Enhanced sampling methods applied to chemical reactions in proteins
Creators: name: Maag, Denis Mario
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Proton Pumping
Proton Transfer
QM/MM
Molecular Dynamics Simulation
Metadynamics
Thiol-disulfide exchange
Disulfides
Machine Learning

description: Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die mechanistischen Details von Protonentransferreaktionen in zwei Rhodopsinen, Bacteriorhodopsin (BR) und Histidin-Kinase-Rhodopsin (HKR). Beide Proteine sind Transmembran-Photorezeptoren mit einem kovalent gebundenen Retinal, das über eine Schiffsche Base mit einem Lysin verbunden ist. Nach Absorption eines Photons isomerisiert das Retinal und ein Photozyklus wird in Gang gesetzt. Hierbei kommt es zu einer Kaskade von strukturellen Veränderungen die zu mehreren Protonentransfers (PTs) führen. BR nutzt die Energie des Lichts, um ein Proton aus der Zelle zu transportieren. Obwohl die Forschung seit mehr als 45 Jahren andauert, blieb der Mechanismus des letzten PT Schritts weitgehend unklar. Wir zeigen, dass die Reaktion über einen Protonen-Loch-Mechanismus abläuft, der durch einen hochkonservierten Arginin-Rest stabilisiert wird. Freie Energie Rechnungen, die mit quantenmechanischen/molekularmechanischen (QM/MM) Simulationen durchgeführt wurden, weisen eine gute Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen Daten auf. HKR besitzt zwei stabile Zustände, den blauabsorbierenden Rh-Bl- und den ultraviolettabsorbierenden Rh-UV-Zustand, die durch Isomerisierung des Retinals reversibel photokonvertiert werden können. Bei jedem Übergang findet ein Protonentransfer zwischen der Schiff-Base und einem nahegelegenen Aspartat-Rest statt. Über die Funktion und physiologische Rolle von HKR ist wenig bekannt. Des Weiteren gibt es keine Kristallstruktur. Unser Ziel ist es, ein zuvor erstelltes Homologiemodell von HKR zu validieren, indem wir die berechneten Anregungsenergien mit denen aus Experimenten vergleichen. Darüber hinaus wird das freie Energieprofil des ersten PTs mit QM/MM-Simulationen berechnet. Im zweiten Teil der Thesis werden Berechnungen der freien Energie mit einem neuartigen Verfahren durchgeführt, das Mulliken-Ladungen in der Dichtefunktionalen Tight-Binding-Methode (DFTB) als Reaktionskoordinaten verwendet. Der Ansatz wird auf protonengekoppelte Elektronentransfers in einem Modellsystem angewandt und ausgiebig getestet, indem verschiedene Ladungszustände und Konformationen des Systems in der Gasphase und in wässriger Lösung betrachtet werden. Der dritte Teil befasst sich mit den strukturellen Merkmalen und der Energetik von Thiol-Disulfid-Austauschreaktionen. Die Auswirkung sterischer und elektrostatischer Beiträge auf die Regioselektivität in einem Protein unter mechanischem Stress wird in 334 QM/MM-Simulationen mit einer gesamten Simulationsdauer von 5.7 µs untersucht. Wir zeigen, dass die molekulare Umgebung die Reaktion beeinflusst, indem sie die Nukleophilie und Elektrophilie der beteiligten Schwefelatome modifiziert. Dies wird zusätzlich in einem Modellsystem demonstriert, in dem verschiedene externe elektrostatische Potentiale angelegt wurden. Darüber hinaus wird die Genauigkeit der DFTB Methode zur Beschreibung von Thiol-Disulfid-Austauschreaktionen überprüft. Quantitative und qualitative Fehler werden mit einem künstlichen neuronalen Netz und einer speziellen Reaktionsparametrisierung (SRP) korrigiert. Beide Ansätze werden miteinander verglichen, indem der Thiol-Disulfid-Austausch in einem Modellsystem und Blutprotein mit QM/MM-Metadynamik simuliert wird. Wir zeigen, dass die Methoden bei geringen Rechenkosten hochpräzise freie Energieflächen erzeugen.