Universität zu Köln

Ha Ngoc, Quoc-Vu (2008). Protein Structure and Enzyme Catalysis: Knowledge-Based Protein Loop Prediction and Ab Initio Equilibrium Constant Estimation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Prediction methods in the field of bioinformatics can be divided into ab initio and knowledge-based methods. The work in this thesis investigates the importance of anchor group positioning in knowledge-based protein loop prediction as well as the ab initio estimation of equilibrium constants using Density Functional Theory (DFT). The maximum possible prediction quality of knowledge-based loop prediction was examined for 595 insertions and 589 deletions with respect to gap length, fragment length, amino acid type, secondary structure and relative solvent accessibility while applying all possible anchor group positions for the fitting of loops between 3 and 12 residues in length. It was possible to predict 74.3 % of insertions and 83.7 % of deletions within an RMS deviation of < 1.5 Å between template and target structure using a knowledge-based fragment databank based on structures of the Protein Databank (PDB). The analysis showed that the importance of anchor group positioning increases with gap length and that medium fragments with lengths between 5-8 residues perform better than shorter or longer fragments. In addition, better predictions were obtained when anchor groups consisted of hydrophobic residues, were located within secondary structures such as helices and beta sheets, or had low relative solvent accessibilities. A test based on targeted anchor group selection using a combination of the above criteria showed an improvement in prediction quality compared to a random selection of anchor groups. Density Functional Theory (DFT) with a b3lyp/6-311g++ (d,p) basis set was used in combination with a preceding molecular mechanics conformational search to estimate the standard transformed Gibbs free energies of reaction (dGr°') for a set of 45 enzyme-catalyzed reactions at standard biochemical conditions (pH 7 and 298.15 K). For reactions from EC group 1 and EC groups 5 and 6, the calculated dGr°' values deviated from the experimental values by an average of 2.49 kcal/mol and 5.50 kcal/mol, respectively. This data was comparable to the values calculated using group contribution method by Mavrovouniotis (Mavrovouniotis, J.Biol.Chem 1991; 266:14440-45), where the mean error was 2.76 kcal/mol for reactions from EC group 1 and 4.76 kcal/mol for reactions from EC groups 5 and 6. The mean error for the entire set of reactions was 10.30 kcal/mol. These results are very promising, considering that purely structural information was used, and the method can be improved by further optimization.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Proteinstruktur und Enzymkatalyse: Wissensbasierte Protein Loopvorhersage und Ab Initio Abschätzung von Gleichgewichtskonstanten German
Translated abstract:	Abstract Language Vorhersagemethoden auf dem Gebiet der Bioinformatik lassen sich unterscheiden zwischen ab initio und wissensbasierten Methoden. In dieser Dissertation wird sowohl der Einfluss der Ankergruppenpositionierung auf die Qualität der wissensbasierten Loopvorhersage untersucht, sowie eine ab initio Abschätzung von Gleichgewichtskonstanten mithilfe der Dichte Funktional Theorie (DFT) vorgenommen. Für die wissensbasierte Loopvorhersage von 595 Insertionen und 589 Deletionen wurde die maximal mögliche Vorhersagequalität in Abhängigkeit von Gaplänge, Fragmentgröße, Aminosäuretyp, Sekundärstruktur und relativer Lösungsmittel-zugänglichkeit ermittelt. Dabei wurden alle Ankergruppenpositionen berücksichtigt, die bei einer Modellierung von Loops zwischen 3 und 12 Aminosäureresten möglich waren. 74.3 % der Insertionen und 83.7 % der Deletionen könnten mit einer RMS Abweichung von unter 1.5 Å zwischen Leit- und Zielstruktur anhand einer PDB-Struktur basierten Fragmentdatenbank vorausgesagt werden. Die Untersuchungen ergaben, dass der Einfluss der Ankergruppenpositionierung mit Länge der Gaps zunimmt, und dass mittellange Fragmente zwischen 5 und 8 Aminosäurereste bessere Vorhersageergebnisse erzielen, als kurze oder lange Fragmente. Ausserdem wurden bessere Vorhersagen erreicht, wenn die Ankergruppen entweder aus hydrophoben Aminosäureresten bestanden, innerhalb von Sekundärstrukturen wie Helices oder Beta-Faltblätter lagen, oder eine niedrige Lösungsmittelzugänglichkeit besaßen. In einem Test wurden die Ankergruppen durch Kombination der oben genannten Kriterien gezielt ausgewählt, wodurch, im Vergleich zur zufälligen Ankergruppenwahl, eine deutliche Verbesserung der maximalen Vorhersagequalität erzielt wurde. Für 45 Enzymreaktionen unter Standardbedingungen (pH 7 und 298.15K) wurden die freien Reaktionsenthalpien (dGr°') über quantenmechanische Berechnung der freien Enthalpien der Metabolite bestimmt, und die Vorhersagequalität durch Vergleich mit den experimentell ermittelten Gleichgewichtskonstanten untersucht. Die Berechnung der freien Enthalpien der Metabolite erfolgte nach molekularmechanischer Konformations-minimierung unter Anwendung der Dichte Funktional Theorie (DFT) mit dem b3lyp/6-311g++ (d,p) Basissatz. Die berechneten freien Reaktionsenthalpien unterschieden sich im Durchschnitt von den experimentellen Werten um 2.49 kcal/mol bei Reaktionen der EC Gruppe 1, und um 5.50 kcal/mol bei Reaktionen der EC Gruppen 5 und 6. Diese Werte waren vergleichbar mit denen, die durch Anwendung der Inkrementmethode von Mavrovouniotis (Mavrovouniotis, J.Biol.Chem 1991; 266:14440-45) erzielt wurden. Dort lag der Durchschnittsfehler bei 2.76 kcal/mol für Reaktionen der EC Gruppe 1, und 4.76 kcal/mol für Reaktionen der EC Gruppen 5 und 6. Für den gesamten Satz der Reaktionen betrug der Vorhersagefehler im Durchschnitt 10.30 kcal/mol. Diese Resultate können als sehr vielversprechend gewertet werden, da ausschliesslich reine Strukturinformationen verwandt wurden, und sie können durch weitere Optimierung der Methode noch verbessert werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ha Ngoc, Quoc-Vu vuhangoc18@hotmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-23835
Date:	2008
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Biochemistry
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Proteinstruktur, Loopvorhersage, Ankergruppe, Gleichgewichtskonstante, Dichte Funktional Theorie (DFT) German protein structure, loop prediction, anchor group, equilibrium constant, Density Functional Theory (DFT) English
Date of oral exam:	24 April 2008
Referee:	Name Academic Title Schomburg, Dietmar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2383