Simulation of Long-Range Proton Transfer - Development and Application
Creators: name: Mast, Thilo Gunter
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: proton transfer reactions
bacteriorhodopsin
proton pump
grotthuss mechanism
hydronium
proton hole
molecular mechanics
molecular dynamics simulations
hybrid QM/MM simulations
reaction coordinates
center of excess charge
free energy simulations
enhanced sampling
umbrella sampling
metadynamics
hamiltonian replica exchange
non-covalent interactions
Pauli repulsion
rotational barriers
dispersion
density functional tight binding
dftb
long-range corrected density functional tight binding
lc-dftb

description: 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 thermody-
namischen/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 asso-
ziierte 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 exer-
gonen Prozess handelt, in dem der O* Zustand ein metastabiler Zwischenzustand bildet. Bezüglich
des Protonentransfer-Pfads wurde eine interessante Feststellung gemacht: Der langreichweitige Pro-
tonentransfer 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 Protonentransfer-
reaktionen evaluiert. Die Methode bewies sich als leistungsstark für die Beschreibung dieser Reak-
tionen 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 Pa-
rameter 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 Gleichge-
wichtsgeometrien verbessert.