Computational Analysis of the Proton Transfer to the Secondary Quinone of Type II Photosynthetic Reaction Centers.

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Krammer, Eva-Maria:
Computational Analysis of the Proton Transfer to the Secondary Quinone of Type II Photosynthetic Reaction Centers.
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Für das Leben einer Vielzahl unterschiedlicher Arten wird molekularer Sauerstoff benötigt. Auf der Erde ist der wichtigste Prozess zur Herstellung von molekularem Sauerstoff die Photosynthese. Ein entscheidender Schritt der Photosynthese wird durch den Typ II des photosynthetischen Reaktionszentrums (RC) katalysiert: Die Umwandlung von chemischer Energie in einen elektrochemischen Gradienten durch die Reduzierung und Protonierung eines Coenzym Q Moleküls, dass in der QB Bindungstasche des Proteins gebunden ist. Die Pigmente des Typ II RC, nämlich des pflanzlichen Photosystem II RC (PSII RC) und dessen evolutionären Vorfahren, dem bakteriellen RC (bRC), sind in zwei (pseudo)-symmetrischen Zweigen angeordnet, dem A- und dem B-Zweig. In Typ II RC Proteinen werden die Elektronen entlang des A-Zweiges auf QB übertragen, während der B-Zweig keine Elektronen übertragen kann. In dieser Arbeit wurde der Konservierungsgrad von Resten untersucht, für die eine Beeinflussung der Redoxeigenschaften der Pigmente und der Lenkung des Elektronentransfers entlang des A-Zweiges bekannt ist. Die Qualität einer Konservierungsanalyse hängt massgeblich von einem korrekten multiplen Sequenzalignment ab. Da bRC und PSII RC nur eine sehr kleine Sequenzidentität haben, wurden profile Hidden Markov Modelle verwendet, welche die strukturellen Informationen der Proteine berücksichten, um ein korrektes Alignment zu erhalten. Die Konservierungsanalyse zeigte, dass die Abstimmung von Redoxeigenschaften der Pigmente und die Lenkung des Elektronentransfers im bRC konserviert sind, aber in PSII RC abweichen. Zwischen bRC und PSII RC Proteinen gibt es dementsprechend auch Unterschiede in den Eigenschaften der beiden Coenzym Q (QA und QB) Bindungstaschen, die es ermöglichen, dass im PSII RC QA unter Stressbedingungen (wie hoher Lichtintensität) protonieren kann, während eine solche Protonierung im bRC nicht möglich ist. Interessanterweise wurden im bRC von Rhodobacter (Rb.) sphaeroides zwei alternative Bindungspositionen für QB (proximal und distal) festgestellt. Experimente deuteten an, dass QB seine Orientierung um 180 Grad ändert, während es sich von der distalen in die proximale Position bewegt. Zusammen mit kristallographischen Experimenten zeigten meine quantenchemischen und elektrostatischen Berechnungen, dass im bRC von Rb. sphaeroides QB wahrscheinlich die gleiche Orientierung in beiden Positionen einnimmt. Eine Kopplung des Protonierungszustands der terminalen Protonendonoren (GluL212 und AspL213 der L Untereinheit) und der Population der beiden QB Bindungspositionen erklärt die beobachtete pH- und Zustandsabhängigkeit der QB Population. Darüber hinaus müssen diese Reste protoniert sein, um das erste Reaktionszwischenprodukt, das zellschädigende Semichinon gebunden zu halten. Im Unterschied zum Elektronentransfer entlang des A-Zweiges unterscheidet sich der Mechanismus des Protonentransfers zu QB massgeblich zwischen PSII RC und bRC. Im bRC von Rb. sphaeroides wurden die wesentlichen Reste des Protontransfers zu QB experimentell bestimmt und Protoneneintrittspunkte wurden vorgeschlagen. Die genaue Organisation des Protonentransfers zu QB ist allerdings nicht bekannt. Zwei sich ausschliessende Ideen werden diskutiert: Die Protonen werden entweder über unterschiedliche Pfade oder über ein grosses Netzwerk ohne klar definierte Pfade, einem Protonenschwamm, transportiert. Die Auswertung eines multiplen Sequenzalignments der bRC Untereinheiten zeigte, dass die wesentlichen, nicht auf der Proteinoberfläche liegenden Reste des Protonentransfers konserviert sind. Die vorgeschlagenen Protoneneintrittspunkte sind aber nicht im gleichen Ausmass konserviert. Zusätzlich zeigte die Auswertung des Wasserstoffbrückennetzwerks der bRC Proteine von Rb. sphaeroides und Blastochloris viridis jeweils ein grosses Netzwerk, dass vom Cytoplasma bis zur QB Bindungstasche reicht. Interessanterweise haben diese Netzwerke einen ähnlichen Aufbau und beinhalten alle wesentlichen nicht auf der Oberfläche liegenden Reste des Protonentransfers, unterscheiden sich aber in den ermittelten Protoneneintrittspunkten. Sowohl die Konservierungsstudie und als auch die Analyse des Netzwerkes widersprechen der Idee von unabhängigen Protonentransferpfaden und unterstützen die Idee des Protonenschwamms. Durch die Kombination unterschiedlicher Ansätze wie der Konservierungsanalyse basierend auf multiplen Sequenzalignments, der Kontinuumselektrostatik, der Quantenchemie und der Analyse der Wasserstoffbrückennetzwerke, gelang es in dieser Arbeit ein breiteres Wissen "uber die molekularen Details der QB Bindingungstasche und des Elektronen- und Protonentransfer zu QB zu gewinnen.

