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- Theoretische Biophysik (1) (remove)
-
Computational Analysis of the Proton Transfer to the Secondary Quinone of Type II Photosynthetic Reaction Centers.
(2008)
- Für das Leben einer Vielzahl unterschiedlicher Arten wird molekularer Sauerstoff benötigt. Auf der Erde ist der wichtigste Prozess zur Herstellung von molekularem Sauerstoff die Photosynthese. Ein entscheidender Schritt der Photosynthese wird durch den Typ II des photosynthetischen Reaktionszentrums (RC) katalysiert: Die Umwandlung von chemischer Energie in einen elektrochemischen Gradienten durch die Reduzierung und Protonierung eines Coenzym Q Moleküls, dass in der QB Bindungstasche des Proteins gebunden ist. Die Pigmente des Typ II RC, nämlich des pflanzlichen Photosystem II RC (PSII RC) und dessen evolutionären Vorfahren, dem bakteriellen RC (bRC), sind in zwei (pseudo)-symmetrischen Zweigen angeordnet, dem A- und dem B-Zweig. In Typ II RC Proteinen werden die Elektronen entlang des A-Zweiges auf QB übertragen, während der B-Zweig keine Elektronen übertragen kann. In dieser Arbeit wurde der Konservierungsgrad von Resten untersucht, für die eine Beeinflussung der Redoxeigenschaften der Pigmente und der Lenkung des Elektronentransfers entlang des A-Zweiges bekannt ist. Die Qualität einer Konservierungsanalyse hängt massgeblich von einem korrekten multiplen Sequenzalignment ab. Da bRC und PSII RC nur eine sehr kleine Sequenzidentität haben, wurden profile Hidden Markov Modelle verwendet, welche die strukturellen Informationen der Proteine berücksichten, um ein korrektes Alignment zu erhalten. Die Konservierungsanalyse zeigte, dass die Abstimmung von Redoxeigenschaften der Pigmente und die Lenkung des Elektronentransfers im bRC konserviert sind, aber in PSII RC abweichen. Zwischen bRC und PSII RC Proteinen gibt es dementsprechend auch Unterschiede in den Eigenschaften der beiden Coenzym Q (QA und QB) Bindungstaschen, die es ermöglichen, dass im PSII RC QA unter Stressbedingungen (wie hoher Lichtintensität) protonieren kann, während eine solche Protonierung im bRC nicht möglich ist. Interessanterweise wurden im bRC von Rhodobacter (Rb.) sphaeroides zwei alternative Bindungspositionen für QB (proximal und distal) festgestellt. Experimente deuteten an, dass QB seine Orientierung um 180 Grad ändert, während es sich von der distalen in die proximale Position bewegt. Zusammen mit kristallographischen Experimenten zeigten meine quantenchemischen und elektrostatischen Berechnungen, dass im bRC von Rb. sphaeroides QB wahrscheinlich die gleiche Orientierung in beiden Positionen einnimmt. Eine Kopplung des Protonierungszustands der terminalen Protonendonoren (GluL212 und AspL213 der L Untereinheit) und der Population der beiden QB Bindungspositionen erklärt die beobachtete pH- und Zustandsabhängigkeit der QB Population. Darüber hinaus müssen diese Reste protoniert sein, um das erste Reaktionszwischenprodukt, das zellschädigende Semichinon gebunden zu halten. Im Unterschied zum Elektronentransfer entlang des A-Zweiges unterscheidet sich der Mechanismus des Protonentransfers zu QB massgeblich zwischen PSII RC und bRC. Im bRC von Rb. sphaeroides wurden die wesentlichen Reste des Protontransfers zu QB experimentell bestimmt und Protoneneintrittspunkte wurden vorgeschlagen. Die genaue Organisation des Protonentransfers zu QB ist allerdings nicht bekannt. Zwei sich ausschliessende Ideen werden diskutiert: Die Protonen werden entweder über unterschiedliche Pfade oder über ein grosses Netzwerk ohne klar definierte Pfade, einem Protonenschwamm, transportiert. Die Auswertung eines multiplen Sequenzalignments der bRC Untereinheiten zeigte, dass die wesentlichen, nicht auf der Proteinoberfläche liegenden Reste des Protonentransfers konserviert sind. Die vorgeschlagenen Protoneneintrittspunkte sind aber nicht im gleichen Ausmass konserviert. Zusätzlich zeigte die Auswertung des Wasserstoffbrückennetzwerks der bRC Proteine von Rb. sphaeroides und Blastochloris viridis jeweils ein grosses Netzwerk, dass vom Cytoplasma bis zur QB Bindungstasche reicht. Interessanterweise haben diese Netzwerke einen ähnlichen Aufbau und beinhalten alle wesentlichen nicht auf der Oberfläche liegenden Reste des Protonentransfers, unterscheiden sich aber in den ermittelten Protoneneintrittspunkten. Sowohl die Konservierungsstudie und als auch die Analyse des Netzwerkes widersprechen der Idee von unabhängigen Protonentransferpfaden und unterstützen die Idee des Protonenschwamms. Durch die Kombination unterschiedlicher Ansätze wie der Konservierungsanalyse basierend auf multiplen Sequenzalignments, der Kontinuumselektrostatik, der Quantenchemie und der Analyse der Wasserstoffbrückennetzwerke, gelang es in dieser Arbeit ein breiteres Wissen "uber die molekularen Details der QB Bindingungstasche und des Elektronen- und Protonentransfer zu QB zu gewinnen.
