Datenpaket: Simulation of Long-Range Proton Transfer - Development and Application

Die archaeale Protonenpumpe Bacteriorhodopsin nutzt Sonnenlicht um einen Protonengradienten über der Zellmembran aufzubauen. Der Mechanismus der Energieumwandlung basiert auf einem gut erforschten Photozyklus. Obwohl schon über 45 Jahre an diesem bioenergetischen Modellsystem geforscht wurde, sind noch immer wenig Informationen über den letzten Schritt dieses Photozykluses vorhanden: den Übergang vom O zum Grundzustand (bR). Es wird jedoch angenommen, dass ein langreichweitiger Protonentransfer den bR Zustand wiederherstellt. Diese Arbeit zielt darauf ab, weiteren Aufschluss über die mechanistischen Details und thermodynamischen/kinetischen Eigenschaften des O→bR Übergangs zu geben. Um dies zu bewerkstelligen, wurden computergestütze Rechenmethoden als brauchbare Ergänzung zum Experiment verwendet, da die Handhabung von Membranproteinen und die gesetzten Ziele für experimentelle Methoden eine schwierige Aufgabe darstellen. Zunächst wurden Strukturmodelle mit Hilfe von enhanced sampling Methoden für den O, bR und den O* Intermediatszustand erstellt. Für die Simulation der (langreichweitigen) Protonentransfer- reaktionen wurde ein hybrides QM/MM Set-up basierend auf der semiempirischen Quantenchemie- Methode DFTB3 und dem CHARMM36 Kraftfeld verwendet. Die mit dem Protonentransfer assoziierte Änderung der Gibbs’schen Freien Energie wurde mit Hilfe von Freie-Energie-Techniken in Kombination mit einer fortgeschrittenen Reaktionskoordinate, die auf der center of excess charge- Darstellung basiert, aufgeklärt. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass es sich bei der O→bR Konversion um einen leicht exergonen Prozess handelt, in dem der O* Zustand ein metastabiler Zwischenzustand bildet. Bezüglich des Protonentransfer-Pfads wurde eine interessante Feststellung gemacht: Der langreichweitige Protonentransfer wird über einen Protonen-Loch-/inversen Grotthuss-Mechanismus vollzogen. Zudem wird dieser Ladungstransfer begleitet von der Umorientierung einer funktionell wichtigen, positiv geladenen Arginin Seitenkette sowie der Ausbildung der proton release group. Im Zuge dieser Studien, wurde des Weiteren die Genauigkeit von DFTB3 für Protonentransferreaktionen evaluiert. Die Methode bewies sich als leistungsstark für die Beschreibung dieser Reaktionen mit einer geringfügigen Tendenz für die Unterschätzung von Reaktionsbarrieren. Um diesen Fehler zu korrigieren, der aus der Unterschätzung der kurzreichweitigen Pauli Repulsion in DFTB3 resultiert, wurde die empirische Delta-Pauli Korrektur entwickelt. Allerdings gab es bisher keine Parameter für dieses Model. Daher wurde in dieser Arbeit der erste Parametersatz für CHNO-basierte Molekülsysteme entworfen und an relevanten organischen/biochemischen Systemen evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Delta-Pauli erfolgreich kurzreichweitige Pauli Repulsion in DFTB3 einführt. Dies hat zur Folge, dass Delta-Pauli die Beschreibung von Molekülsystemen bezüglich nichtkovalenter Wechselwirkungen, inter- und intramolekularen Reaktionsbarrieren und Gleichgewichtsgeometrien verbessert.

The archaeal proton pump bacteriorhodopsin uses sunlight to build up a proton gradient across the cell membrane. The mechanism of energy conversion is based on a well investigated photocycle. Despite over 45 years of research on this bioenergetical model system, there is still little information available about the last step of the photocycle: the O→ground (bR) state transition. It is merely assumed that a long-range proton transfer recovers the bR state of bacteriorhodopsin. This work aims to shed further light on the mechanistic details and thermodynamic/kinetic features of the O→bR transition. In order to achieve this, computational methods were used as a viable complement to the experiment since the handling of membrane proteins and the targeted objectives pose a quite involved task to experimental techniques. Initially, structural models for the O, bR and the O* intermediate state were obtained by employing enhanced sampling molecular dynamics simulations. For the simulation of the (long- range) proton transfer reactions, a hybrid QM/MM setup based on the semiempirical quantum chemistry method DFTB3 and the CHARMM36 force field was used. The change of Gibbs free energy associated with the proton transfer was resolved by employing free energy techniques with an advanced reaction coordinate based on the center of excess charge representation. The results indicate that the O→bR conversion represents a slightly exergonic process in which the O* state constitutes a metastable intermediate. Concerning the proton transfer pathway, an interesting finding was made: The long-range proton transfer is accomplished via a proton hole/in- verse Grotthuss mechanism. Moreover, this charge transfer is accompanied by the reorientation of a functionally important, positively charged arginine side chain as well as by the formation of the proton release group. In the course of these studies, DFTB3 was furthermore benchmarked for proton transfer reactions. The method proved to be efficient for the description of these reactions with a small tendency to underestimate reaction barriers. In order to correct for this error, which results from missing short-range Pauli repulsion in DFTB3, the empirical Delta-Pauli correction was developed. However, until now, there were no parameters available for this model. Hence, in this work the first parameter set for CHNO-based molecular systems was derived and benchmarked on relevant organic/biomolecular systems. The results show that Delta-Pauli successfully introduces short-range Pauli repulsion to DFTB3. As a consequence, Delta-Pauli improves the description of molecular systems regarding non-covalent interactions, inter- as well as intramolecular reaction barriers and equilibrium geometries.

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