German Title: Stochastische Dynamik von Proteinassemblierungen

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Abstract

Proteine sind an allen zellulären Prozessen beteiligt und agieren dabei in der Regel in Wechselwirkung mit anderen Proteinen. In dieser Arbeit wird ein Modell für die stochastische Dynamik von Proteinkomplexen untersucht, das sich für große Systeme und lange Zeiten eignet. Jedes Protein wird als Teilchen aufgefasst, welches an seiner Oberfläche reaktive Bereiche aufweist. Ein Überlapp solcher Bereiche von zwei Modellproteinen führt zur stochastischen Ausbildung einer Bindung, die dynamisch wieder aufbrechen kann. Die Anordnung und Kinetik der Bindungsstellen kann an konkrete biologische Systeme angepasst werden. Die Dynamik des Modellsystems wird mit einer Langevin-Gleichung im überdämpften Grenzfall beschrieben. Zunächst werden drei verschiedene Detailstufen der Modellierung der bimolekularen Bindungsdynamik betrachtet. Die Zeit zum Erreichen einer reaktiven Relativposition zwischen zwei Proteinen und die Anzahl erfolgloser Annäherungen werden mit Computersimulationen und analytischen Rechnungen bestimmt. Der Effekt anisotroper Formen auf die Assemblierungsdynamik wird anhand von Ellipsoiden mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen untersucht. Die relevante Zeitskale für anisotrope Diffusion wird analytisch bestimmt. Simulationen ergeben, dass die Annäherungsdauer im wesentlichen durch die unterschiedlichen Zugänglichkeit der reaktiven Bereiche bestimmt wird. Schließlich wird die Dynamik von Komplexen mit mehr als zwei Proteinen betrachtet. Es zeigt sich, dass die Transportprozesse zwischen Bindungsvorgängen nicht durch einfache stochastische Raten beschrieben werden können. Für die Virusassemblierung wird gezeigt, dass sie nur bei mittleren Dissoziationsraten erfolgreich verläuft.

Translation of abstract (English)

Proteins are involved in all cellular processes and typically act in concert with other proteins. Here we investigate a model for the stochastic dynamics of protein complexes which is especially suited to study large systems and long times. Each protein is modeled as a particle with reactive patches on its surface. An overlap of such patches of two model proteins leads to the stochastic formation of a bond, which also can dynamically dissociate. The positioning and kinetics of the patches can be adjusted to specific biological systems. The model dynamics is described by a Langevin equation in the overdamped limit. We start by considering three different levels of detail for bimolecular encounter. The time to reach a reactive alignment of two model proteins and the number of unsuccessful approaches are determined by computer simulations and analytical calculations. The impact of anisotropic shapes on the assembly dynamics is investigated for ellipsoids with different aspect ratios. The relevant time scale for anisotropic diffusion is determined analytically. Simulations reveal that the time to encounter is mainly determined by the accessibility of the reactive patches. Finally the dynamics of complexes with more than two proteins is considered. We show that the transport processes between binding reactions cannot be described by effective stochastic rates. Our simulations also reveal that virus assembly is only effective at intermediate values of the dissociation rates.