Dynamische Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke von Photosystem II

Photosystem II is a large, membrane-embedded, protein complex that uses cofactor molecules and energy of absorbed light to split water molecules into electrons, molecular oxygen and protons. The protons, generated at the reaction site, are then transported to the lumen, covering distances larger than 20 Å across the protein interior. The identity of titrable amino acid groups that could participate in proton transfer, and the dynamics of water- mediated hydrogen-bonded networks that could serve as possible proton transfer pathways, are fundamental open questions. As a first step to address these questions, we performed all-atom molecular dynamics simulations of wild type and mutant photosystem II embedded in a hydrated lipid bilayer. To this aim we first derived a new set of CHARMM force field parameters for three cofactors harbored in photosystem II interior: chlorophyll-a, pheophytin-a and plastoquinone-9. These parameters proved to accurately describe cofactors dynamics both in gas phase and in the protein matrix. To facilitate efficient data analysis of hydrogen-bonded networks, we developed a data analysis tool for fast tracking of hydrogen-bonds. We detected, in wild type photosystem II, two water-mediated hydrogen-bonded networks connecting the manganese cluster to the lumen. These networks appear to be drastically perturbed by changes in protonation states and by single site mutation. One of the networks we identified ends at the surface of the PsbO subunit. Even though this extrinsic protein subunit has been largely studied, it remained unclear the reason why the oxygen evolution rate drops when PsbO is removed from photosystem II. We performed simulations of photosystem II in the absence of PsbO and we observed that the region surrounding the manganese cluster has higher protein flexibility compared to the wild type, and an increased hydration level that associates with the release to the bulk of a chloride ion known to be required for oxygen evolution.Photosystem II ist ein großer integraler Membranproteinkomplex, der Kofaktormoleküle und Lichtenergie nutzt, um Wassermoleküle in Elektronen, molekularen Sauerstoff und Protonen zu spalten. Nachdem die Protonen im Reaktionszentrum erzeugt wurden, werden sie über bis zu 20 Å durch das Innere des Proteins zum Lumen transportiert. Die Identität der titrierbaren Aminosäuren, die am Protonentransfer beteiligt sein könnten, sowie die Dynamik der wassergesteuerten Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke (HBN) sind elementare bislang ungelöste Fragen. Als ersten Schritt, um diesen Fragen nachzugehen, führten wir Ganzatom-Molekular-dynamiksimulationen von Wildtyp- und mutiertem Photosystem II in einer hydrierten Lipidmembran durch. Zu diesem Zwecke leiteten wir einen neuen Satz von CHARMM-Kraftfeldparametern für drei Kofaktoren her, die im Inneren von Photosystem II zu finden sind: Chlorophyll a, Phäophytin a und Plastochinon-9. Die neuen Parameter haben bewiesen, dass sie in der Lage dazu sind, die Dynamik der Kofaktoren sowohl in der Gasphase als auch in der Proteinmatrix exakt zu beschreiben. Wir entwickelten ein Datenanalysewerkzeug zum schnellen Verfolgen von Wasserstoffbrückenbindungen, um die effiziente Datenanalyse von HBN zu erleichtern. Im Wildtyp von Photosystem II machten wir zwei wassergesteuerte HBN ausfindig, die den Mangan-Komplex mit dem Lumen verbinden. Änderungen der Protonierungszustände sowie Mutationen scheinen diese Netzwerke stark zu beeinträchtigen. Eines der von uns identifizierten Netzwerke endet an der Oberfläche der PsbO Untereinheit. Obwohl diese extrinsische Protein-Untereinheit intensiv untersucht wurde, bleibt es weiterhin unklar, warum die Sauerstoffgewinnungsrate sinkt, wenn PsbO von Photosystem II entfernt wird. Wir führten Simulationen ohne PsbO durch und konnten beobachten, dass der Bereich, der den Mangan-Komplex umgibt, im Vergleich zum Wildtyp eine größere Proteinflexibilität hat. Außerdem konnten wir eine erhöhte Hydration feststellen, die damit in Zusammenhang gebracht werden konnte, dass ein Chloridion, welches zur Sauerstoffgewinnung erforderlich ist, aus dem Proteininneren freigegeben wurde