Solvent Induced Interactions in Biopolymers: Origin of Secondary Motifs

This thesis reviews some developments of the tube-like polymer model which have been object of my research work during these years. In order to provide a simplified model capable to capture the common properties of the protein molecules the tube-like homopolymer model was proposed. The concept of the thickness of a biopolymer has revealed itself to be the correct ingredient in order to capture the intrinsic anisotropy of the protein chain enhanced by the steric hindrance of backbone atoms. Despite its simplicity, the model has demonstrated a remarkable ability to reproduce the regular secondary motifs, helices and sheets, forming the structural building blocks of proteins. The object of my research work has been the interaction between the protein molecule and the aqueous solvent. The tendency of solvent molecules to maximise their translational entropy gives rise to the so called depletion forces: this physical process has been recently individuated as having a central role in protein folding. An elegant explanation of the phenomenon, in the case of colloidal solutions, was given by the fundamental contribution by Asakura and Oosawa that still represents the paradigm for the theoretical investigations on this topic. In order to explore the effects of this process in the protein molecule immersed in solution, we have adapted the Asakura-Oosawa paradigm to the case of a tube-like polymer. Both the preliminary theoretical analysis and the numerical simulations, are extensively described in the central part of the thesis. This treatment is preceded by an introduction to globular proteins and to the protein folding problem and also by a review of the tube-like polymer model.

In questa tesi è esposto uno sviluppo del modello di polimero con spessore che è stato oggetto della mia attività di ricerca in questi ultimi anni. Al fine di investigare le proprietà generali della molecola proteica attraverso un modello semplificato, è stato proposto il modello dell'omopolimero con spessore. Lo spessore si è rivelato essere l'ingrediente appropriato al fine di descrivere l'anisotropia intrinseca della catena proteica dovuta all'ingombro sterico degli atomi del backbone. Nonostante la sua semplicità, il modello ha dimostrato una notevole abilità nel rieprodurre le conformazioni regolari delle strutture secondarie, le eliche e i foglietti, che rapresentano i costituenti strutturali delle proteine. Oggetto della mia attività di ricerca è stata l'interazione tra proteine e solvente. La tendenza delle molecole del solvente a massimizzare la loro entropia translazionale determina un effetto noto come forza di deplezione: in lavori recenti è stato osservato che questo fenomeno fisico potrebbe avere un ruolo centrale nel processo di ripiegamento della proteina. Una spiegazione elegante a questo fenomeno, nel caso delle soluzioni colloidali, viene fornita dal modello di Asakura ed Oosawa, il quale rappresenta il punto di riferimento per gli studi teorici in questo campo. Al fine di indagare gli effetti di questo processo in una molecola proteica immersa in soluzione, abbiamo adattato il modello di Asakura ed Oosawa al caso dell'omopolimero con spessore. Sia le indagini teoriche preliminari che le simulazioni numeriche sono descritte esaustivamente nella parte centrale di questa tesi. Tale trattazione è preceduta da un'introduzione alle proteine globulari e al problema del ripiegamento di proteine, e inoltre da una esposizione degli studi svolti sul modello dell'omopolimero con spessore.