Proton Transfer Networks and the Mechanism of Long Range Proton Transfer in Proteins

Titelangaben

Till, Mirco:
Proton Transfer Networks and the Mechanism of Long Range Proton Transfer in Proteins.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The main energy providing reaction systems in living cells, for example the photosynthesis or the respiratory chain, are based on long range proton transfer (LRPT) reactions. Even since these LRPT reactions have been heavily investigated in the last decades, the mechanism of these reactions is still not completely understood. The reaction kinetics of the LRPT are under heavy discussion and it is not clear, whether the reorientation of the hydrogen bond network (HBN)or the electrostatic barrier for the charge transfer is rate limiting. The main purpose of this work is to investigate the dynamics of chemical reactions inside of proteins, focused on long range proton transfer reactions. Electron transfer reactions, rotations of water molecules or conformational changes of the protein are also considered. The developed sequential dynamical Monte Carlo (SDMC) method is applicable to almost all kinds of chemical reactions. For all proton transfer reactions, the HBN of a protein plays a major role. Protons are transferred along such hydrogen bonds. Therefore, knowledge about the hydrogen bond network of a protein is crucial for the simulation of LRPT systems. The HBN can be calculated from the protein structure and the rotational state of the amino acid side chains. The reaction rate can be calculated from the electrostatic energies of the participating proton donor and acceptor groups. These two criteria are combined for the decision if a proton transfer between two molecules is possible and how fast this transfer would happen. While the calculation of electrostatic energies of protonatable amino acid side chains or relevant cofactors in proteins (among them also water molecules) is already solved - implemented in various programs - the remaining tasks - calculating the hydrogen bond network followed by calculating the reaction rates - were solved during this work. Before the hydrogen bond network and the electrostatic energies could be calculated, the lack of water positions in many available crystallographically resolved protein structures made it necessary to develop an algorithm to detect internal cavities in proteins and fill these cavities with water molecules. The derived water positions could be included in the electrostatic calculations as well as in the calculation of the HBN. The simulation of the LRPT in Gramicidin A (gA) compared to experimental data of the proton transfer in this polypeptide showed the possibilities of the simulation of the LRPT by the SDMC algorithm. The promising results encouraged us to investigate the mechanism of the LRPT, especially, if the reorientation of the HBN or the electrostatic energy barrier of the charge transfer is rate limiting for the LRPT. The results indicate, that both effects influence the LRPT and none of them is exclusively responsible for the LRPT rate. Further analysis of the hydrogen bond network topology showed that graph algorithms can be used to analyze these networks. Hydrogen bond networks can be clustered into regions which are close connected to each other. On the other hand, residues connecting two or more of these densely connected regions might play an important role for proton transfer pathways since a loss of such residues cuts a proton transfer pathway. A comparison of an analysis of the HBN topology of the photosynthetic reaction center with mutation studies of the same system showed, that residues identified as important for proton transfer by the mutation studies are identified as connection points between clusters by the network analysis. The developed algorithms together with the introduction of a new method for the simulation of the LRPT process (SDMC) improved the picture of the proton transfer processes in proteins. Starting from the protein structure, the developed algorithms cover all steps from the detection of protein cavities, the placement of water molecules in these cavities, the calculation and analysis of the hydrogen bond network, the simulation of the LRPT and the investigation of the reaction kinetics. The analysis of the HBN by graph theoretical methods gives further insight into the HBN topology and identifies residues important for proton transfer pathways and therefore important for the protein activity.

