Computational analysis of the proton transfer to the secondary quinone of type II photosynthetic reaction centers [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Eva-Maria Krammer

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• Publié par: universitat_bayreuth
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 14
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Computational Analysis of the Proton Transfer to the
Secondary Quinone of Type II Photosynthetic
Reaction Centers.
Dissertation zur Erlangung der Doktorwurde
der Fakult at fur Biologie, Chemie und Geowissenschaften
der Unversit at Bayreuth
vorgelegt von
Eva-Maria Krammer
2008Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von Juni 2005 bis November 2008 an der Universitat
Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Matthias Ullmann angefertigt.
Vollstandiger Abdruck der von der Fakultat fuer Biologie, Chemie und Geowissenschaften der Uni-
versitat Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades des Doktors
der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
Datum der Einreichung der Arbeit: 05. 12. 2008
Datum des wisschenschaftlichen Kolloquiums: 27. 04. 2009
Prufungsausschuss: Prof. Dr. Matthias Ullmann (Erstgutachter)
Pr huss: Prof. Dr. Holger Dobbeck (Zweitgutachter)
Prufungsausschuss: Prof. Dr. Thomas Hellweg (Vorsitzender)
Pr huss: Prof. Dr. Stephan Clemens4 Contents
test
Mein herzlicher Dank geht an:
Prof. Dr. Matthias Ullmann fur die die ekzellente fachliche Unterstutzung, fur die vielen in-
teressanten und ergebnissreichen Diskussionen, sowie fur die ausserordentlich guten Arbeits-
bedingungen in seiner Gruppe.
Prof. Dr. Pierre Sebban (Universite Paris-Sud, Frankreich) fur die ergebniss- und aufschlussrei-
che Zusammenarbeit und die spannenden und lehrreichen Forschungsaufenthalte in seiner
Gruppe. Merci beaucoup!
Dr. Gun ther Fritzsch und Dr. Jurgen Kopk e (Max-Planck-Insitut fur Biophysik in Frank-
furt am Main) fur die gute Zusammenarbeit und fur die Bereitstellung von benotigen
Rontgenkristallstrukturen noch vor deren Vero entlichung.
Timm Essigke fur die hervoragende und ergebnissreiche Zusammenarbeit, fur stetiges Interesse
an immer neuen Ergebnisstabellen, fur das Korrekturlesen dieser Arbeit, und fur stets schnelle
und kompetente Hilfe nicht nur bei Computerproblemen.
Mirco Till fur die interessante und produktive Zusammenarbeit sowie fur die Umsetzung von
Ideen in Programmen.
Der Arbeitsgruppe Strukturbiologie/Bioinformatik insbesondere Astrid, Torsten, Timm und
Silke fur die nette und freundschaftliche Atmosphare in und ausserhalb der B14.
Christian Dahlmann, weil er mir immer zur Seite steht.
Meinen Eltern, deren vielfaltigen und ganz unterschiedlichen Betrage zum Gelingen dieser
Arbeit ich nicht in einen Satz zufassen vermag.
Meinen Freundinnen Hanna Berkner, Anna Foik und Nina Link. Ohne Euch waren die letzten
Jahre nicht das Gleiche gewesen.
Allen meiner Familie, meiner Verwandten, meiner Freunde und meiner Arbeitskollegen, die hier
aus Platzgrunden nicht zu Genuge erwahnt wurden und doch einen erheblichen Teil meines
Lebens ausmachen. Danke!CONTENTS 5
Contents
Summary 7
Zusammenfassung 8
Type II Photosynthetic Reaction Centers 10
1thesis and the Photosynthetic Reaction Center . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1 Components of the Photosynthetic Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Evolution of Photosynthetic Reaction Centers . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Structural Organization and Function of Type II Reaction Centers . . . . . . 13
2 Mechanism of the Bacterial Reaction Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 The Coenzyme Q Binding Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Proposed Catalytic Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Proton Transfer to Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24B
3 Aim of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Synopsis of the Manuscripts 30
Bibliography 35
List of Abbreviations 49
Manuscripts 51
List of Manuscripts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Manuscript A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Manuscript B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Manuscript C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Manuscript D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Manuscript E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Manuscript F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Manuscript G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Appendix 93
Pro le Hidden Markov Models 95
1 Markov Chains and Hidden Markov Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1.1 Markov Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1.2 Components of Hidden Markov Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986 Contents
1.3 Construction of a Hidden Markov Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2 A Pro le Hidden Markov Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.1 De nition of the pro le Hidden Markov Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.2 Organization of a pro le Hidden Markov Model . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.3 Construction of a pro le Hidden Markov Model . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.4 Calculation of Emission Probabilities: Scoring Matrix and Gap Penalties . . 107
2.5 Multiple Sequence Alignment with a pro le Hidden Markov Model. . . . . . 109
2.6 Limitations and Advantages of the pro le Hidden Markov Model Approach. 112
3. Biliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4 List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Summary 7
Summary
For the life of a huge variety of di erent 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 Q via the A-branch while the B-branch is electron-transfer inactive. In theB
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, pro le 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 di er in PSII RC proteins. Correspondingly
the character of the two Coenzyme Q (Q and Q ) binding sites di ers between PSII RC andA B
bRC making it possible, that in PSII RC proteins Q can be protonated under stress conditionsA
(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
Q in the bRC of Rhodobacter (Rb.) sphaeroides. Experiments indicated, that Q changes itsB B
orientation by 180 during movement from the distal to the proximal position. Together with crys-
tallographic experiments, my quantum chemical and continuum electrostatic calculations showed
that Q is likely to have the same orientation in both binding positions. A coupling between theB
protonation of the ultimate proton donor groups (GluL212 and AspL213 of the L subunit) and the
population of the two Q positions was identi ed explaining the observed pH- and illuminationB
state dependence of the Q population. Moreover the protonation of these residues is needed toB
:keep the rst reaction intermediate, the potentially cell damaging semiquinone state Q , bound
to the protein.
In contrast to the electron transfer via the A-branch, the mechanism of proton transfer to
Q di ers signi cantly between PSII RC and bRC. For the bRC of Rb. sphaeroides key residuesB
of the proton transfer to Q were experimentally determined and proton entry points have beenB
proposed. However, the exact organization of proton transfer to Q is still not known. TwoB
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 a8 Zusammenfassung
multiple sequence alignment for the bRC subunits showed, that while the non-surface key residues
of the proton transfer to Q are conserved, the proposed proton entry points are not conservedB
to the same extent. In addition, the hydrogen bonded network analysis revealed a huge network
spanning from the cytoplasm to Q in the bRC of Rb. sphaeroides and Blastochloris viridis.B
Interestingly, these networks show a similar organization and both include all important non-
surface key residues, but the networks di er in respect of the determined proton entry points.