1. Einleitung
Hochdruck ist eine sehr interessante 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. Um nun Aussagen auf molekularer Basis der Inhaltsstoffe, z.B. Proteine, treffen zu können verwendet man Molekülsimulationen.
In den letzten Jahren wurde viel auf dem Gebiet der Numerischen Simulation von Biomolekülen in verschiedenen Lösungsmitteln geforscht. Das liegt zum einen an der Entwicklung neuer Berechnungsalgorithmen und Modellen, zum anderen an der rapiden Zunahme an Rechenkapazität.
Eine der ersten molekulardynamischen Simulationen unter Hochdruck führten Kitchen et al. [1] 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 hatten 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. Dabei liegen vielfältige Möglichkeiten der Beobachtung von Mittelwerten und Fluktuationen struktureller und energetischer Größen vor: Es können die Abstände einzelner Atome, deren Geschwindigkeiten, die mittlere Temperatur und der mittlere Druck, die potentielle Energien, uvm. berechnet werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Hochdruckbehandlung auf hydratisiertes -Lactoglobulin mit Hilfe des CHARMM Kraftfeldes untersucht. Dabei interessierten primär die Konformationsänderungen des Proteins, z.B. die Exponierung des freien, im Inneren des Proteins verborgenen Cystein121 und das Eindringen von Wassermolekülen in den hydrophoben Kern des Moleküls.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- β-Lactoglobulin
- Thermisch induzierte Veränderungen des β-Lactoglobulins
- Druckinduzierte Veränderungen des β-Lactoglobulins
- Modifikationen durch den pH-Wert
- Experimentelle Untersuchungen
- Angewandte Untersuchungsmethode: Molecular Modelling
- Ensembles und Ergodizität
- Nichtbindende Kräfte
- Kovalente Verknüpfungen
- Berechnungsalgorithmen
- MD-Simulationen
- CHARMM
- Vorbereitung und Starten der Simulation
- Ergebnisse
- Volumen- und Oberflächenänderungen des Proteins
- Eindringen von Wassermolekülen in das Protein und Exponierung des Cysteins
- Radiale Wasserverteilung - Hydrathülle des Proteins
- Gyrationsradius
- Konformationsänderungen
- Kompressibilität einzelner Strukturelemente
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Arbeit untersucht den Einfluss von Hochdruck auf hydratisiertes β-Lactoglobulin mittels Molekulardynamiksimulationen (MD-Simulationen) unter Verwendung des CHARMM-Kraftfeldes. Ziel ist es, die Konformationsänderungen des Proteins unter Hochdruck zu analysieren, insbesondere die Exponierung des Cysteins 121 und das Eindringen von Wassermolekülen in den hydrophoben Kern.
- Konformationsänderungen von β-Lactoglobulin unter Hochdruck
- Einfluss von Hochdruck auf die Hydrathülle des Proteins
- Exponierung von Cystein 121 unter Hochdruckbedingungen
- Anwendung von MD-Simulationen zur Untersuchung von Proteinverhalten
- Vergleich der Ergebnisse mit bereits existierenden Erkenntnissen
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung führt in die Thematik der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln ein und hebt die Vorteile gegenüber herkömmlichen thermischen Verfahren hervor. Sie beschreibt die Anwendung von Molekülsimulationen zur Untersuchung der Auswirkungen auf molekularer Ebene und skizziert den Stand der Forschung, insbesondere frühere Studien zu BPTI unter Hochdruck. Die Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung von β-Lactoglobulin unter Hochdruck und die Analyse resultierender Konformationsänderungen, wie der Exponierung von Cystein 121 und dem Eindringen von Wassermolekülen.
2. β-Lactoglobulin: Dieses Kapitel beschreibt detailliert das Protein β-Lactoglobulin (BLG), seine Eigenschaften, Vorkommen in Milch und die verschiedenen genetischen Varianten (A, B, C, D etc.). Es erläutert die Oligomerisierung des BLG bei verschiedenen pH-Werten und die irreversible Denaturierung bei pH-Werten über 8,6. Die Unterschiede zwischen den Varianten A und B, insbesondere an den Aminosäurestellen 64 und 118, werden hervorgehoben und ihre Auswirkungen auf die Eigenschaften des Proteins diskutiert. Die Bedeutung dieser detaillierten Charakterisierung von BLG für die spätere Hochdruckanalyse wird betont.
