Color Tuning in Rhodopsin: A QM/MM Study

Frähmcke, Jan Stephan

Diese Arbeit beschreibt die Anwendung von rechnerischen Multi-Skalen-Ansätzen auf Proteine der Rhodopsin Familie um den Ursprung und den Mechanismus der spektralen Abstimmung zu untersuchen. Diese Abstimmung der Absorptionsenergie kann auf zwei unterschiedliche Weisen verstanden werden. Erstens hat die Proteinumgebung einen Einfluss auf das Retinalmolekül und bestimmt die absolute Absorptionsenergie. Rechnungen eröffnen die Möglichkeit, die Einzeleffekte des Proteins (Elektrostatik, sterische und Gegenion-Wechselwirkungen) zu untersuchen. Zweitens wird das Einstellen der Absorptionsenergie durch Veränderungen im Protein spektrale Abstimmung genannt. In dieser Arbeit wird die spekrale Abstimmung zwischen Rhodopsin und dem menschlichen, blauen Sehpigment in den Zapfen (HB), das eine unbekannte Struktur besitzt, untersucht. Ein QM/MM Ansatz mit DFTB als quantenmechanischer (QM) Methode wird benutzt um ein HB-Modell aufzubauen. Die wichtigsten Unterschiede im Protein werden durch eine systematische Suche gefunden. MD Simulationen und die Berechnung der Anregungsenergien helfen, die wahrscheinlichsten Konformationen von geänderten Aminosäuren zu finden. Die Veränderungen in den spektralen Effekten von Proteinelektrostatik oder sterischen Änderungen geben Hinweise auf den Ursprung der spektralen Verschiebung. Das zweite Hauptthema dieser Arbeit ist die Untersuchung des Protonierungszustandes der Glutaminsäure 181 in Rhodopsin. Experimentelle Ergebnisse schlagen entweder eine protonierte oder unprotonierte Form vor. In dieser Arbeit werden experimentelle Ergebnisse (IR, Raman, UV-Vis, NMR und die Reaktivität mit Hydroxylamin) mit rechnerischen QM/MM Methoden berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die experimentellen Ergebnisse nicht falsch sind, aber teilweise falsch interpretiert wurden. Alle Experimente können mit einem Modell mit unprotoniertem Glu181 erklärt werden.

This work describes the application of computational multi-scale approaches on proteins of the rhodopsin family to investigate the origin and mechanism of spectral tuning. This tuning of the absorption energy can be understood in two different ways. First the protein environment has an influence on the retinal molecule tuning the absolute absorption energy. Calculations give the possibility to investigate the single effects of the protein (electrostatics, sterical and counterion interactions). Second the tuning of the absorption energy due to changes in the protein can be called spectral tuning. In this work, the spectral tuning from rhodopsin to the human blue cone visual pigment (HB) with unknown structure is studied. A QM/MM approach with DFTB as the quantum mechanical (QM) method is used to build the model of HB. The most important differences in protein are found via a systematic search. MD simulations and the calculation of excitation energies help to find the most probable conformations of changed amino acids. The difference in spectral effects of protein electrostatics and sterical changes give hints on the origins of the spectral shift. The second main topic of this work is the investigation of the protonation state of glutamic acid 181 in rhodopsin. Experimental results suggest either a protonated or unprotonated form. In this work the experimental results (IR, Raman, UV-vis, NMR, and the reactivity towards hydroxylamine) are calculated with QM/MM methods. The results show that the experimental results are not wrong but their interpretation partly is. All experimental results can be explained with a model with unprotonated Glu181.

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Frähmcke, Jan Stephan: Color Tuning in Rhodopsin: A QM/MM Study. 2012.

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