Entwicklung und Implementierung eines Monte-Carlo-Verfahrens zur Simulation des Elektronentransfers in Proteinen

Abstract: Elektronentransferreaktionen sind essentielle Prozesse in biologischen Systemen. Prominente Beispiele hierfür sind die Atmungskette, Photosynthese oder die Stickstofffixierung. Diese Prozesse werden meist durch Proteine vermittelt, die organische oder anorganische Kofaktoren enthalten und an den Transferreaktionen beteiligt sind. Um ein Verständnis dieser Prozesse zu gewinnen ist es notwendig, die zugrunde liegende Energielandschaft zu untersuchen. Da experimentelle Methoden dies nicht immer ermöglichen, ist der Einsatz computergestützter Ansätze häufig hilfreich. In dieser Arbeit wurde eine Metropolis-Monte-Carlo-basierte Simulationsmethode entwickelt und als FORTRAN-Programm implementiert, um den Elektronentransfer in Proteinen zu beschreiben. Die Methode beschreibt das Protein als statische Struktur, eingebettet in eine bewegliche Schicht von Wassermolekülen. Die Wasserschicht ist in eine innere und eine äußere Schicht unterteilt. Während die Wassermoleküle der inneren Schicht frei beweglich sind (Rotation und Translation), werden Wassermoleküle der äußeren Schicht an ihrer Sauerstoffposition fixiert und nur Rotationsfreiheitsgrade zulassen. Zur Beschreibung der Proteinatome wird das AMBER-Kraftfeld und die Wasserschicht das TIP3P-Wassermodell eingesetzt. Um die Unterschiede in der freien Energie aus der statistischen Bewegung der Wassermoleküle zu berechnen, wird in dieser Arbeit die thermodynamische Integration verwendet. Der Edukt- und Produktzustand der Elektronentransferreaktion werden als physikalische Endpunkte der Reaktion definiert. Mit Hilfe einer Interpolationsvariablen werden nicht-physikalische Zwischenzustände generiert, für die jeweils eine Simulation durchgeführt wird. Aus diesen Simulationen können im Anschluss Boltzmann-gewichtete Mittelwerte extrahiert und mittels linearer Regression die freie Energiedifferenz und die Reorganisationsenergie bestimmt werden. Die Methode wurde zunächst am kleinen Protein Ferredoxin aus Clostridium acidurici getestet, das zwei geometrisch und chemisch ähnliche Eisen-Schwefel-Cluster enthält und für das eine hochauflösende Röntgenstruktur vorliegt. Dies ermöglichte die Optimierung der Simulationsparameter und Systempräparation für größere Systeme in einem akzeptablen Zeitrahmen. Die Methode wurde dann am Elektronentransfer der Cytochrom-C-Nitrit-Reduktase-Untereinheit aus Desulfovibrio vulgaris validiert, der in der Literatur mit Molekulardynamik-Simulationen und Elektrostatik-Rechnungen bereits untersucht worden war. Es wurde eine Proteindielektrizitätskonstante in das Modell eingeführt und es konnte gezeigt werden, dass sie als Skalierungsfaktor für die berechneten freien Energiedifferenzen eingesetzt werden kann. Auf diese Weise wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit der Molekulardynamik und der dielektrischen Theorie erzielt. Weiterhin wurde der Elektronentransfer in der Cytochrom-Untereinheit des photosynthetischen Reaktionszentrums von Rhodopseudomonas viridis untersucht. Für dieses System wurden die Ergebnisse der Monte-Carlo-Methode mit den Ergebnissen aus Elektrostatik-Rechnungen verglichen und eine gute Übereinstimmung erzielt. Zuletzt wurde die Methode zum Vergleich der NADH:Ubichinon-Oxidurectase-Untereinheit des Komplexes I aus vier verschiedenen Organismen eingesetzt. Für jedes dieser Systeme wurde je eine Transferreaktion simuliert und die Ergebnisse verglichen. Die Ergebnisse wichen deutlich voneinander ab. Ein eindeutiger Grund für dieses Verhalten konnte im Zuge dieser Arbeit nicht gefunden werden
Abstract: Electron transfer reactions are essential processes in biological systems, with prominent examples being the respiratory system, photosynthesis, or nitrogen fixation. These processes are mostly mediated by proteins containing organic or inorganic cofactors. To fully understand these processes, it is necessary to understand the free energy landscape of the system being addressed. Since experimental methods frequently do not provide the whole picture, the use of computational approaches can be helpful. In this work, a Metropolis-Monte-Carlo based simulation method was developed and implemented as a FORTRAN program to describe electron transfer in proteins. The method describes the protein as a static structure, embedded in a non-static layer of water molecules. The water layer itself is divided into an inner and outer layer. The inner-layer water molecules can freely move and rotate, whereas the outer-layer water molecules are fixed at their oxygen position and are only allowed rotational degrees of freedom. The protein atoms are described with the AMBER force field, and the water layer is represented with the TIP3P water model. In order to calculate free energy differences from the statistical movement of water molecules, thermodynamic integration is employed. The educt and product state of the electron transfer reaction are designated as physical endpoints of the reaction. Using an interpolation variable, non-physical in-between states are defined, for which a simulation is performed. From these simulations one can then extract Boltzmanm-weighted averages and use linear regression to obtain the free energy difference and reorganization energy. The method was first tested on the small protein ferredoxin from Clostridium acidurici, which contains two geometrically and chemically similar iron sulfur clusters and for which a high resolution x-ray structure exists. This allowed the optimization of the simulation parameters and the system preparation for larger systems on an acceptable timescale. The method was further validated on the electron transfer in the cytochrome C nitrite reductase complex of Desulfovibrio vulgaris, which had been investigated in literature using molecular dynamics simulations and dielectric theory calculations. A protein dielectric constant was introduced to the model, and it was shown to work as a scaling factor for the calculated free energy differences. With this, a very good agreement with molecular dynamics and dielectric theory was achieved. Next, the method was tried on the wellstudied system of electron transfer in the cytochrome subunit of the photosynthetic reaction center of Rhodopseudomonas viridis. For this system, the results of the Monte Carlo method were compared to results of dielectric theory calculations and achieved a good agreement. Finally, the method was employed to compare the NADH:ubiquinone oxidurectase subunit of complex I of four different organisms. A transfer was simulated for each of these systems and the results were compared. The results were heterogeneous, and no unambigous reason for these differences could be found

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• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Deutsch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2022

Classification and Topics

• Keyword: Elektronentransfer ; Simulation ; Monte-Carlo-Simulation ; Monte-Carlo-Simulation ; Elektronentransfer ; Elektronentransportkette ; Proteine ; Theoretische Chemie

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2022
• Creator: Kaiser, Jan
• Contributor: Koslowski, Thorsten ; Günther, Stefan ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Institut für Physikalische Chemie ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/230271
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2302719
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.