Elucidation of conformational transitions between open/closed or free/bound states of proteins sheds light on the mechanism of their action. In this thesis, a new technique (ANM-MC) is proposed, in which collective modes obtained from anisotropic network model (ANM) are used in conjunction with a Monte Carlo (MC) simulation approach to investigate conformational transition pathways and pathway intermediates of proteins. ANM-MC is applied to several test case proteins such as Adenylate Kinase (AK), hemoglobin, Human Serum Transferrin (HSTR), and Lysine/Arginine/Ornithine (LAO) binding protein. Target conformations are reached by root mean-square deviation (RMSD) of 2.27, 1.90, 1.81, and 1.40 Å for AK, hemoglobin, HSTR, and LAO-binding protein cases respectively. Intermediate snapshots seem as plausible pathway intermediates when compared with related x-ray structures. Targeted Monte Carlo (TMC) approach, which is a forcing algorithm towards the target, is utilized without the use of collective modes. Both ANM-MC and TMC can explore the sequence of events with an efficient yet realistic conformational search. ANM-MC is further improved to be applicable to proteins with unknown target conformations. In this technique, called RG-ANM-MC, starting from the open conformation, transitional path is generated by selecting lowest energy conformations obtained by normal modes with decreasing radius of gyration (RG). Application of the method on AK, HSTR, and LAO-binding proteins reveal 3.18, 3.45, and 2.61 Å RMSD approach values to corresponding target states, respectively. RG-ANM-MC proves to be an efficient tool for proposing plausible closed states of proteins exhibiting hinge-like high amplitude collective motions. Conformational changes arising due to ligand binding are found to be intrinsic properties of binding protein, i.e. unliganded proteins possess a pre-existing fluctuation mechanism even in the absence of ligands. In both approaches (ANM-MC and RG-ANM-MC), lowest frequency modes are effective during transitions.

Proteinlerde açık/kapalı veya serbest/bağlı yapı arası geçişlerin incelenmesi, fonksiyonel mekanizmaların aydınlanması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu tezde, Anisotropik ağ modeli yardımıyla elde edilen kolektif modların Monte Carlo (MC) simülasyon tekniği ile birlikte kullanılmasıyla ANM-MC olarak adlandırılan bir yöntem geliştirilmiş ve bu yöntem konformasyonel geçiş yolizlerinin ve ara yapıların elde edilmesinde ve incelenmesinde kullanılmıştır. ANM-MC, Adenylate Kinase (AK), hemoglobin, human serum transferrin (HSTR) ve Lysine/Arginine/Ornithine (LAO) binding protein üzerinde uygulanmış ve bu proteinlerin kapalı (hedef) yapılarına sırasıyla 2.27, 1.90, 1.81, ve 1.40 Å kök ortalama kare sapması (RMSD) kadar yaklaşım sağlanabilmiştir. Simülasyon sonucu elde edilen ara yapılar, incelenen proteinlerle ilintili protein bilgi bankasından elde edilen kristal yapılarla karşılaştırılmış ve uygun ara yapı adayları oldukları gösterilmiştir. Kolektif hareketler kullanılmadan yapılan Hedeflendirilmiş Monte Carlo (TMC) tekniği de hedefe yaklaşabilmiş ve fiziksel olayların sıralarını göstermekte verimli bir yöntem teşkil etmiştir. Hedef yapıları bilinmeyen proteinlere de uygulanabilmesi adına geliştirilen RG-ANM-MC yöntemi ise düşük enerjili konformasyonlar ve proteinin kapanabilmesi için azalan jirasyon yarıçapı temel alınarak oluşturulmuştur. Bu yöntem ile, kapalı yapı ile ilgili hiçbir bilgi kullanılmadan AK, HSTR ve LAO-binding protein için hedef yapılara 3.18, 3.45 ve 2.61 Å RMSD kadar yaklaşım sağlanabilmiştir. RG-ANM-MC proteinlere, uygun kapalı yapılar önerebilecek bir yöntem teşkil etmektedir. Simülasyon sonuçları gösteriyor ki, bağlanma ile meydana gelen yapısal değişiklikler aslında proteinde var olan içsel bir özelliktir. Bir başka deyişle, bağlanan yapı yokluğunda da, protein serbest yapısıyla bu gibi konformasyonel geçişlere imkan verecek bir titreşimsel mekanizmaya sahiptir. Her iki yöntemde de (ANM-MC ve RG-ANM-MC) düşük titreşimli modlar ilgili geçişi elde etmekte etkili olmuştur.