Application and Development of Charge Transfer Simulations in Biological and Organic Systems

Diese Arbeit zeigt eine theoretische Untersuchung von lichtinduzierten Ladungstransferprozessen in der Proteinfamilie der Photolyasen/Cryptochrome, als prominentes Beispiel. Wahrend Photolyasen lichtinduzierte DNA-Schaden reparieren, sind Cryptochrome Signalmolekule, welche die Lichtreaktion vermitteln. Beide haben eine homologe Proteinstruktur und einen Flavin-Adenin-Dinukleotid Kofaktor, der ihre biologischen Funktionen durch Ladungstransferprozesse ermoglicht. Diese weisen einen signifikanten nicht-gleichgewichts Charakter auf, welcher es fur die etablierten Ladungstransfertheorien schwierig macht die richtige Kinetik vorherzusagen. Daher wird in diese Arbeit eine hybride Multi-Skalen Simulationsmethode verwendet, die klassische und Quantendynamikansatze kombiniert und nicht auf der Annahme von Gleichgewichtsprozessen basiert ist. Dieses Multi-Skalen Methode wurde angewendet, gebenchmarkt und weiterentwickelt, um die Genauigkeit der Quantenbeschreibung zu untersuchen und zu erhohen. Dies erhohte auch die Ubertragbarkeit auf Studien zum Ladungstransfer in anderen molekularen Systemen. Daruber hinaus bietet diese Methode eine praktikable Alternative zu teuren zeitaufgelosten Spektroskopie-Verfahren, hinsichtlich der Charakterisierung von Ladungstranferprozessen in den Photolyasen und Cryptochromen. In experimentellen Studien mit PhrB, einer Photolyase von A. tumefaciens, war es nicht moglich, die Kinetik der Ladungstranferprozesse aufzulosen. Daher wurde in dieser Arbeit die Multi-Skalen Methode verwendet, um den Ladungstransfer in PhrB zu charakterisieren. Insbesondere das Vorhandensein von einem Tyrosin, anstelle von Tryptophan, im Ladungstransfer Pfad wurde untersucht. Daher wurden Molekulardynamik-Simulationen von Mutanten genutzt um eine Struktur-Funktionsbeziehung zu erstellen und ein getunnelter Ladungstransfer wurde vorgeschlagen, der die erste Aminosaure des Pfades involviert. Weitere Simulationen zeigten, dass das angrenzende Wasser einen Transfer entlang des energetisch ungunstigen Tyrosins ermoglicht, wahrend ein Tryptophan den Rucktransfer erleichtert. PhrA, eine weitere Photolyase von A. tumefaciens, wurde untersucht, um die Ladungstranferprozesse entlang alternativer Pfade aufzuklaren. Es wurden unterschiedliche Verhaltensweisen der Kinetik des Ladungstransfers beobachtet. Ein Pfad bietet einen schnellen Transfer, wahrend der Andere eine bessere Stabilisierung der Ladung ermoglicht. Der Ladungstransfer in Photolyasen und Cryptochromen lost weitere Prozesse aus, wie zum Beispiel einen Protonentransfer zum Kofaktor oder strukturelle Umlagerungen des Reaktionszentrums. In der E. coli Photolyase kann der Kofaktor protoniert werden, jedoch ist der Protonendonator und der Mechanismus unklar. Daruber hinaus zeigten experimentelle Mutationsstudien, dass die Einbringung eines Protonendonators in die Tasche des Kofaktors die Protonierung verhindert. Daher wurden klassische und Quantendynamik Simulationen durchgefuhrt und ein Protonentransfermechanismus bestimmt. Simulationen einer Mutante zeigten, dass die Flexibilitat und die Coulomb-Wechselwirkungen der Tasche nicht durch den Austausch von einer oder zwei Aminosauren verandert werden kann. Somit kann eine Protonentransferfahigkeit nicht eingefuhrt werden, auch wenn die Mutanten scheinbar die entscheidenden strukturellen Muster aufweisen.