Structure-function relationship of archaeal rhodopsin proteins analyzed by continuum electrostatics

Struktur-Funktionsbeziehung der archaealen Rhodopsine untersucht mit Kontinuum-Elektrostatik

Rhodopsin proteins perform two cellular key functions: signaling of external stimuli and ion transport. Examples of both functional types are found in the family of archaeal rhodopsins, namely the proton pump bacteriorhodopsin, the chloride pump halorhodopsin and the photoreceptor sensory rhodopsin II. For these three membrane proteins, high-resolution X-ray structures are available, allowing a theoretical investigation in atomic detail. In this thesis, calculations are presented based on a contRhodopsin proteins perform two cellular key functions: signaling of external stimuli and ion transport. Examples of both functional types are found in the family of archaeal rhodopsins, namely the proton pump bacteriorhodopsin, the chloride pump halorhodopsin and the photoreceptor sensory rhodopsin II. For these three membrane proteins, high-resolution X-ray structures are available, allowing a theoretical investigation in atomic detail. In this thesis, calculations are presented based on a continuum electrostatics approach using a finite-difference discretization of the Poisson-Boltzmann equation. The results can be divided into three parts. One of the interesting features of rhodopsin proteins is the extreme range over which the absorption maximum of their chromophore retinal is tuned. This characteristic and the precision of the tuning mechanism is a fundamental requirement for color vision. Using the archaeal rhodopsins as model systems, this work aims at advancing the understanding of the inter-protein absorption shift. The presented results demonstrate that the electrostatic interactions of the protein with the retinal are a major determinant of the inter-protein shift. The differences in electrostatic potential that the proteins cause at the retinal could be assigned to seven residues. A generalized model of a quantum mechanical particle in a box including the electrostatic potential as a parameter allows a qualitative description of the absorption maxima. Bacteriorhodopsin has become one of the most important model systems in the field of bioenergetics. This is due to its relative simplicity making it amenable to experimental and theoretical studies. Here, the probability of functionally relevant protonation states is calculated to characterize the available structures. The protonation behavior of the key residues of proton transfer and the correlation between the protonation of these residues is analyzed. The results show that with respect to the protonation the bR, K, L and M1 intermediate state are well represented by the available structures, while the M2, N and O intermediate state are less well represented. An algorithm is introduced that determines a gap-free list of the lowest energy states. Such a list allows to analyze the ensemble of states accessible to a system in a certain energy range and, thus, can provide useful insight into the functional mechanism. The newly developed algorithm, termed X-DEE, is based on the dead-end elimination theorem. The X-DEE algorithm is applicable to a wide range of problems, for instance in protein design attempts. Here, X-DEE is successfully applied to bacteriorhodopsin to obtain gap-free lists of the lowest energy protonation states.show moreshow less
Rhodopsine üben zwei zelluläre Schlüsselfunktionen aus, die Weiterleitung externer Signale und den Transport von Ionen. Beispiele beider Funktionstypen finden sich in der Familie der archaealen Rhodopsine: die Protonenpumpe Bacteriorhodopsin, die Chloridionenpumpe Halorhodopsin und den Photorezeptor Sensorisches Rhodopsin II. Ihre hochaufgelösten Röntgenkristall-Strukturen ermöglichen theoretische Untersuchungen auf atomarer Ebene. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Berechnungen basieRhodopsine üben zwei zelluläre Schlüsselfunktionen aus, die Weiterleitung externer Signale und den Transport von Ionen. Beispiele beider Funktionstypen finden sich in der Familie der archaealen Rhodopsine: die Protonenpumpe Bacteriorhodopsin, die Chloridionenpumpe Halorhodopsin und den Photorezeptor Sensorisches Rhodopsin II. Ihre hochaufgelösten Röntgenkristall-Strukturen ermöglichen theoretische Untersuchungen auf atomarer Ebene. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Berechnungen basieren auf einem Kontinuum-Elektrostatik-Modell, das durch die Poisson-Boltzmann Gleichung gegeben ist, die mit Finite-Differenzen diskretisiert wird. Die Ergebnisse können in drei Abschnitte unterteilt werden. Ein Charakteristikum der Rhodopsine ist der extreme Bereich, über den diese das Absorptionsmaximum ihres Chromophors Retinal einstellen. Diese Eigenschaft und die Präzision dieses Mechanismus ist eine grundlegende Voraussetzung des Farbsehens. Die archaealen Rhodopsine werden in der vorliegenden Arbeit als Modellsysteme genutzt, um die Verschiebung der Absortion zwischen den Proteinen zu untersuchen. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen elektrostatische Wechselwirkungen des Proteins mit dem Retinal als entscheidenden Faktor für die Verschiebung der Absorption. Die Unterschiede des elektrostatischen Potentials, das die Proteine am Retinal verursachen, kann sieben Aminosäuren zugeschrieben werden. Ein verallgemeinertes Modell eines quantenmechanischen Teilchens in einer Box mit dem elektrostatischen Potential als Parameter ermöglicht eine qualitative Beschreibung der Absorptionsmaxima. Bacteriorhodopsin ist eines der wichtigsten Modellsysteme der Bioenergetik. Da es ein relativ einfaches Protein ist, sind experimentelle und theoretische Studien gut durchführbar. In dieser Arbeit wird die Wahrscheinlichkeit funktionell relevanter Protonierungszustände berechnet, um die vorhandenen Strukturen genauer zu charakterisieren. Das Protonierungsverhalten der Schlüsselgruppen des Protonentransfers und die Korrelation der Protonierung dieser Gruppen wird analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der bR-, K-, L- und M1-Zustand bezüglich der Protonierung gut, während der M2-, N- und O-Zustand weniger gut durch die vorhandenen Strukturen repräsentiert sind. Ein Algorithmus wird eingeführt, der eine lückenlose Liste der Zustände niedrigster Energie ermittelt. Eine solche Liste ermöglicht die Untersuchung des gesamten Zustandsensembles, welches dem System in einem bestimmten Energiebereich zugänglich ist. Dadurch können hilfreiche Erkenntnisse über den funktionellen Mechanismus gewonnen werden. Der neu entwickelte Algorithmus, X-DEE genannt, basiert auf dem Theorem über die Dead-End-Eliminierung. Der X-DEE-Algorithmus ist in den unterschiedlichsten Gebieten verwendbar, unter anderem in Protein-Design-Ansätzen. In dieser Arbeit wird X-DEE erfolgreich angewandt, um lückenlose Listen der Protonierungszustände niedrigster Energie für Bacteriorhodopsins zu erhalten.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Chemie
Author: Edda Kloppmann
Advisor:Prof. Dr. G. Matthias Ullmann
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:04.05.2010
Year of Completion:2009
SWD-Keyword:Bakteriorhodopsin; Elektrostatik; Membranproteine; Protonentransfer; Theoretische Biophysik
Tag:Dead-End-Elimination; Metropolis-Monte-Carlo-Simulation; Protonierungswahrscheinlichkeit; Strukturbiologie; X-DEE
DEE; bacteriorhodopsin; membrane protein; protonation probability; theoretical biophysics
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
RVK - Regensburg Classification:WD 2200
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-7080
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):05.07.2010