Elektronen Transfer in Proteinen Markus Krier Proseminar SS04.
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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
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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.
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Wichtige Bestandteile des Elektronen Transfers:
• Distanz
• Freie Energie -∆G°
• Reorganizations Energie λ
• Temperatur
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• 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
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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
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• 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
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Ref. a
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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
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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:
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Marcus Theorie
• FC = (4πλkT)-½ exp -[(–∆G°-λ)² / 4λkT ]
Marcus klassische Formel für die Überlappung der Wellenfunktionen im harmonischen Oscillator
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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
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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
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• 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
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Beispiel für Electronic Coupling
Balabin, I.A., Onuchic J.N., Dynamically Controlled Protein Tunneling Paths in Photosynthetic Reaction Centers, Science, 2000
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Temperatur• niedrige Temperatur
(35K) liegt die ET Rate bei 10-1
• Raumtemperatur (295K) ET bei 10-9
Ca. Raumtemperatur
Verschiedene ħω,
Ref. a
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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
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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
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• 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
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• 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
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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
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• 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
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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
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• 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
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• 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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