Enhanced sampling methods applied to chemical reactions in proteins

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. ... mehrObwohl 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.

The first part of this thesis aims to provide mechanistic details about proton transfer reactions in two rhodopsins, bacteriorhodopsin (BR) and histidine kinase rhodopsin (HKR). Both proteins are transmembrane photoreceptors with a covalently bound retinal, that is linked to a lysine via a Schiff base. Upon photon absorption, the retinal isomerizes and triggers a photocycle in which a cascade of structural rearrangements takes place, accompanied by proton transfers (PTs).
BR uses the energy of the light to release one proton to the extracellular side. Despite more than 45 years of research, the mechanism of the final long-range PT remained largely unclear. ... mehrWe show that the reaction proceeds via a proton-hole mechanism that is stabilized by a highly conserved arginine residue. The free energy profile, obtained with extensive quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) free energy simulations, is in good agreement with available experimental data.
HKR exhibits two stable states, blue absorbing Rh-Bl and ultraviolet absorbing Rh-UV, which can be reversibly photoconverted by isomerization of the retinal. Each transition features a proton transfer between the Schiff base and a nearby aspartate residue. Little is known about the function and physiological role of HKR. Furthermore, there is no crystal structure available. We aim to validate homology model of HKR by comparing excitation energies obtained from the model with those from experiments. In addition, the free energy profiles of the first PT is calculated with QM/MM free energy simulations.

In the second part, free energy calculations are performed with a novel framework that uses Mulliken charges in the density-functional tight binding (DFTB) method as reaction coordinates. The approach is applied to proton-coupled electron transfers in a model system and extensively tested by considering different charge states and conformations of the system in the gas phase and in aqueous solution.

The third part addresses the structural features and energetics of thiol-disulfide exchanges. The effect of steric and electrostatic contributions on the regioselectivity in a protein under mechanical stress is investigated in 334 QM/MM simulations with a total sampling time of 5.7 µs. We show that the molecular environment directs the reaction by modulating the nucleophilicity and electrophilicity of the involved sulfur atoms. This is further demonstrated in a model system with varied artificial external electrostatic potentials.
In addition, the accuracy of DFTB for the description of thiol-disulfide exchange is reviewed. Quantitative and qualitative errors are corrected with an artificial neural network and a special reaction parameterization (SRP). Both approaches are benchmarked with QM/MM metadynamics of thiol-disulfide exchange in a model system and blood protein. We show that the methodologies generate highly accurate free energy surfaces at low computational cost.