Schlüsselwörter
β-Lactoglobulin, Hochdruck, MD-Simulation, CHARMM-Kraftfeld, Konformationsänderung, Hydrathülle, Cystein 121, Molekulardynamik, Proteinstruktur, Lebensmitteltechnologie
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zu: Hochdruckbehandlung von hydratisiertem β-Lactoglobulin
Was ist der Gegenstand dieser Arbeit?
Die Arbeit untersucht den Einfluss von Hochdruck auf hydratisiertes β-Lactoglobulin mittels Molekulardynamiksimulationen (MD-Simulationen). Der Fokus liegt auf der Analyse von Konformationsänderungen des Proteins unter Hochdruck, insbesondere der Exponierung von Cystein 121 und dem Eindringen von Wassermolekülen in den hydrophoben Kern.
Welche Methoden wurden verwendet?
Die Studie verwendet Molekulardynamiksimulationen (MD-Simulationen) mit dem CHARMM-Kraftfeld. Es werden verschiedene Aspekte der Simulation detailliert beschrieben, darunter die angewandte Methode des Molecular Modelling, Ensembles und Ergodizität, nichtbindende Kräfte, kovalente Verknüpfungen, Berechnungsalgorithmen, und die Vorbereitung und das Starten der Simulation.
Welches Protein steht im Mittelpunkt der Untersuchung?
Das Hauptaugenmerk liegt auf β-Lactoglobulin (BLG), einem Protein in Milch. Die Arbeit beschreibt detailliert die Eigenschaften von BLG, seine verschiedenen genetischen Varianten (A, B, C, D etc.), seine Oligomerisierung bei verschiedenen pH-Werten und seine irreversible Denaturierung bei pH-Werten über 8,6. Die Unterschiede zwischen den Varianten A und B werden hervorgehoben.
Welche Ergebnisse wurden erzielt?
Die Ergebnisse umfassen die Analyse von Volumen- und Oberflächenänderungen des Proteins, das Eindringen von Wassermolekülen, die radiale Wasserverteilung, den Gyrationsradius, Konformationsänderungen und die Kompressibilität einzelner Strukturelemente. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Exponierung von Cystein 121 unter Hochdruckbedingungen und dem Einfluss des Hochdrucks auf die Hydrathülle des Proteins.
Welche Zielsetzung verfolgt die Arbeit?
Die Arbeit zielt darauf ab, die Konformationsänderungen von β-Lactoglobulin unter Hochdruck zu analysieren und den Einfluss von Hochdruck auf die Hydrathülle des Proteins zu untersuchen. Ein weiteres Ziel ist die Analyse der Exponierung von Cystein 121 unter Hochdruckbedingungen. Die Ergebnisse werden mit bereits existierenden Erkenntnissen verglichen.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Die wichtigsten Schlüsselwörter sind: β-Lactoglobulin, Hochdruck, MD-Simulation, CHARMM-Kraftfeld, Konformationsänderung, Hydrathülle, Cystein 121, Molekulardynamik, Proteinstruktur, Lebensmitteltechnologie.
Wie ist die Arbeit strukturiert?
Die Arbeit gliedert sich in eine Einleitung, ein Kapitel über β-Lactoglobulin, ein Kapitel über die experimentellen Untersuchungen (MD-Simulationen), ein Kapitel mit den Ergebnissen und eine Zusammenfassung. Die Einleitung führt in die Thematik der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln ein und skizziert den Stand der Forschung. Das Kapitel über β-Lactoglobulin beschreibt detailliert das Protein selbst.
- Arbeit zitieren
- Alexander Kutter (Autor:in), 2006, Molekulardynamische Simulation von beta-Lactoglobulin unter Hochdruck, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/75564
