A multi-scale approach to electron transfer in protein complexes

Abstract: Elektronenentransferreaktionen finden sich in allen Bereichen des Lebens und ihre Energetik ist für das Verständnis der Funktionalität der beteiligten Protein von großer Bedeutung. In der vorgelegten Thesis wurden Wechselwirkungen zwischen Überschusselektronen in Proteinen mittels Methoden untersucht, die auf Coulomb-Wechselwirkungen beruhen. Für die computergestützten Rechnungen wurde die Theorie des dielektrischen Kontinuums verwendet und die Poisson-Boltzmann Gleichung numerisch gelöst. Deren resultierende Energiewerte wurden für die Berechnung spezifischer Energien des Elektronentransfers in sechs Proteinsystemen verwendet. Für den Elektronentransfer zwischen zwei Lokalisationszentren wurde insbesondere die Differenz der freien Gibbsschen Enthalpie ∆G, beschrieben durch die Marcus-Theorie, die outer-sphere Reorganisationsenergie λout als Reaktion der Umgebung auf die veränderte Ladungsverteilung sowie die kinetische Transferrate kab zwischen den Zuständen vor und nach dem Elektronentransfer, ermittelt.

Die Differenzen der freien Energie für die wahrscheinlichsten Elektronentransferübergänge innerhalb des Subkomplexes NrfHA, der in der Membran verankerten Nitritreduktase NrfH2A4 aus Desulfovibrio vulgaris, wurden herangezogen, um die dielektrische Konstante des Proteins an Daten aus Moleküldynamikrechnungen zu kalibrieren. Der Wert von εp = 3.5 zeigt dabei die beste Übereinstimmung. Ein Salzeffekt des umgebenden Mediums auf die Energiewerte des Elektronentransfers konnte in diesem Fall ausgeschlossen werden. Der Beitrag des wässrigen Mediums zur Reorganisationsenergie dominiert an der Kontaktfläche der beiden Proteinketten. Durch die Berücksichtigung zweier konservierter Calciumionen wurde deutlich, dass lediglich die Anwesenheit beider zu einer Abnahme der freien Gibbsschen Reaktionsenthalpie um −3.9 kcal mol−1 für den Elektronentransport zwischen dem Eintrittsort der Elektronen an Häm H1 und dem aktiven Zen- trum A1 führt.

Der Hauptteil dieser Arbeit behandelt Elektron-Elektron Wechselwirkungen, welche unter Berücksichtigung mehrerer Überschusselektronen in NrfHA und dem gesamten Komplex NrfH2A4 auftreten. Für den Subkomplex NrfHA wurde ein Aufbauprinzip aufgestellt, welches die frühe Reduktion des aktiven Zentrums A1 und die Blockade der Elektroneneintrittstelle H1 mit dem Beladen des vierten Elektrons nahelegt. Die Aufnahme weiterer Überschusselektronen erfordert damit eine weitreichende Umverteilung der Elektronen im Subkomplex.

Darüber hinaus wurde ein Paarmodellansatz, basierend auf der dielektrischen Theorie, aufgestellt, validiert und zur Berechnung multipler Elektronenbeladung der Nitritreduktase verwendet. Es stellte sich heraus, dass auch weit- reichende Elektron-Elektron-Wechselwirkungen berücksichtigt werden müssen. Die Anwesenheit einer 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholin Doppelmembran führt zu einer Steigerung der Elektron-Elektron Paarenergie an der Kontaktfläche beider Heterotrimere NrfHA2 im Gesamtkomplex.

Die verwendeten Ladungsparameter für reduzierte und oxidierte c-typ Häm Kofaktoren wurden anhand der sehr gut untersuchten Cytochrom c Untereinheit des Photoreaktionszentrums aus B. viridis überprüft. In Übereinstimmung mit der Literatur wurden Werte von −11.5 kcal mol−1 für die Differenz der freien Gibbsschen Enthalpie des Elektronentransfers zwischen den beiden Enden der Elektronentransportkaskade, outer-sphere Reorganisationsenergien zwischen 9.67 und 16.67 kcal mol−1 und relative Mittelpunktspotentiale berechnet.

Das zwei [4Fe-4S]-Zentren enthaltende Protein Ferredoxin aus C. acidurici wurde als Modellsystem genutzt, um das Paarmodell dahingehend zu untersuchen, ob es auch für die Vorhersage von Proton-Elektron-Wechselwirkungen geeignet ist. Dadurch konnten die Grenzen eines auf starren Proteinstrukturen basierenden Modells für Protonen gekoppelte Elektronentransferreaktionen aufgezeigt werden
Abstract: Electron transfer reactions can be found in all fields of life, and their energetic is of high interest to understand the functionality of the involved proteins. The interactions of excess electrons in proteins were investigated in this thesis by approaches based on Coulomb interactions. For the performed computations the dielectric continuum theory approach was used and the Poisson-Boltzmann equation was solved numerically. The resulting energies were used to calculate specific energy values of electron transfer for six protein systems. In particular, the free energy difference ∆G between two states of excess electron localization, described by the well established theory of Marcus, the outer sphere reorganization energy λout reflecting the response of the surrounding to the changed charge distribution and the kinetic transfer rate kab between the two states before and after the transfer reaction, were considered.

Calculated free energy differences for the most likely electron transfer steps through a subcomplex NrfHA of the membrane-bound nitrite reductase NrfH2A4 from Desulfovibrio vulgaris were taken to calibrate the dielectric constant of the protein using molecular dynamics data as reference. The best fit corresponds to a dielectric constant εp = 3.5. Salt effects of the surrounding dielectric could be excluded on the electron transfer energies and the impact of the aqueous surrounding dominates the reorganization energies at the contact surface of the protein chains. Investigating two conserved calcium binding sites showed that only the presence of both calcium ions lead to a negative total free energy difference of −3.9 kcal mol−1 for the transfer of an excess electron between the electron entry site and the active center.

The main part of this work covers electron-electron interactions arising from multiple excess electrons in NrfHA and the full complex NrfH2A4. A building principal was identified for NrfHA loading suggesting an early reduction of the active center A1 and a blocking of the electron entry site H1 with adding the fourth electron so an electron rearrangement within the subcomplex is necessary for further loading.

A pair model approach based on dielectric continuum theory was established, validated and used for multiple electron loading of the nitrite reductase complex finding long-range Coulomb interactions have to be considered. The electron-electron pair interaction energy increased at the contact surface of both heterotrimers NrfHA2 within the full nitrite reductase complex in presence of a 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine membrane.

The charge parameters used for reduced and oxidized c-type heme cofactors were cross-checked using the well-investigated cytochrome c subunit of the photosynthetic reaction center from Blastochloris viridis. The free energy difference of -11.5 kcal mol−1 for the electron transfer between both ends of the electron transport cascade, outer sphere reorganization energies between 9.67 and 16.67 kcal mol−1 and relative midpoint potentials are consistent with results from previous investigations.

The two [4Fe-4S]-cluster-containing protein ferredoxin from Clostridium acidurici was used to test the ability to predict proton-electron interactions by the pair model approach. The limits of an approach based on static protein structures for proton coupled electron transfer could be shown

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Charge exchange ; Complexes ; Elektronentransfer ; Theoretische Chemie ; Physikalische Chemie ; Hämproteine ; Elektrostatik

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2021
• Urheber: Gnandt, David
• Beteiligte Personen und Organisationen: Koslowski, Thorsten ; Einsle, Oliver ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/175700
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1757000
• Rechteinformation: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:52 MEZ