Simulation and analysis of docking and molecular dynamics of electron-transfer protein complexes

Abstract

In this work, the dynamics of some electron-transfer protein complexes involved in photosynthesis were investigated theoretically. Protein association, electron-transfer paths, protonation probabilities, and the similarity of isofunctional proteins were explored. For these investigations, several methods were not only combined, but also further developed.

The coupling between the electron and proton transfer between the quinones in the bacterial photosynthetic reaction center was studied by a continuum electrostatic method. The existent method was extended in two respects. Not only the protonation but also the redox state of the quinones were considered and conformational variability was allowed in the calculation. Based on the calculated reaction energies, a sequence for the electron-transfer and protonation reactions was proposed.

The analysis of the association of plastocyanin and cytochrome f was done in several steps. First, Monte Carlo sampling was used to generate docked complexes. The molecular configurations were grouped into six families by a cluster algorithm. Then the six configurations having the lowest energies, one from each family, were used as starting point of a molecular dynamics simulation. Furthermore, the relative binding energy and relative electronic coupling between the copper and heme sites in the six configurations was analyzed.

The blue copper protein plastocyanin and the heme protein cytochrome c6 differ in composition and in structure, but perform the same function in the photosynthetic electron-transport chain. These two proteins are compared on the basis of their electrostatic potentials in order to understand the structural basis of their functional equivalence. On the basis of the alignments of plastocyanin and cytochrome c6 , the docking and the electron- transfer reactions of these two proteins with its physiological reaction partner cytochrome f were analyzed.

Ferredoxin and flavodoxin are two isofunctional proteins that differ not only in structure but also in size. Nevertheless they perform the same physiological function. Both molecules are superimposed based on their electrostatic potentials and their interaction with their reaction partners is discussed. Two superpositions were found in which both molecules completely overlap. The molecules are, however, not concentric in these superpositions, which is in agreement with recent electron microscopic studies on photosystem I crosslinked to ferredoxin and flavodoxin.

In dieser Arbeit wurde die Dynamik von einigen Elektronentransfer- Proteinkomplex en, die an der Photosynthese beteiligt sind, theoretisch untersucht. Dabei wurden Proteinassoziation, Elektronentransfer-Pfade, Protonierungswahrscheinlichkeiten sowie die Ähnlichkeit isofunktionaler Proteine betrachtet. Für diese Untersuchungen wurden nicht nur verschiedene Methoden kombiniert, sondern auch weiterentwickelt.

Die Kopplung von Elektronen- und Protonentransfer im bakteriellen photosynthetischen Reaktionszentrum wurde mit Hilfe einer kontinuumselektrostatischen Methode untersucht. Eine existierende Methode konnte in zweierlei Hinsicht erweitert werden. Zum einen wurden nicht nur die Protonierungszustände, sondern auch die Redoxzustände der Chinone berücksichtigt, und zum anderen wurde konformationelle Variabilität in den Berechnungen zugelassen. Basierend auf den berechneten Reaktionsenergien, wurde eine Sequenz für die Elektronentransfer- und Protonierungsreaktionen vorgeschlagen.

Die Untersuchung der Assozitation von Plastocyanin und Cytochrom f wurde in mehreren Schritten durchgeführt. Zuerst wurde eine Monte-Carlo-Simulation benutzt, um gedockte Komplexe zu generieren. Die molekularen Konfigurationen wurden durch einen Cluster-Algorithmus in sechs Familien zusammengefaßt. Dann wurden die Konfigurationen mit der niedrigsten Energie aus jedem der sechs Cluster als Startstruktur einer Molekulardynamik-Simulation verwendet. Weiterhin wurden die relative Bindungsenergien und die relative elektronische Kopplung zwischen dem Kupferatom und der Häm-Gruppe in den sechs Konfigurationen analysiert.

Das blaue Kupferprotein Plastocyanin und das Häm-Protein Cytochrom c6 unterscheiden sich in Zusammensetzung und Struktur, aber können die gleiche Funktion in der photosynthetischen Elektronentransferkette ausüben. Diese beiden Proteine wurden auf der Grundlage ihrer elektrostatischen Potentiale verglichen, um die strukturelle Basis ihrer funktionellen Equivalenz zu verstehen. Auf Grundlage der Überlagerungen von Plastocyanin und Cytochrom c6 wurde das Docking und die Elektronentransferreakt ion dieser beiden Proteine mit ihrem physiologischen Partner Cytochrom f analysiert.

Ferredoxin und Flavodoxin sind zwei isofunktionale Proteine, die sich nicht nur in ihrer Struktur, sondern auch in ihrer Größe unterscheiden. Nichtsdestotrotz erfüllen sie dieselbe physiologische Funktion. Beide Proteine wurden aufgrund ihrer elektrostatischen Potentiale überlagert. Zwei Überlagerungen, in denen beide Moleküle komplett überlappen, wurden gefunden. Die Moleküle sind jedoch nicht konzentrisch in diesen Überlagerungen. Dieses Ergebnis ist in Einklang mit elektronenmikroskopischen Studien an kovalenten Komplexen von Photosystem I mit Ferredoxin und Flavodoxin.