Abstract in weiterer Sprache

Protonentransferreaktionen bilden in allen lebendigen Zellen die Grundlage für die wichtigsten energieliefernden Systeme wie zum Beispiel die Photosynthese. Obwohl diese Protonentransferreaktionen in den letzten Jahrzehnten mit großem Eifer untersucht wurden, ist der zugrunde liegende Mechanismus dieser Reaktionen noch nicht vollständig bekannt. Die Reaktionskinetiken der Protonentransferreaktionen innerhalb eines Proteins werden weiterhin diskutiert, da der limitierende Faktor der Reaktionen noch nicht klar ist. Es wird diskutiert, ob die Umordnung des Wasserstoffbrückennetzwerks oder die Energiebarriere des Ladungstransfers ratenbestimmend ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die Kinetiken von chemischen Reaktionen innerhalb von Proteinen zu erforschen, wobei das Hauptaugenmerk auf Protonentransferreaktionen liegt. Elektronentransferreaktionen, Rotationen von Wassermolekülen sowie Konformationsänderungen werden ebenfalls berücksichtigt. Die entwickelte Methode (Sequential Dynammical Monthe Carlo, SDMC) kann auf nahezu alle Arten von chemischen Reaktionen angewendet werden. DasWasserstoffbrückennetzwerk (WBN) eines Proteins spielt für alle rotonentransferreaktionen eine wichtige Rolle, da alle rotonentransferreaktionen entlang einer Wasserstoffbrücke erfolgen. Daher ist das Untersuchen des WBNs eines Proteins die Grundlage für die Simulation der Protonentransferkinetiken. Das WBN kann auf Grundlage der Proteinstruktur berechnet werden, wenn man alle Rotamere der einzelnen Aminosäuren einbezieht. Die Ratenkonstante einer Protonentransferreaktion kann aus dem Energieunterschied der beteiligten Donoren und Acceptoren berechnet werden. Diese beiden Kriterien zusammen bestimmen, ob ein Protonentransfer zwischen zwei Molekülen möglich ist und wie schnell dieser ablaufen wird. Während die Berechnung der elektrostatischen Energien von protonierbaren Aminosäuren und wichtigen Kofaktoren (darunter auch Wasser) bereits durch viele verfügbare Programme gelöst ist, wurden die Algorithmen zur Berechnung des Wasserstoffbrückennetzwerks sowie die Berechnung der Reaktionskinetiken während dieser Arbeit entwickelt. Das Fehlen von Wasserpositionen in Röntgenstrukturen von Proteinen erforderte außerdem das Entwickeln eines Algorithmus zum Auffinden von Hohlräumen in Proteinen. Diese Hohlräume können anschließend mit Wassermolekülen gefüllt werden. Die erhaltenen Wasserpositionen werden in die Proteinstruktur integriert und bei den elektrostatischen Berechnungen berücksichtigt. Die Simulation der Protonentransferkinetiken in Gramicidin A (gA) wurde mit experimentellen Daten verglichen und zeigte die Möglichkeiten des SDMC Algorithmus. Diese vielversprechenden Ergebnisse ermutigten uns auch den Mechanismus des Protonentransfers durch dieses Polypeptid zu untersuchen. Dabei wurde vor allem die Frage angegangen, ob die Umorientierung des Wasserstoffbrückennetzwerks oder die Energiebarriere des Ladungstransfers ratenbestimmend für den Protonentransfer ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass beide Effekte den Protonentransfer durch gA beeinflussen, bzw. keiner von beiden alleinig ratenbestimmend ist. Bei der Betrachtung der Wasserstoffbrückennetzwerke zeigte sich, dass Algorithmen aus der Graphentheorie angewandt werden können, um diese Netzwerke zu analysieren. WBNs können in Bereiche (Cluster) unterteilt werden, die untereinander dichter verbunden sind. Auf der anderen Seite könnten Reste, die zwei oder mehr dieser Bereiche miteinander verbinden eine wichtige Rolle für Protonentransferpfade spielen, da ein Verlust dieser Reste das Unterbrechen eines solchen Pfads bedeuten würde. Ein Vergleich der Ergebnisse aus Mutationsstudien des bakteriellen Reaktionszentrums mit unserer Analyse der Netzwerktopologie zeigte, dass die Aminosäurereste, die bei den Mutationsstudien als wichtige Punkte für den Protonentransfer gefunden wurden in unseren Analysen als Verbindungspunkte zwischen Clustern auftraten. Die entwickelten Algorithmen zur Netzwerkanalyse und die neu entwickelte Methode zur Simulation von Protonentransferkinetiken geben wichtige Einblicke in den gesamten Prozess des Protonentransfers in Proteinen, angefangen beim Auffinden von Hohlräumen in Proteinstrukturen über das Platzieren von Wassermolekülen in diesen Hohlräumen, die Berechnung und Analyse des WBN, die Simulation des Protonentransfers in Proteinen und die Betrachtung der Reaktionskinetiken dieser Prozesse. Außerdem gibt die Analyse des WBN Aufschluss über die Topologie solcher Netzwerke und kann Aminosäurereste identifizieren, die wichtig für den Protonentransfer und somit für die Funktion des Proteins sein können.