Application and Development of Charge Transfer Simulations in Biological and Organic Systems
Creators: name: Holub, Daniel
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Charge transfer
Photolyase
Cryptochrome
Proton transfer
Organic semiconductors
QM/MM study
j DFTB

description: Diese Arbeit zeigt eine theoretische Untersuchung von lichtinduzierten Ladungstransferprozessen in der Proteinfamilie der Photolyasen/Cryptochrome, als prominentes Beispiel. Während Photolyasen lichtinduzierte DNA-Schäden reparieren, sind Cryptochrome Signalmoleküle, welche die Lichtreaktion vermitteln. Beide haben eine homologe Proteinstruktur und einen Flavin-Adenin-Dinukleotid Kofaktor, der ihre biologischen Funktionen durch Ladungstransferprozesse ermöglicht. Diese weisen einen signifikanten nicht-gleichgewichts Charakter auf, welcher es für die etablierten Ladungstransfertheorien schwierig macht die richtige Kinetik vorherzusagen. Daher wird in diese Arbeit eine hybride Multi-Skalen Simulationsmethode verwendet, die klassische und Quantendynamikansätze kombiniert und nicht auf der Annahme von Gleichgewichtsprozessen basiert ist. Dieses Multi-Skalen Methode wurde angewendet, gebenchmarkt und weiterentwickelt, um die Genauigkeit der Quantenbeschreibung zu untersuchen und zu erhöhen. Dies erhöhte auch die Übertragbarkeit auf Studien zum Ladungstransfer in anderen molekularen Systemen. Darüber hinaus bietet diese Methode eine praktikable Alternative zu teuren zeitaufgelösten Spektroskopie-Verfahren, hinsichtlich der Charakterisierung von Ladungstranferprozessen in den Photolyasen und Cryptochromen. In experimentellen Studien mit PhrB, einer Photolyase von A. tumefaciens, war es nicht möglich, die Kinetik der Ladungstranferprozesse aufzulösen. Daher wurde in dieser Arbeit die Multi-Skalen Methode verwendet, um den Ladungstransfer in PhrB zu charakterisieren. Insbesondere das Vorhandensein von einem Tyrosin, anstelle von Tryptophan, im Ladungstransfer Pfad wurde untersucht. Daher wurden Molekulardynamik-Simulationen von Mutanten genutzt um eine Struktur-Funktionsbeziehung zu erstellen und ein getunnelter Ladungstransfer wurde vorgeschlagen, der die erste Aminosäure des Pfades involviert. Weitere Simulationen zeigten, dass das angrenzende Wasser einen Transfer entlang des energetisch ungünstigen Tyrosins ermöglicht, während ein Tryptophan den Rücktransfer erleichtert. PhrA, eine weitere Photolyase von A. tumefaciens, wurde untersucht, um die Ladungstranferprozesse entlang alternativer Pfade aufzuklären. Es wurden unterschiedliche Verhaltensweisen der Kinetik des Ladungstransfers beobachtet. Ein Pfad bietet einen schnellen Transfer, während der Andere eine bessere Stabilisierung der Ladung ermöglicht. Der Ladungstransfer in Photolyasen und Cryptochromen löst weitere Prozesse aus, wie zum Beispiel einen Protonentransfer zum Kofaktor oder strukturelle Umlagerungen des Reaktionszentrums. In der E. coli Photolyase kann der Kofaktor protoniert werden, jedoch ist der Protonendonator und der Mechanismus unklar. Darüber hinaus zeigten experimentelle Mutationsstudien, dass die Einbringung eines Protonendonators in die Tasche des Kofaktors die Protonierung verhindert. Daher wurden klassische und Quantendynamik Simulationen durchgeführt und ein Protonentransfermechanismus bestimmt. Simulationen einer Mutante zeigten, dass die Flexibilität und die Coulomb-Wechselwirkungen der Tasche nicht durch den Austausch von einer oder zwei Aminosäuren verändert werden kann. Somit kann eine Protonentransferfähigkeit nicht eingeführt werden, auch wenn die Mutanten scheinbar die entscheidenden strukturellen Muster aufweisen.