Influence of the Chromophore-Protein-Interaction on the chromophore isomerisation in Photoactive Yellow Protein

Clemens, Maike

Photoaktivierte Reaktionen sind in der Natur wichtig. Pflanzen wandeln Lichtenergie zu chemischer Energie (Glukose); der menschliche Körper produziert mit Hilfe von Licht Vitamin D, welches z.B. wesentlich für den Knochenaufbau ist; Sehen ist für Menschen nur durch die photoaktivierte Isomerisierung des Rhodopsinchromophors Retinal möglich. Photoactive Yellow Protein (PYP) ist ein Protein, das photoaktivierte Isomerisierung zeigt. PYP ist Modellprotein für die PAS domain super family, bestehend aus Proteinen, die Signale weiterleiten. Der PYP-Chromophor absorbiert blaues Licht, isomerisiert daraufhin, was einen Photozyklus einleitet, der zu strukturellen Änderungen führt. Diese Dissertation untersucht den Einfluss der Chromophorumgebung auf den Anfang des Photozyklus. Der Arg52-Protonierungszustand und die durch den Chromophor gebildeten Wasserstoffbrückenbindungen sind Schwerpunkte der Arbeit. Die Untersuchungen werden mittels QM und MM MD Simulationen durchgeführt. Für QMMM MD Simulationen des angeregten Zustandes wird CASSCF genutzt, bei Berechnungen des Grundzustands das DFT Funktional B3LYP. Alle MM-Bereiche werden mit den Amber03- und GROMOS-Kraftfeldern beschrieben. Übergänge vom angeregten zum Grundzustand an konischen Überschneidungen werden mit Surfaces-Hopping-Algorithmen ermöglicht. Mit einem Chromophormodell in Wasser und Decanol konnten Umgebungseffekte beobachtet werden. Die unterschiedlichen Viskositäten führen zu deutlichen Unterschieden der Deaktivierungskinetik. Der Arg52-Protonierungszustand hat einen deutlichen Effekt auf PYP. Die Proteindynamik in Wasser zeigt, dass die Deprotonierung von Arg52 die Proteinstruktur stört. Im Kristall wird die Delokalisierung des Protons in der Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem Chromophor und Glu46 beobachtet. Auch die Deaktivierungsprozesse werden beeinflusst. Es wird festgestellt, das Arg52 in PYP im Wasser protoniert sein muss, während es im Kristall auch neutral sein kann.

Photoactivated reactions play an important role in nature. Plants convert light energy to glucose, which serves as chemical energy source; with help of light, the human body produces Vitamin D, which is amongst others essential for our bone structure; vision is only possible for humans because of photoactivated isomerisation of the rhodopsin chromophore retinal. One protein showing photoactivated isomerisation is Photoactive Yellow Protein (PYP). This protein is the model protein for the PAS domain super family consisting of signal transduction proteins. The PYP chromophore absorbs blue light and isomerises subsequently, starting a photocycle, which leads to structural changes. This thesis investigates the influence of the chromophore environment on the beginning of the photocycle. The Arg52 protonation state and the hydrogen bonds formed by the chromophore are emphasised. Investigations are carried out using QM and MM MD simulations. For excited states QMMM MD simulations CASSCF is used. For ground state calculations the DFT functional B3LYP is employed. All MM parts are described with the Amber03 and GROMOS force field. Transitions from the excited to the ground state taking place at conical intersections are modelled with a surface hopping algorithm. With a chromophore model in water and decanol environmental effects could be observed. Different viscosity of the solvents leads to considerable changes in the deactivation kinetics. The Arg52 protonation state has considerable influence on PYP. Protein dynamics in water show that the deprotonation of Arg52 leads to a violated protein structure and in crystal the proton in the hydrogen bond between the chromophore and Glu46 is delocalised. Deactivations are also influenced. It can be concluded that Arg52 is protonated for the solvate protein, while it is possible to be neutral in a crystal.

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Clemens, Maike: Influence of the Chromophore-Protein-Interaction on the chromophore isomerisation in Photoactive Yellow Protein. 2014.

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