dc.contributor.author
Popovic, Dragan
dc.date.accessioned
2018-06-08T00:21:53Z
dc.date.available
2002-01-25T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/11831
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-16029
dc.description
Title
Contents
1\. Introduction
2\. Titration curves of proteins
2.1. Introduction
2.2. Continuum electrostatic calculations
2.3. Monte Carlo titration
3\. The respiratory electron transport chain
3.1. Coupling of oxidative phosphorylation to electron transport
3.2. Electron transport
4\. Orientation of axially ligated imidazoles in heme-proteins
4.1. Introduction
4.2. Methods
4.3. Results and Discussions
4.4. Conclusions
5\. Modeling and structure validation of the artificial cytochrome b
5.1. Introduction
5.2. Methods
5.3. Results and Discussions
6\. Redox potential and protonation pattern of native and artificial
cytochrome b
6.1. Methods
6.2. Results and Discussions
6.2.1. Calculations on the artificial cytochrome b
6.2.2. Calculations on the native cytochrome b
6.2.3. Redox titration
6.3. Conclusions
7\. Radical transfer in DNA photolyase
7.1. Introduction
7.2. Methods
7.3. Results and Discussions
7.4. Conclusion
Abstract
Bibliography
Appendix
dc.description.abstract
In present work, the electrostatic interactions governing the electron
transfer (ET) processes in several proteins with redox-active cofactors were
investigated theoretically. For these purposes, several methods were combined
and applied to elucidate the function of a number of protein systems. Our
attention was focused on calculating the energetics of the protonation and
oxidation processes in redox-active proteins. The coupling between electron
and proton transfer reactions, which is of the electrostatic nature was
studied by using a continuum electrostatic method. The pH dependence of the
redox potentials in proteins (the so-called redox-Bohr effect) was
investigated using the available methods. The heme-proteins that have axially
coordinated histidines to the heme iron, as for instance the mitochondrial
cytochrome bc1 (Cbc1) protein complex involved in the respiratory electron
transport chain and the artificial cytochrome b (Cb) were studied. The
protonation and redox behavior of several other cofactors and redox-active
residues in DNA photolyase were also investigated. The results of the
theoretical work presented here, are divided into three mutually related
parts.
In first part, factors determining the orientations of imidazole axially
coordinated to heme were investigated by analyzing 693 hemes in 432 crystal
structures of heme-proteins from the Protein Data Bank (PDB). The results from
the PDB data mining were interpreted by evaluating the corresponding relevant
interactions with molecular force field computations.
An important contribution made with this doctoral work was the procedure to
generate the atomic coordinates of the model structure of an artificial
protein from scratch, by using a sophisticated modeling technique with
stepwise energy relaxation. This quite new approach was applied on the de novo
synthetic protein recently synthesized by Rau & Haehnel (1998), which mimics
the central part of the four-helix bundle of the native cytochrome b. The
stability of the computer generated structure was tested by monitoring the
conformational changes and fluctuations during a long-term molecular dynamics
simulation and by comparing the results with values obtained from the crystal
structure of a native Cb. The results of the MD simulations suggest that the
modeled structure is stable and strain free.
In third part, the protonation and oxidation probabilities of titratable
groups were computed simultaneously by the continuum electrostatic method,
solving the linearized Poisson-Boltzmann equation (LPBE) numerically on a grid
with a subsequent Monte Carlo titration of all titratable groups in the
protein. Quantum-chemical computations were carried out for each bis-
imidazole-heme system yielding atomic partial charges that represent
faithfully the electrostatic potentials of these redox-active groups in their
neighborhood. The theoretical frame work applied here allows to calculate
protonation and oxidation patterns of proteins as a function of pH and redox
potential of the solution. The existent method was extended to perform the
redox titration of a protein, by varying the solution potential and keeping
the pH value constant. In this way, I obtained valuable insights about the
function of redox centers in proteins.
The continuum electrostatic approach was applied on the artificial and native
Cb to examine the titration behavior of ionizable residues, to evaluate the
redox potential of the hemes and to study phenomena related to the Bohr
effect. The factors that determine the redox potential of the two hemes in the
artificial Cb were analyzed in terms of the influence of different structural
parts, enabling us to understand how the protein environment tunes the redox
potentials of cofactors. In order to investigate the energetics of the
photoactivation process, and to determine the redox potential of different
redox pairs (tryptophans, tyrosines, FAD) involved in electron and proton
transfer reactions in the DNA photolyase from E. coli, the same approach was
applied there. An empirical expression (based on the Marcus theory) was used
to estimate the rates of ET reactions.
Good agreement between calculated and experimentally observed titration
behavior and the reaction rates, suggests that the applied theoretical method
captures most of the electrostatic behavior in these systems, even though it
ignores conformational fluctuations and the differences in the average
structures that may exist between crystal and solution. It also indicates that
electrostatic interactions are the most relevant for these protein systems,
while non-electrostatic interactions that are theoretically less easy
accessible, play a minor role.
de
dc.description.abstract
In dieser Arbeit wurde redoxaktive Kofaktoren, die an
Elektronentransferprozesse (ET) in Proteinen beteiligt sind durch Berechnung
der elektrostatischen Energien untersucht. Das Hauptaugenmerk war dabei auf
die Berechnung der Energien der Protonierungs- und Oxidationsreaktionen in
Redoxproteinen gerichtet. Die Kopplungen zwischen Protonierungs- und
Elektronentransferreaktionen und die pH Abhängigkeit von Redoxpotentialen in
Proteinen (der sogenannte Bohr Effekt) wurden mit Methoden der
elektrostatischer Kontinuum untersucht. Häm-Proteine, in denen die Histidine
axial an das Häm-Eisen koordinieren, wie zum Beispiel das mitochondriale
Cytochrom bc1 (Cbc1), das in der Atmungskette am Elektronentransport beteiligt
ist, und das künstliche Cytochrom b (Cb) wurden untersucht. Das Protonierungs-
und Redoxverhalten von Flavin, Tryptophanen und Tyrosin in DNA Photolyase
wurde ebenfalls untersucht. Die hier präsentierte Ergebnisse der theoretischen
Untersuchungen wurden in drei Abschnitten beschreiben.
