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 thermody-
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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.

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
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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 re-
actions. 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.