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Electrostatic and quantum chemical investigation of the proton pumping mechanism of cytochrome c oxidase

URN to cite this document: urn:nbn:de:bvb:703-opus-4754

Title data

Punnagai, Munusami:
Electrostatic and quantum chemical investigation of the proton pumping mechanism of cytochrome c oxidase.
Bayreuth , 2008
( Doctoral thesis, 2008 , University of Bayreuth, Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences)

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Cytochrome c oxidase is a crucial enzyme in the respiratory chain. It catalyzes the reduction of oxygen to water and utilizes the free energy of the reduction reaction for proton pumping across the inner-mitochondrial membrane, a process which results in a membrane electrochemical proton gradient. For each oxygen molecule, eight protons are taken up from the matrix of the mitochondria. Four protons together with four electrons are required to reduce oxygen to water at the Fea3 -CuB binuclear center and another four protons are translocated across the membrane. Although several high resolution structures have been solved for this enzyme, the molecular mechanism of the proton pumping and electron transfer is not understood. Recent studies on the cytochrome c oxidase CuB center suggested deprotonation of the CuB bound imidazole ring of histidine (His291 in mammalian cytochrome c oxidase or His334 in Rhodobacter sphaeroides cytochrome c oxidase) as a key element in the proton pumping mechanism. The central feature of this proposed mechanism is that the pKa value of the imidazole significantly lowered depending on the redox state of the metals in the binuclear center. The energetic feasibility of this mechanism is tested in this work. To comprehend the role of the CuB bound histidines in the reaction mechanism of cytochrome c oxidase, density functional theory is used in combination with continuum electrostatics to calculate the pKa values of these imidazole rings in the aqueous solution as well as in the protein. The pKa values of His334, His333 and H2 O molecule are calculated both in oxidized and reduced state of CuB center. The Finite Difference Poisson Boltzmann (FDPB) method and the conductor-like polarizable continuum model (C-PCM) are used to determine the solvation free energies in aqueous solution. All possible protonation equilibrium reactions in the CuB center are studied to understand the deprotonation reactions of the bound H2 O molecule, His333 and His334. In aqueous solution, pKa values of 15.2, 15.9 and 7.4 were obtained for deprotonation of His334, His333 and H2O respectively. These pKa values in aqueous solution show that His334 and His333 are likely to be protonated at physiological pH. The protein environment shifts the pKa values of the CuB ligands to even higher values in the range between 15 to 60. These pKa values of CuB ligands are significantly higher compared to aqueous solution. The high pKa values show that His334 is protonated during all steps of the catalytic cycle and demonstrate that the Fe and Cu ion oxidation states do not lower the pKa values of CuB ligands and involved in shifting the pKa values of CuB ligands to higher values. These results are incompatible with the proposed role of His334 as a key element in the pumping mechanism. According to the pKa values, the proton pumping model as suggested by Stuchebrukhov might not be possible with the involvement of His334. The pKa values of the His333 in the CuB center are always shifted to higher values both in the reduced and in the oxidized state of the CuB center. The pKa values of His333 show that this residue is likely to be protonated in the protein and an involvement in the reaction mechanism of cytochrome c oxidase can therefore be ruled out.

