Quantum mechanical modeling of ubiquinone two-electron reduction at the Qi-site of the cytochrome bc1 complex mutants

Oksydoreduktaza ubichinol-cytochrom c stanowi kompleks III łańcucha oddechowego, katalizujący reakcje cyklu Q: redukcję ubichinonu (miejsce aktywne Qi) i utlenianie ubichinolu (miejsce aktywne Qo). Celem pracy było wykorzystanie metod kwantowo-mechanicznych do sprawdzenia wpływu wybranych mutacji na mechanizm reakcji dwuelektronowej redukcji ubichinonu w miejscu katalitycznym Qi. Do obliczeń dla modeli miejsca aktywnego Qi dwóch mutantów enzymu wybrana została metoda DFT z hybrydowym funkcjonałem B3LYP, wzbogaconym o poprawkę dyspersyjną D3 Grimmego. W modelu pierwszego mutanta H201R, histydyna w pozycji 201 w organizmie Bos taurus (217 u Rhodobacter capsulatus) została zastąpiona argininą, a w mutancie H201F, fenyloalaniną. Wyniki przedstawione w pracy wskazują na to, iż rolę donora pierwszego protonu transportowanego na semichinon może odgrywać jedynie aminokwas w pozycji 201 (217). Dopiero po transferze drugiego elektronu, częściowo sprotonowany ubichinol jest w stanie pobrać proton z drugiego donora Asp228 (Asp252) i utworzyć produkt, który następnie oddysocjowuje z miejsca Qi. W mutancie H201R, transportowi pierwszego protonu z Arg201 towarzyszy bariera energetyczna równa 8.7 kcal/mol, podczas gdy przyjęcie drugiego protonu z Asp228 zachodzi bez bariery. Z obliczeń dla enzymu typu dzikiego, przeprowadzonych przez dr Annę Wójcik-Augustyn wynika, że w modelu WT przyjęcie obu protonów zachodzi bez bariery - można zatem stwierdzić, że mutacja polegająca na zamianie histydyny na argininę zmniejsza szybkość reakcji enzymatycznej, co zostało eksperymentalnie potwierdzone przez dr Patryka Kuletę. Otrzymane wyniki sugerują, że mutant H201F, w którym w pozycji 201 brakuje potencjalnego donora protonu, jest nieaktywny, co również jest zgodne z rezultatami badań mutagenezy, przeprowadzonych przez dr Patryka Kuletę.Ubiquinone-cytochrome-c oxidoreductase is the third complex within mitochondrial respiratory chain. It catalyzes proton - translocating Q- cycle, where ubiquinone is reduced at Qi site and ubiquinol is oxidized at Qo site. The main goal of this thesis is to evaluate influence of two selected mutations on mechanism of two-electron reduction of ubiquinone at Qi site using quantum-mechanical studies (QM). For the purpose of the studies, two models of Qi site mutants were built - in first model, H201R, histidine at position 201 (Bos taurus) / 217 (Rhodobacter capsulatus) was replaced by arginine; in second one, H201F, histidine 201-st was replaced by phenylalanine. In both models, two-electron reduction was investigated with DFT method using B3LYP hybrid functional combined with D3 Grimme’s dispersion corrections. The QM results suggest that the first proton transferred to semiquinone, most probably derives from positively charged amino acid at position 201 (217). Followed by second electron transfer, the partially protonated ubiquinol is able to accept pro- ton from second donor (Asp228/252) and form product that dissociates from the Qi active site. In the H201 mutant, there is an energetic barrier of 8.7 kcal/mol obtained for the first proton transfer (from Arg201), while second proton transfer (from Asp228) occurs with negligible energetic cost. Comparing these observations with results obtained for wild type enzyme by Anna Wójcik-Augustyn, where both proton transfers occur without energetic barriers, it is highly likely that H201R mutation causes the enzymatic reaction at the Qi active site to slow down. This conclusion is consistent with the observations derived from mutagenesis studies performed by Patryk Kuleta. Furthermore, QM results indicate that H201F mutant is inactive due to lack of potential proton donor at 201 (217) position. This observation is also in agreement with Patryk Kuleta’s experiment