Abstract in weiterer Sprache

For the life of a huge variety of different species molecular oxygen is needed. Photosynthesis is the main process on earth that produces molecular oxygen. A crucial step in photosynthesis is catalyzed by the Type II photosynthetic reaction center (RC): the conversion of chemical energy into an electrochemical gradient by reducing and protonating a Coenzyme Q bound in the QB binding site of the protein. The pigments of Type II RC, namely of the plant Photosystem II RC (PSII RC) and of its evolutionary ancestor, the bacterial RC (bRC), are arranged in two (pseudo-)symmetrical branches, the A- and the B-branch. In Type II RC proteins, the electrons are transferred to QB via the A-branch while the B-branch is electron-transfer inactive. In the thesis presented here the degree of conservation was analyzed for residues that tune the redox properties of the pigments and direct the electron transfer along the A-branch. The quality of such a conservation analysis depends critically on a correct multiple sequence alignment. Since the bRC and PSII RC share only very little sequence identity, profile Hidden Markov Models including structural information of the bRC and PSII RC were used to ensure a correct alignment. The conservation analysis showed that the tuning of the pigment redox properties and direction of electron transfer are conserved in bRC proteins but differ in PSII RC proteins. Correspondingly the character of the two Coenzyme Q (QA and QB) binding sites differs between PSII RC and bRC making it possible, that in PSII RC proteins Q$_{rm A}$ can be protonated under stress conditions (such as high light) whereas such a protonation is not possible in the bRC. Interestingly, two alternative binding positions (proximal and distal) have been observed for QB in the bRC of Rhodobacter (Rb.) sphaeroides. Experiments indicated, that QB changes its orientation by 180 degree during movement from the distal to the proximal position. Together with crystallographic experiments, my quantum chemical and continuum electrostatic calculations showed that QB is likely to have the same orientation in both binding positions. A coupling between the protonation of the ultimate proton donor groups (GluL212 and AspL213 of the L subunit) and the population of the two QB positions was identified explaining the observed pH- and illumination state dependence of the QB population. Moreover the protonation of these residues is needed to keep the first reaction intermediate, the potentially cell damaging semiquinone state, bound to the protein. In contrast to the electron transfer via the A-branch, the mechanism of proton transfer to Q$_{rm B}$ differs significantly between PSII RC and bRC. For the bRC of Rb. sphaeroides key residues of the proton transfer to QB were experimentally determined and proton entry points have been proposed. However, the exact organization of proton transfer to QB is still not known. Two alternative ideas are debated: either the protons are transferred via distinct proton transfer pathways or via a huge network without distinct pathways, a proton sponge. The analysis of a multiple sequence alignment for the bRC subunits showed, that while the non-surface key residues of the proton transfer to QB are conserved, the proposed proton entry points are not conserved to the same extent. In addition, the hydrogen bonded network analysis revealed a huge network spanning from the cytoplasm to QB in the bRC of Rb. sphaeroides and Blastochloris viridis. Interestingly, these networks show a similar organization and both include all important non-surface key residues, but the networks differ in respect of the determined proton entry points. Both, the analysis of the conservation study and of the hydrogen bonded network, counter the idea of distinct proton transfer pathways and heavily support the idea of a proton sponge. By the combination of different approaches, such as conservation analysis based on multiple sequence alignments, continuum electrostatics, quantum mechanics and hydrogen bond network analysis, the work presented here succeeded in gaining further insights into the molecular details of the QB binding site and the proton and electron transfer reactions to QB.