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Accès ouvert déclaré 2025 preprint

Understanding Protein Motion Through Normal Mode Analysis

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Normal Mode Analysis (NMA) provides a rigorous mathematical framework for characterizing protein dynamics by decomposing molecular motion into independent harmonic oscillations. This paper develops NMA theory from first principles, beginning with Taylor expansion of the potential energy surface and culminating in an eigenvalue problem where eigenvectors represent collective motion patterns and eigenvalues quantify their stiffness. We demonstrate how the Hessian matrix (containing all second derivatives of potential energy) encodes the mechanical coupling between atoms and determines protein flexibility. The mathematical formalism is applied to protein 2LV8 using coarse-grained Carbon-alpha representations, revealing functionally relevant hinges and domain motions through low-frequency modes. Computational tools including NGL Viewer and iMODS enable visualization of displacement patterns, showing how regions separated in space can move coherently. Our analysis confirms that eigenvalues inversely correlate with biological flexibility, with the smallest eigenvalues identifying conformational changes most accessible for protein function. This work bridges linear algebra, classical mechanics, and molecular biology, demonstrating how mathematical techniques extract physical insights from complex biomolecular systems

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