• dinamica molecolare rodopsina

In questa tesi viene presentato un modello multi-scala per le rodopsine. La funzione di queste proteine è di tradurre stimoli luminosi (nel visibile) in segnali chimici per comunicazione trans cellulare. Specificamente sono state considerate due ropsine, prototipiche di due sottoclassi funzionali: la rodopsina batterica e la rodopsina dei mammiferi. La prima è una pompa di protoni localizzata nella membrana purpurea del batterio Halobacterium salinarum; la seconda si trova nelle cellule fotorecettrici della retina dei mammiferi ed ha lo scopo di generare il segnale che avvia il processo della visione. Il loro funzionamento è molto simile: entrambe contengono al loro interno un retinale che, con l'assorbimento di un fotone, cambia conformazione; questa transizione dà il via ad una serie di cambiamenti strutturali delle proteine che portano al rilascio del segnale. Il “fotociclo” si conclude con il ritorno delle proteine nello stato iniziale, ed ogni suo stato è identificabile da un diverso assorbimento ottica della proteina. Le due rodopsine hanno anche una struttura terziaria molto simile, ma le strutture dei vari stati della batterica sono note sperimentalmente con maggiore accuratezza, mentre per la rodopsina dei mammiferi i dati strutturali sono più frammentari e meno accurati. Si è dunque scelta la rodopsina batterica come prototipo per il modello che è poi stato trasferito all’altra.
Il modello sviluppato rappresenta la proteina a due diversi livelli di risoluzione: per il retinale e le molecole di acqua interne alla proteina si è usata una rappresentazione quasi atomistica, in cui i gradi di libertà espliciti sono le coordinate degli atomi “pesanti” (C, N e O) mentre gli idrogeni ad essi legati sono trattati implicitamente; per tutto il resto della proteina si è usato un modello “minimalista” in cui un amminoacido è rappresentato da un singolo atomo, il carbonio alfa, (Cα). In questo modo la parte peptidica della proteina è rappresentata da una catena lineare di centri interattivi. Questa rappresentazione mista con parte peptidica a bassa risoluzione e sito attivo (retinale + acqua) ad alta risoluzione consente di rappresentare con buona accuratezza le fasi iniziali veloci del fotociclo che coinvolgono la transizione strutturale del retinale, e contemporaneamente mantiene un basso costo computazionale, che consente la rappresentazione dell’intero fotociclo su scale di tempi macroscopici.
La parametrizzazione delle interazioni nel modello (il campo di forze) è la parte principale di questo lavoro di tesi. Il campo di forze del retinale ha costituito un problema minore, in quanto i campi per le interazioni atomistiche o quasi atomistiche sono stati sviluppati e ottimizzati nel corso degli ultimi quattro-cinque decenni, e quindi esistono molti dati di letteratura per i parametri. Invece i modelli a bassa risoluzione sono relativamente nuovi nel panorama della modellistica biomolecolare, e non standardizzati. Si è quindi proceduto a ottimizzare i parametri di ciascun termine del campo di forze, fittandoli in modo da riprodurre set di dati strutturali sperimentali e dinamici da simulazioni atomistiche. Si sono ottenuti così diversi set di parametri, ciascuno ottimizzato per un diverso stato del fotociclo.
Infine si è proceduto a combinare i diversi campi di forze tra loro, in modo da poter rappresentare (in simulazioni di dinamica molecolare classica) le transizioni tra uno stato e l’altro. In questa fase sono stati inclusi dati sperimentali sulla stabilità relativa dei diversi stati. Si è così ottenuto un campo multi-stabile, in grado di rappresentare nella simulazione l’intero fotociclo. Poiché il campo include al livello empirico dati di varia natura di varia origine, è in grado di riprodurre accuratamente aspetti sia strutturali che cinetici che energetici, oltre a consentire la simulazione del fotociclo completo su scala macroscopica. Entrambe le cose non sono possibili in modelli atomistici (accurati strutturalmente ma non in grado di riprodurre transizioni, energie relative e cinetica su larga scala temporale), o interamente a bassa risoluzione (non in grado di riprodurre accuratamente le fasi veloci del fotociclo).