Abstract in another language

Cytochrom c Oxidase ist ein wichtiges Enzym in der Atmungskette. Es katalysiert die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser und nutzt die freie Energie der Reduktion, um Protonen durch die innere mitochondriale Membran zu pumpen, ein Vorgang, der zu einem elektrochemischen Protonengradientenüber der Membran führt. Für jedes Sauerstoffmolekül werden acht Protonen von der mitochondrialen Matrix aufgenommen. Vier Protonen zusammen mit vier Elektronen sind nötig, um Sauerstoff am Binuklearzentrum (Heme-Fea3—CuB ) zu Wasser zu reduzieren und weitere vier Protonen werden durch die Membran transportiert. Obwohl für dieses Enzym einige hochaufgelösten Strukturen bestimmt wurden, ist der molekulare Mechanismus des Protonenpumpens und des Elektronentransfers nicht verstanden. Neuere Studien am CuB-Zentrum der Cytochrom c Oxidase legen nahe, dass die Deprotonierung eines am CuB gebundenen Imidazolrings ein Schlüsselelement im Protonenpumpmechanismus darstellt (His291 in der Säugetier Cytochrom c Oxidase oder His334 in der Rhodobacter sphaeroides Cytochrom c Oxidase). Der zentrale Punkt dieses vorgeschlagenen Mechanismuses ist eine erhebliche Verschiebung des pKa -Wertes eines Imidazols im CuB -Zentrum zu niedrigeren Werten in Abhaängigkeit vom Redoxzustand der Metalle im binuklearen Zentrum. Die energetische Möglichkeit dieses Mechanismus wird in dieser Arbeit geprüft. Um die Rolle der an CuB gebundenen Histidine im Reaktionsmechanismus der Cytochrom c Oxidase zu verstehen, wurden Dichtefunktionstheorie-Methoden in Verbindung mit Kontinuumselektrostatik- Rechnungen verwendet, um die pKa-Werte der Imidazolringe in wässriger Lösung und auch im Protein zu berechnen. Die pKa-Werte von His334, His333 und des gebundenen Wassermoleküls wurden im oxidierten und reduzierten Zustand des CuB Zentrums berechnet. Solvatationsenergien in wässriger Lösung wurden mit Hilfe von finite-difference Poisson-Boltzmann-Rechnungen und mit Hilfe der C-PCM (conductor-like polarizable continuum models) Methode bestimmt. Alle möglichen Protonierungsgleichgewichtsreaktionen im CuB Zentrum wurden untersucht, um die Deprotonierungsreaktionen des gebundenen Wassers, von His333 und von His334 zu verstehen. In wässriger Lösung erhielten wir pKa -Werte von 15,2, 15,9 und 7,4 jeweils für die Deprotonierung von His334, von His333 und des gebundenen Wasser. Diese pKa -Werte in wässriger Lösung zeigen, dass His334 und His333 bei physiologischen pH-Wert protoniert sind. Die Proteinumgebung verschiebt die pKa-Werte des CuB-Liganden zu noch höheren Werten im Bereich zwischen 15 und 60. Diese pKa-Werte des CuB-Liganden sind deutlich höher als in wässriger Lösung. Die hohen pKa-Werte von His334 zeigen, dass dieser Rest während aller Schritte des katalytischen Zyklus protoniert ist und somit der Oxidationszustand von Fe und Cu den pKa-Wert der CuB-Liganden nicht erniedrigt. Diese Ergebnisse sind nicht vereinbar mit der vorgeschlagenen Rolle von His334 als Schlüsselelement des Pumpmechanismuses. Aufgrund der berechneten pKa-Werten für His334 ist das Protonenpumpmodell, wie es Stuchebrukhov et al. vorgeschlagen, nicht möglich. Auch die pKa-Werte von His333 im CuB-Zentrum sind sowohl im reduzierten als auch im oxidierten Zustand des CuB-Zentrums immer zu höheren Werten hin verschoben. Die pKa-Werte von His333 zeigen, dass dieser Restim Protein protoniert ist. Eine Rolle von His333 im Reaktionsmechanismus der Cytochrom c Oxidase kann damit ebenfalls ausgeschlossen werden.

Further data

Item Type: Doctoral thesis (No information)
Keywords: Theoretische Biophysik; Protonierung; Redoxreaktion; Monte-Carlo-Simulation; Cytochromoxidase; Dichtefunktionaltheorie; pKa Berechnung; Poisson-Boltzmann Elektrostatik; Protonenpumpe; GAUSSIAN 03; Cytochrome c oxidase; Density functional theory; pKa calculations; Redox reaction; Proton pump
DDC Subjects: 500 Science > 540 Chemistry
Institutions of the University: Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Chemistry
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Language: English
Originates at UBT: Yes
URN: urn:nbn:de:bvb:703-opus-4754
Date Deposited: 25 Apr 2014 10:46
Last Modified: 25 Apr 2014 10:47


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