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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-61752
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6175/


Wittekindt, Christian

Beiträge zur Theorie des Elektronentransfers in Eisen-Schwefel-Cluster-Proteinen

Contributions to the theory of electron transfer in iron-sulfur-cluster-proteins

Dokument1.pdf (2.406 KB) (md5sum: 6862456352dc1124137e0a13442744d0)

Kurzfassung in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die Kinetik des Elektronentransfers in Eisen-Schwefel-Cluster-Proteinen auf atomistischem Niveau zu berechnen, ohne dass das System in Donor-, Akzeptor- und Brückenbereich aufgeteilt werden muss. Sämtliche Valenzelektronen der im System enthaltenen Atome werden dabei im Rahmen eines Tight-Binding-Verfahrens quantenmechanisch behandelt. Durch Integration des repulsiven Hubbard-Modells in den verwendeten Tight-Binding-Hamilton-Operator konnte erstmals die spezielle elektronische Struktur der Fe/S-Cluster mit ihren starken antiferromagnetischen Kopplungen, Spinfrustrationseffekten und der spinabhängigen Delokalisierung von Elektronen in die Berechnung des Elektronentransfers einbezogen werden. Wechselwirkungen des Überschusselektrons mit der Proteinumgebung wurden zu einem dielektrischen Kontinuum zusammengefasst, welches die zusätzliche Ladung durch Polarisation stabilisieren kann.

Durch Verwendung der Slater-Koster-Regeln zur Berechnung der Resonanzintegrale und der Mean-Field-Näherung können die stationären Zustände des Systems numerisch höchst effizient über ein SCF-Verfahren bestimmt werden (selbst für Systeme mit über 1000 Atomen). Aus den zugehörigen Ladungsverteilungen lassen sich mittels eines Linear-Synchronous-Transit-Ansatzes sämtliche Parameter ableiten, die nötig sind, um die Ladungs-Transfer-Rate im Rahmen der Marcus-Theorie zu berechnen. Durch geschickte Wahl des betrachteten Systems und der einbezogenen Wechselwirkungen ist es mit dem hier vorgestellten Modell möglich, zwischen Through-Space-, Through-Bond- und Hopping-Transfer zu unterscheiden und den Einfluss von Superaustausch-Wechselwirkungen zu quantifizieren.

Als Modellsystem wurde die NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I der Atmungskette) gewählt: Zum einen enthält dieser Proteinkomplex je nach Organismus acht bis neun Fe/S-Cluster, von denen acht wahrscheinlich am Elektronentransfer beteiligt sind, zum anderen wegen seiner hohen biologischen wie pathologischen Relevanz. Alle vorgestellten Rechnungen basieren auf der im Jahr 2006 veröffentlichten Kristallstruktur von Komplex I aus Thermus thermophilus. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten zu einem Paradigmenwechsel im Verständnis des biologischen Elektronentransfers beitragen: Transferraten, die mit dem experimentell bestimmten Turnover des Enzyms vereinbar sind, ergeben sich nur im Rahmen eines Hopping-Mechanismus’, bei dem das übertragene Elektron intermediär auf dem π -System von aromatischen Aminosäuren lokalisiert. Dies steht im Gegensatz zu der gängigen Betrachtungsweise des Transfers als reinem Tunnelprozess zwischen den beteiligten Redoxzentren, bei dem die Proteinumgebung nur die räumliche Orientierung vorgibt und eine effektive Tunnelbarriere darstellt. Die aufgestellte Hopping-Hypothese konnte durch multiple Sequenzvergleiche erhärtet werden, die zeigen, dass die als Hopping-Partner vorgeschlagenen aromatischen Aminosäuren evolutionär weitestgehend funktionell konserviert sind. Aus dem Pfad, der sich aus dieser Hypothese für den Elektronentransfer ergibt, lassen sich Voraussagen für neue Mutationsexperimente ableiten, so dass die Richtigkeit der vorgestellten Theorie experimentell überprüft werden kann.


Kurzfassung in Englisch

With the help of a recent x-ray structure analysis of the hydrophilic part of the bacterial respiratory complex I, we present a theoretical and numerical study of the charge transfer properties of this protein. Our analysis is based upon an atomistic electronic structure model that accounts for the formation of chemical bonds, spin polarization on transition metal atoms and solvent polarization effects. Solving this model at the Hartree-Fock mean-field level, we are able to access the energy parameters required to compute charge transfer rates making use of Marcus’ theory of nonadiabatic electron transfer. Besides iron-sulphur clusters, aromatic amino acids are identified as essential centers of localization that participate in the electron transfer process. This novel perspective of biological charge transfer is substantiated by a multiple sequence analysis of a broad spectrum of genomes, revealing that the amino acids identified as stepping stones in the electron transfer chain are highly conserved in the molecular evolution of complex I.


SWD-Schlagwörter: Ladungstransfer , Theoretische Chemie , Eisen-Schwefel-Proteine , NADH-Dehydrogenase <Ubichinon> , Starke Kopplung , Hubbard-Modell
Freie Schlagwörter (deutsch): Hopping , Superexchange
Freie Schlagwörter (englisch): Hopping , Superexchange
Institut: Institut für Physikalische Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Koslowski, Thorsten (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.12.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 13.01.2009
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