Elektronen Transfer in Proteinen

Präsentation zum Thema: "Elektronen Transfer in Proteinen"—  Präsentation transkript:

1 Elektronen Transfer in Proteinen
Markus Krier Proseminar SS04

2 Gliederung Einleitung Grundlagen Marcus Theorie
Beispiel an Cyt c2/ RC Complex Fazit Referenzen SS Markus Krier

3 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. SS Markus Krier

4 Wichtige Bestandteile des Elektronen Transfers:
Distanz Freie Energie -∆G° Reorganizations Energie λ Temperatur SS Markus Krier

5 Diese Distanz wird durch einen β– Coefficienten
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 SS Markus Krier

6 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 SS Markus Krier

7 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 SS Markus Krier

8 Ref. a SS Markus Krier

9 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 SS Markus Krier

10 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 SS Markus Krier

11 Marcus Theorie FC = (4πλkT)-½ exp -[(–∆G°-λ)² / 4λkT ]
Marcus klassische Formel für die Überlappung der Wellenfunktionen im harmonischen Oscillator SS Markus Krier

12 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) SS Markus Krier Ref. a

13 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 SS Markus Krier

14 Das maximale vR wird als VR genommen
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 ∏εSj ∏εHk i j k Das maximale vR wird als VR genommen SS Markus Krier

15 Beispiel für Electronic Coupling
Balabin, I.A., Onuchic J.N., Dynamically Controlled Protein Tunneling Paths in Photosynthetic Reaction Centers, Science, 2000 SS Markus Krier

16 Temperatur niedrige Temperatur (35K) liegt die ET Rate bei 10-1
Raumtemperatur (295K) ET bei 10-9 Ca. Raumtemperatur Verschiedene ħω, SS Markus Krier Ref. a

17 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 SS Markus Krier

18 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 SS Markus Krier

19 Cyt c2 bindet an das RC und vervollständigt so den ET-Zyklus
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 SS Markus Krier

20 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 SS Markus Krier

21 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 SS Markus Krier

22 Um Lys C103 liegen die pos geladenen Ketten von c2
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 SS Markus Krier

23 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 SS Markus Krier

24 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 => Atome sind in der Simulation eingeschlossen SS Markus Krier

25 Ionisierbare Seitenketten werden charakterisiert bei pH7
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 SS Markus Krier

26 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 SS Markus Krier

27 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 SS Markus Krier

28 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 Ref. d b) Ref. d SS Markus Krier

29 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 SS Markus Krier

30 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 SS Markus Krier

31 Referenzen Moser, C., Keske, J.M., Warncke, K., Farid, R.S., and Dutton, P.L., (1992) Nature, 355, Nature of Biological Electron Transfer. Farid, R.S., Moser, C.C., and Dutton, P.L., (1993),Curr. Opin. Struct. Biol., 3, Electron Transfer in Proteins. Miyashita et al. (2003) Biochemistry, Continuum electrostattic Model for the Binding of Cytochrome c2 to the Photosynthetic Reaction Center from Rhodobacter sphaeroides SS Markus Krier

32 Referenzen d. Miashita et al. (2002) J.Phys.Chem. B, Vol.107,No.5, 2003, Theoretical Understanding of the Intewrprotein Electron Transfer between Cytochrome c2 and the Photosynthetic Reaction Center SS Markus Krier