Elektronen Transfer in Proteinen Markus Krier Proseminar SS04

Elektronen Transfer in Proteinen

Markus KrierProseminar SS04

29.06.04 SS2004 Markus Krier 2

Gliederung

• Einleitung

• Grundlagen

• Marcus Theorie

• Beispiel an Cyt c2/ RC Complex

• Fazit

• Referenzen


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.


Wichtige Bestandteile des Elektronen Transfers:

• Distanz

• Freie Energie -∆G°

• Reorganizations Energie λ

• Temperatur


• 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


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


• 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


Ref. a


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


Marcus Theorie

kET : Elektronen Transfer Rate

TDA : Eletronische Kopplung zwischen Donor und Akzeptor (andere Notation: VR)

FC : Franck-Condon-Faktorħ : Planck‘s Konstante

Fermi‘s Golden Rule:


Marcus Theorie

• FC = (4πλkT)-½ exp -[(–∆G°-λ)² / 4λkT ]

Marcus klassische Formel für die Überlappung der Wellenfunktionen im harmonischen Oscillator


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)

Ref. a


Elektronic Coupling• Zwei Arten die elektronische Verbindung darzustellen

– Der einfachste Weg:

VR² =V0² exp(- βR)

– V0²: Maximale elektronische Verbindung– R: Distanz Zentrum des Kantenatoms des

Donors zum Zentrum des Kantenatoms des Akzeptor

– β: Exponentieller Coefficient der abfallenden elektronischen Kopplung mit R


• 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

vR = ∏εCi ∏εS

j ∏εHk

i j k

Das maximale vR wird als VR genommen


Beispiel für Electronic Coupling

Balabin, I.A., Onuchic J.N., Dynamically Controlled Protein Tunneling Paths in Photosynthetic Reaction Centers, Science, 2000


Temperatur• niedrige Temperatur

(35K) liegt die ET Rate bei 10-1

• Raumtemperatur (295K) ET bei 10-9

Ca. Raumtemperatur

Verschiedene ħω,

Ref. a


Elektronentransfer am Beispiel

• C-Typ Cytochrome gehören zu den Wasserlöslichen Proteinen, die in der Photosynthese als Elektronentransporter zwischen spezifischen Membran-gebundenen Elektron- Donor 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


Photosynthetischer Elektronen Fluss

Brock: 10th Fig 17.15

Betrachtung des Elektronentransfers zwischen den beiden Proteinen Cytochrome c2 (cyt c2) und dem Reaktions Zentrum (RC) des photosynthetischen Bakteriums Rhodobacter sphaeroides in der Photosynthese


• 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


• 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


Cyt c2/RC Complex

• Kristallstruktur des Komplexes zeigt, dass cyt c2 mit der Häm-Kante an Tyr L162 direkt über dem bacteriophyll Dimer dockt

• Der nahe Kontakt des Häms zu RC liefert einen starken Pfad für ET

Ref. c


• 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


Pfad-Model für die Elektronische Kopplung

• Benutzen der Gleichung:

vR = ∏εCi ∏εS

j ∏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


• 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

Simulations Methoden


• 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


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


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


Resultate• 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 und Häm/CBC ist 3.58Å

• Der Durchschnittszerfall ist 3x kleiner als in Kristallstruktur =>

Kristallstruktur besser gepackt als die Strukturen in der Simulation

b)

a)

Ref. d

Ref. d


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 Wasserstoffbrücken-bindung

• Beste Pfad der nicht durch das Wasser läuft hat ein Abklingen von 1.12x10-5


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


Referenzen

a. Moser, C., Keske, J.M., Warncke, K., Farid, R.S., and Dutton, P.L., (1992) Nature, 355, 796-802. 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

http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v355/n6363/abs/355796a0.html




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

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