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Elektronen Transfer in Proteinen Markus Krier Proseminar SS04 Gliederung • • • • • • Einleitung Grundlagen Marcus Theorie Beispiel an Cyt c2/ RC Complex Fazit Referenzen 29.06.04 SS2004 Markus Krier 2 Einleitung Warum betrachtet man überhaupt den Elektronen Transfer? Elektronentransfer Reaktionen spielen in lebenden Systemen eine tragende Rolle in den frühen Stufen der biologischen Prozesse, wie z.B. Photosynthese und Atmung. 29.06.04 SS2004 Markus Krier 3 Wichtige Bestandteile des Elektronen Transfers: • • • • Distanz Freie Energie -∆G° Reorganizations Energie λ Temperatur 29.06.04 SS2004 Markus Krier 4 • Die Distanz wird berechnet aus der edge-to-edge distance (R) der Zentren von Donor und Akzeptor • Diese Distanz wird durch einen β– Coefficienten modifiziert, welcher den Beitrag des dazwischen liegenden Mediums beschreibt • Die Daten für die Distanz werden aus X-Ray Kristallographie und modeling Methoden gewonnen 29.06.04 SS2004 Markus Krier 5 β-Faktoren für die einzelnen Zwischenmedien • • • • β-Sheet: 1.1Å α-Helix: 1.4Å Wasser: 1.8Å Vakuum: 2.4Å • Im Vakuum fällt die Elektronentransferrate 10 mal schneller 29.06.04 SS2004 Markus Krier 6 • Lange Distanz Interaktionen – Hauptsächlich zwischen zwei Proteinen – Für den Transfer durch Membran oder andere Substanzen oft mehrere Transferproteine • Kurze Distanz Interaktionen – In Proteinen – Wenn Wechselwirkende Proteine sich nahe kommen • Überprüft für verschiedene Mutationen • Wechselwirkungen von verschiedenen Proteinen und Bakterien 29.06.04 SS2004 Markus Krier 7 Ref. a 29.06.04 SS2004 Markus Krier 8 Freie Energie und Reorganization Energie • Betrachtung mittels eines harmonischen Oszillators • Betrachtet wird -∆G° (∆G° ist die Standard Gibbs Freie Energie) • λ erforderliche Energie um von Zustand des Reactanten zu dem Zustand des Products zu gelangen 29.06.04 SS2004 Markus Krier 9 Marcus Theorie Fermi‘s Golden Rule: kET : Elektronen Transfer Rate TDA : Eletronische Kopplung zwischen Donor und Akzeptor (andere Notation: VR) FC : Franck-Condon-Faktor ħ: Planck‘s Konstante 29.06.04 SS2004 Markus Krier 10 Marcus Theorie • FC = (4πλkT)-½ exp -[(–∆G°-λ)² / 4λkT ] Marcus klassische Formel für die Überlappung der Wellenfunktionen im harmonischen Oscillator 29.06.04 SS2004 Markus Krier 11 Zusammenhang zwischen –∆G° und λ Die Elekronentransferrate • steigt mit ansteigendem –∆G° (–∆G° < λ) • erreicht ihr Maximum, wenn –∆G° = λ • fällt, wenn –∆G° > λ (von Marcus vorhergesagt) 29.06.04 SS2004 Markus Krier 12a Ref. Elektronic Coupling • Zwei Arten die elektronische Verbindung darzustellen – Der einfachste Weg: VR² =V0² exp(- βR) – V0²: – R: – β: 29.06.04 Maximale elektronische Verbindung Distanz Zentrum des Kantenatoms des Donors zum Zentrum des Kantenatoms des Akzeptor Exponentieller Coefficient der abfallenden elektronischen Kopplung mit R SS2004 Markus Krier 13 • Die Elektronische Kopplung zwischen Donor und Akzeptor setzt sich aus den verschiedenen Pfadsegmenten zusammen: – Covalente Bindung (C), Wasserstoffbrückenbindung (H), Trough-Space (S), Sprung durch Vakuum oder über andere Moleküle (Wasser) N N N i j k vR = ∏εCi ∏εSj ∏εHk Das maximale vR wird als VR genommen 29.06.04 SS2004 Markus Krier 14 Beispiel für Electronic Coupling 29.06.04 SS2004 Balabin, I.A., Onuchic J.N., Dynamically Controlled Protein Tunneling Paths in Photosynthetic Reaction Markus Krier 15 Centers, Science, 2000 Temperatur • niedrige Temperatur (35K) liegt die ET Rate bei 10-1 • Raumtemperatur (295K) ET bei 10-9 29.06.04 Ca. Raumtemperatur Verschiedene ħω, SS2004 Markus Krier 16 Ref. a Elektronentransfer am Beispiel • C-Typ Cytochrome gehören zu den Wasserlöslichen Proteinen, die in der Photosynthese als Elektronentransporter zwischen spezifischen Membran-gebundenen ElektronDonor und -Akzeptor Proteinen dienen. • Wirksamer ET erfordert eine Spezifische Bindung des Elektronenträgers, – damit ein ET stattfinden kann – Die Bindung und Abtrennung des Trägers soll kein Limit für den ET darstellen 29.06.04 SS2004 Markus Krier 17 Photosynthetischer Elektronen Fluss Betrachtung des Elektronentransfers zwischen den beiden Proteinen Cytochrome c2 (cyt c2) und dem Reaktions Zentrum (RC) des photosynthetischen Bakteriums Rhodobacter sphaeroides in der Photosynthese Brock: 10th Fig 17.15 29.06.04 SS2004 Markus Krier 18 • RC ist ein membrangebundenes Protein in dem durch Licht-veranlassten ET • ET in RC‘s resultiert aus der Oxidation des Donors (D), einem bacteriochlorophyll Dimer und der Reduktion eines gebundenen Quinons (Q) • Cyt c2 bindet an das RC und vervollständigt so den ET-Zyklus • Dieser resultiert in dem Protonen durch die Membran gepumpt werden und das Membranpotential die ATP-Synthese antreibt 29.06.04 SS2004 Markus Krier 19 • Im neutralen Zustand (DQ) von RC existieren zwei Arten von RC‘s – RC‘s die cyt c2 binden – RC‘s die cyt c2 nicht binden •Nach Lichtanregung gibt’s zwei Phasen: •1.Ordnung, (kET ~ 106s-1), welche mit den schon gebundenen cyt c2 zusammenhängt und •2.Ordnung, langsamere Phase, begrenzt durch docking => abhängig von der Ionen Rate 29.06.04 SS2004 Markus Krier 20 Cyt c2/RC Complex • Kristallstruktur des Komplexes zeigt, dass cyt c2 mit der HämKante an Tyr L162 direkt über dem bacteriophyll Dimer dockt • Der nahe Kontakt des Häms zu RC liefert einen starken Pfad für ET Ref. c 29.06.04 SS2004 Markus Krier 21 • Die geladenen Seitenketten von cyt c2 und RC liegen in der bindenden Schnittstelle der beiden Proteine. • Um Lys C103 liegen die pos geladenen Ketten von c2 • Diesen liegt ein Cluster neg geladener Ketten in RC um Asp M184 entgegen • =>günstig für elektrostatische WW • Abstand ~ 4.5Å Ref. c 29.06.04 SS2004 Markus Krier 22 Pfad-Model für die Elektronische Kopplung • Benutzen der Gleichung: vR = ∏εCi ∏εSj ∏εHk i j k • Eine einfache Implementation wird für die Pfade benutzt: • εC = 0.6 • εH = (0.6)² exp [-1.7(R-2.8)] • εS = 0.6 exp [-1.7(R-1.4)] • ε hat keine Einheit, R ist in Å • Diese Beziehungen waren in mehreren Vorhersagen der elektronischen Kopplung, wie azurin und cyt c erfolgreich 29.06.04 SS2004 Markus Krier 23 Simulations