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Elektronen Transfer in Proteinen Markus Krier Proseminar SS04.

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Präsentation zum Thema: "Elektronen Transfer in Proteinen Markus Krier Proseminar SS04."—  Präsentation transkript:

1 Elektronen Transfer in Proteinen Markus Krier Proseminar SS04

2 SS2004 Markus Krier2 Gliederung Einleitung Grundlagen Marcus Theorie Beispiel an Cyt c2/ RC Complex Fazit Referenzen

3 SS2004 Markus Krier3 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.

4 SS2004 Markus Krier4 Wichtige Bestandteile des Elektronen Transfers: Distanz Freie Energie -G° Reorganizations Energie λ Temperatur

5 SS2004 Markus Krier5 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

6 SS2004 Markus Krier6 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

7 SS2004 Markus Krier7 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

8 SS2004 Markus Krier8 Ref. a

9 SS2004 Markus Krier9 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

10 SS2004 Markus Krier10 Marcus Theorie k ET : Elektronen Transfer Rate T DA : Eletronische Kopplung zwischen Donor und Akzeptor (andere Notation: V R ) FC :Franck-Condon-Faktor ħ : Plancks Konstante Fermis Golden Rule:

11 SS2004 Markus Krier11 Marcus Theorie FC = (4πλkT) -½ exp -[(–G°-λ)² / 4λkT ] Marcus klassische Formel für die Überlappung der Wellenfunktionen im harmonischen Oscillator

12 SS2004 Markus Krier12 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

13 SS2004 Markus Krier13 Elektronic Coupling Zwei Arten die elektronische Verbindung darzustellen –Der einfachste Weg: V R ² =V 0 ² exp(- βR) –V 0 ²: 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

14 SS2004 Markus Krier14 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 v R = ε C i ε S j ε H k i j k Das maximale v R wird als V R genommen

15 SS2004 Markus Krier15 Beispiel für Electronic Coupling Balabin, I.A., Onuchic J.N., Dynamically Controlled Protein Tunneling Paths in Photosynthetic Reaction Centers, Science, 2000

16 SS2004 Markus Krier16 Temperatur niedrige Temperatur (35K) liegt die ET Rate bei Raumtemperatur (295K) ET bei Ca. Raumtemperatur Verschiedene ħω, Ref. a

17 SS2004 Markus Krier17 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

18 SS2004 Markus Krier18 Photosynthetischer Elektronen Fluss Brock: 10th Fig Betrachtung des Elektronentransfers zwischen den beiden Proteinen Cytochrome c2 (cyt c2) und dem Reaktions Zentrum (RC) des photosynthetischen Bakteriums Rhodobacter sphaeroides in der Photosynthese

19 SS2004 Markus Krier19 RC ist ein membrangebundenes Protein in dem durch Licht-veranlassten ET ET in RCs 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

20 SS2004 Markus Krier20 Im neutralen Zustand (DQ) von RC existieren zwei Arten von RCs –RCs die cyt c2 binden –RCs die cyt c2 nicht binden Nach Lichtanregung gibts zwei Phasen: 1.Ordnung, (k ET ~ 10 6 s -1 ), welche mit den schon gebundenen cyt c2 zusammenhängt und 2.Ordnung, langsamere Phase, begrenzt durch docking => abhängig von der Ionen Rate

21 SS2004 Markus Krier21 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

22 SS2004 Markus Krier22 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

23 SS2004 Markus Krier23 Pfad-Model für die Elektronische Kopplung Benutzen der Gleichung: v R = ε C i ε S j ε H k i j k Eine einfache Implementation wird für die Pfade benutzt: ε C = 0.6 ε H = (0.6)² exp [-1.7(R-2.8)] ε S = 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

24 SS2004 Markus Krier24 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 Simulations Methoden

25 SS2004 Markus Krier25 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

26 SS2004 Markus Krier26 Resultate Variationen zwischen den Elektronischen Bindungen V R 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

27 SS2004 Markus Krier27 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 Ref. d

28 SS2004 Markus Krier28 Resultate Die meisten dominanten Pfade gehen durch TyrL 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

29 SS2004 Markus Krier29 Resultate Wassermoleküle sind in 5% der Beispielstrukturen in den dominanten Pfaden Typischer Pfad, gezeigt in b) hat Abklingen von 2.9 x : 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

30 SS2004 Markus Krier30 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 (V R ) hängt von der Anzahl der jeweiligen Bindungen ab

31 SS2004 Markus Krier31 Referenzen a.Moser, C., Keske, J.M., Warncke, K., Farid, R.S., and Dutton, P.L., (1992) Nature, 355, Nature of Biological Electron Transfer.Nature of Biological Electron Transfer. b.Farid, R.S., Moser, C.C., and Dutton, P.L., (1993),Curr. Opin. Struct. Biol., 3, 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

32 SS2004 Markus Krier32 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


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