involved in limiting the apoptosis process interacting with cytochrome c.
The results I have obtained show the importance of the inclusion of the environment and its dynamic effects on proteins functionality, and the power that computational tools can have in characterize different biological molecules.
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