Die Faktoren, die die Orientierung der Häm axial an koordinierten Imidazole
beeinflussen, wurden durch die Analyse von 693 Häm aus 432 Kristallstrukturen
von Häm-Proteinen aus der Protein Data Bank (PDB) bestimmt. Die Ergebnisse der
Datenbanksuche wurden mit Hilfe von molekularen Kraftfeld Simulationen
interpretiert, wobei die relevanten Interaktionen verglichen wurden.
Im zweiten Teil wurden die Atomkoordinaten eines künstlichen Proteins
generiert, wobei eine sehr aufwendige Modelling Technik mit schrittweiser
Energierelaxierung eingesetzt wurde. Dieser neue Ansatz wurde auf ein de novo
synthetisches Protein angewendet, das von Rau & Hähnel (1998) synthetisiert
wurde, und welches den zentralen Teil des four-helix bundle des nativen
Cytochrom b's nachbildet. Die Stabilität der computergenerierten Strukturen
wurde getestet, in dem bei Langzeit-Dynamiksimulationen die
Konformationsänderungen und Fluktuationen mit den Ergebnissen der gleichen
Simulationen der Kristallstruktur des nativen Cb verglichen wurden. Die
Ergebnisse der MD Simulationen zeigen, daß die computergenerierte Struktur
stabil und relaxiert ist.
Die Protonierungs- und Oxidationswahrscheinlichkeiten titrierbarer Gruppen
wurden gleichzeitig mit Hilfe der Kontinuumselektrostatik Methode berechnet,
bei der die linearisierte Poisson-Boltzmann Gleichung (LPBE) numerisch auf
einem Gitter gelöst wird und anschließend eine Monte Carlo Titration aller
titrierbaren Gruppen im Protein durchgeführt wird. Die quantenchemischen
Rechnungen wurden für jedes bis-Imidazol-Häm System ausgeführt und lieferten
die atomaren Partialladungen, die die elektrostatischen Potentiale der redox-
aktiven Gruppen in der Nachbarschaft wiedergeben. Die angewendeten
theoretische Methoden erlaubten es, die Protonierungs- und Oxidationsmuster
des Proteins als eine Funktion des pHs und des Redoxpotentials der Lösung zu
berechnen. Die bestehenden Methoden wurden erweitert, um Redoxtitrationen
eines Proteins auszuführen, bei denen das Lösungspotential variiert wurde und
der pH konstant gehalten wurde. Auf diese Art und Weise konnten wertvolle
Einblicke in die Funktionsweisen von Redoxzentren in Proteinen gewonnen
werden.
Im tritten Teil wurde der Ansatz der Kontinuumselektrostatik auf das
künstliche und native Cb angewendet, um das Titrationsverhalten der
ionisierbaren Residuen zu untersuchen, das Redoxpotential der Häm zu berechnen
und die mit dem Bohr Effekt zusammenhängenden Phänomene zu untersuchen. Der
Einfluss von unterschiedlichen strukturellen Faktoren auf das Redoxpotential
der zwei Häm Gruppen im künstlichen Cb wurde untersucht. Dies ermöglichte es
zu verstehen, wie die Proteinumgebung das Redoxpotential von Kofaktoren
anpasst. Um die Energetik der Photoreaktivierung und die Redoxpotentiale der
unterschiedlichen Redoxpaare (Tryptophane, Tyrosine, FAD) zu untersuchen, die
an dem Elektronen- und Protonentransfer in DNA Photolyase aus E. coli
beteiligt sind, wurde der gleiche Ansatz wie beim Cytochrom b angewendet. Eine
empirische Gleichung (basierend auf der Marcus Theorie) wurde verwendet, um
die Raten der ET Reaktion abzuschätzen.
Gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und dem experimentell
ermittelten Titrationsverhalten und den Reaktionsraten deutet an, daß die
angewendete theoretische Methode geeignet ist und das elektrostatische
Verhalten in solchen Systemen widerspiegelt, obwohl Änderungen der
Konformation und Unterschiede in den gemittelten Strukturen, die zwischen
Kristall und Lösung bestehen mögen. Es zeigt auch an, daß die
elektrostatischen Wechselwirkungen für Proteine die wohl wichtigste Rolle
spielen, während nicht-elektrostatische Wechselwirkungen, die theoretisch weit
schwieriger zugänglich sind, offenbar weniger wichtig sind.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
protein electrostatics
dc.subject
electron and proton transfer
dc.subject
redox-potential
dc.subject
native and artificial cytochrome b
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
dc.title
Modeling of Conformation and Redox Potentials of Hemes and other Cofactors in
Proteins
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Ernst-Walter Knapp
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Hans Ulrich Reißig
dc.date.accepted
2002-01-15
dc.date.embargoEnd
2002-01-31
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2002000120
dc.title.translated
Modellierung der Konformation und Redoxpotentials von Häm und anderen
Kofaktoren in Proteinen
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000000605
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2002/12/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000000605
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free
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open access