Methoden • Für die Molekular Dynamische Simulationen wird die Kristallstruktur des Komplexes verwendet • Auffüllen von Wassermolekülen (1730) in einer Kugel mit Radius 30Å um das Eisen im Häm (kein Gegenion hinzugefügt), um Lösung zu simulieren • Entfernen der H-Einheit wegen zu großer Entfernung zu der Redox-Stelle • => 17022 Atome sind in der Simulation eingeschlossen 29.06.04 SS2004 Markus Krier 24 • Übernehmen der Teilladungen (z.B. Ladung des oxidierten Häms) aus anderen Studien • Ionisierbare Seitenketten werden charakterisiert bei pH7 • Die nicht-ligand Histidine werden als Neutral angesehen Ref. d 29.06.04 SS2004 Markus Krier 25 Resultate • Variationen zwischen den Elektronischen Bindungen VR • Simulation über 1-ns Bewegungsablauf, 1000 Strukturen in 1-ps Intervallen • Bestimmung des besten Pfades, Plotten dessen Zerfalls • Pfade mit Wassermolekülen mit Kreis dargestellt • größere Distanz bei Pfaden mit Wassermolekülen (b) Ref. d 29.06.04 SS2004 Markus Krier 26 Resultate • Variation der Größe des Abklingens über 1000 Strukturen • Durchschnitt 2.1x10-5 Kleinste 4.07x10-6 • Für die Kristallstruktur 5.7x10-5 • Schwarz: Pfade die Wassermoleküle enthalten kleinste = 4.62x 10-6 Ref. d 29.06.04 SS2004 Markus Krier 27 Resultate a) • Die meisten dominanten Pfade gehen durch TyrL162 • 900 von 1000 dominanten Pfaden enthalten den Srung zwischen Häm/CBC und 1 Atom in TyrL162 • Distanz zwischen TyrL162/CD1 b) und Häm/CBC ist 3.58Å • Der Durchschnittszerfall ist 3x kleiner als in Kristallstruktur => Kristallstruktur besser gepackt als die Strukturen in der Simulation Ref. d Ref. d 29.06.04 SS2004 Markus Krier 28 Resultate • Wassermoleküle sind in 5% der Beispielstrukturen in den dominanten Pfaden • Typischer Pfad, gezeigt in b) hat Abklingen von 2.9 x 10-5 : Häm/CBC -> O eines Wassermoleküls -> AsnM187/ND2 … die WW zwischen Asn und Wassermolekül ist eine Wasserstoffbrückenbindung • Beste Pfad der nicht durch das Wasser läuft hat ein Abklingen von 1.12x10-5 29.06.04 SS2004 Markus Krier 29 Fazit • Elektronentransfer ist ein wichtiger Bestandteil in Atmung und Photosynthese • Elektronentransfer hängt ab von –∆G° und der Reorganizations Energie • Mit größerer Distanz nimmt ET-Rate ab • Unabhängig von Mutationen • Elektronische Bindung (VR) hängt von der Anzahl der jeweiligen Bindungen ab 29.06.04 SS2004 Markus Krier 30 Referenzen a. Moser, C., Keske, J.M., Warncke, K., Farid, R.S., and Dutton, P.L., (1992) Nature, 355, 796802. Nature of Biological Electron Transfer. b. Farid, R.S., Moser, C.C., and Dutton, P.L., (1993),Curr. Opin. Struct. Biol., 3, 225-233. Electron Transfer in Proteins. c. Miyashita et al. (2003) Biochemistry, Continuum electrostattic Model for the Binding of Cytochrome c2 to the Photosynthetic Reaction Center from Rhodobacter sphaeroides 29.06.04 SS2004 Markus Krier 31 Referenzen d. Miashita et al. (2002) J.Phys.Chem. B, Vol.107,No.5, 2003, 1230-1240. Theoretical Understanding of the Intewrprotein Electron Transfer between Cytochrome c2 and the Photosynthetic Reaction Center 29.06.04 SS2004 Markus Krier 32
