In this thesis the dynamics and the functions of two different classes of globular proteins, the major histocompatibility complex (MHC) proteins and the thioredoxin-like proteins, were investigated by molecular dynamics (MD) simulations. MHC proteins are molecules located on the surface of the cells where they bind and present antigen peptides to T-cell receptors (TCR). The recognition of a pathogen agent-derived peptide by a T-cell receptor induces an immune response against the antigen presenting cell that ultimately leads to killing of the infected cell. Here, the molecular mechanisms behind the immune recognition process were addressed by a comparative study of two structurally similar but differentially disease-associated MHC class I molecules, the ankylosing spondylitis (AS) associated HLA-B2705 and the non-AS associated HLA-B2709, in complex with various viral- and self-derived peptides. The strength of peptide-binding to these MHC molecules, that was shown for other complexes to be related to the immunogenicity of the antigen, was found to be modulated by a peptide- and subtype-dependent protonation pattern of MHC key residues within the peptide-binding groove. This result was corroborated by fluorescence depolarization experiments. MD simulations of MHC-peptide complexes (pMHC) revealed an increased mobility of the MHC α1-helix that is involved in the T-cell receptor recognition for the disease-associated HLA-B2705 subtype when compared to HLA-B2709. Based on these results, a decisive role of conformational flexibility of MHC class I molecules in the context of recognition by TCR is suggested. The increased flexibility of HLA-B*2705 may further counteract a proper selection of self-reactive T-cells during T-cell maturation. The in silico studies of pMHC complexes additionally allowed to identify Arg62 of HLA-B27 as a key residue for TCR binding to the antigen. Functional experiments of the MHC wildtype and of Arg62 mutants supported this finding. Subtype-dependent differences in the peptide recognition further suggested distinct TCR binding modes for the two investigated HLA-B27 subtypes. The second class of proteins investigated in this thesis, the thioredoxin-like proteins, are enzymes catalyzing the formation, reduction, and isomerization of disulfide bonds in substrate proteins. The molecular basis of their catalytic function was investigated in this work choosing the DsbL protein as a model system. DsbL is the most oxidizing thioredoxin-like protein known to date. Combining MD simulations and Poisson-Boltzmann-based pKa calculations, clear evidence for a proton shuffling between a cysteine and a lysine in the active site of the DsbL protein is reported. This proton shuffling is proposed to be essential for the catalytic mechanism of this enzyme and the correspondingly proposed mechanism is probably conferrable to other members of the thioredoxin family. The results further suggest a functional role of hydration entropy of thioredoxin active site groups. The developed methodology enables the study of proton transfer reactions in proteins on the nanosecond and nanometer scale by combining classical mechanics- and electrostatics-based methods.

In dieser Arbeit wurde die Dynamik und die Funktion zweier unterschiedlicher Klassen von Proteinen, den Haupthistokompatibilitätskomplexen (MHC) sowie von thioredoxin-ähnlichen Proteinen, in Moleküldynamik(MD)-Simulationen untersucht. MHC Proteine sind auf der Oberfläche von Zellen lokalisiert, wo sie gebundene Antigenpeptide den T-Zell Rezeptoren (TCR) präsentieren. Die Erkennung eines Antigens durch einen T-Zell Rezeptor induziert eine Immunantwort gegen die antigenpräsentierende Zelle, die schließlich zur Tötung der Zelle führt. Hier wurden in einer vergleichenden Studie von zwei differentiell mit der Autoimmunerkrankung Spondylitis ankylosans assoziierten peptidbeladenen MHC Klasse I Molekülen die molekularen Mechanismen der Immunerkennung adressiert. Als Untersuchungsobjekt dienten der krankheitsassoziierte HLA-B2705 Subtyp sowie der nicht-assoziierte HLA-B2709 Subtyp im Komplex sowohl mit einem viralen Peptid als auch mit unterschiedlichen Selbstpeptiden. Frühere Studien zeigten, daß die Affinität der Peptidbindung an MHC Moleküle mit der immunogenen Aktivität des Antigens korreliert. Für HLA-B2705 sowie HLA-B2709 wurde eine Modulation der Bindungsaffinität aufgrund einer peptid- und subtypabhängigen Protonierung von Schlüsselresiduen innerhalb der Peptidbindungsstelle der MHC Moleküle gefunden. Die vorhergesagten unterschiedlichen Bindungsaffinitäten konnten durch Fluoreszenzdepolarisationsexperimente untermauert werden. MD Simulationen der MHC-Peptid (pMHC) Komplexe zeigten eine erhöhte Mobilität der der α1-Helix für HLA-B2705 im Vergleich zu HLA-B2709. Dieser Helix kommt eine tragende Rolle in der Erkennung durch T-Zell Rezeptoren zu. Basierend auf den Ergebnissen für die MHC Dynamik wird vorgeschlagen, daß die konformationelle Flexibilität der MHC Klasse I Moleküle entscheidend für die Erkennung durch TCR ist. Die erhöhte Flexibilität von HLA-B*2705 könnte zudem der Selektion von selbst-reaktiven T-Zellen während der T-Zell-Reifung entgegenwirken. Die in silico Untersuchung von pMHC Komplexen erlaubte ferner die Identifikation von Arg62 als wichtiger Residue für die T-Zell-Bindung zum Antigen. Funktionelle Studien des MHC Wildtyps sowie von Arg62-Mutanten unterstützten dieses Ergebnis. Gemessene subtypabhängige Unterschiede in der Peptiderkennung führten zudem zu der Vorhersage unterschiedlicher Bindungsmoden des TCR an die untersuchten HLA-B27 Subtypen. Als zweite Klasse von Proteinen wurden thioredoxinähnliche Proteine untersucht. Diese Enzyme katalysieren die Bildung, Reduktion und die Isomerisierung von Disulfidbrücken in Substratproteinen. In dieser Arbeit wurde die molekulare Basis ihrer katalytischen Funktion am Beispiel des DsbL Proteins analysiert. DsbL hat die größte Oxidationskraft unter den zur Zeit bekannten thioredoxinähnlichen Proteinen. Die Kombination von MD Simulationen mit Poisson-Boltzmann basierten pKa Berechnungen ergab klare Indizien für einen Protonenaustausch zwischen einem Cystein und einem Lysin im Aktiven Zentrum des DsbL. Dieser Protonenaustausch wird als essentiell für den katalytischen Mechanismus dieses Enzyms vorgeschlagen und ist vermutlich übertragbar auf andere Mitglieder der Thioredoxinfamilie. Die Ergebnisse legen ferner eine funktionelle Bedeutung der Hydratationsentropie für das Aktive Zentrum nahe. Die in diesem Projekt entwickelte Methodik mit einer Kombination von Methoden der klassischen Mechanik und Elektrostatik erlaubt die computergestützte Untersuchung von Protonentransferprozessen auf der Nanosekunden- und Nanometerskala.