Teoretické studium fotosystemu II, chlorozomů a flavoproteinu WrbA

Mgr. Peter PALENČÁR

Doctoral thesis

The theoretical study of photosystem II, chlorosomes and flavoprotein WrbA

Abstract:

The power of the current computer clusters allows us to study relatively large biomolecular systems by theoretical computational methods, such as widely used classical molecular dynamics (MD) simulations, at atomic level on the time scale of tens of nanoseconds. The limiting factor for classical MD simulations on most of the physiologically relevant systems is the lack of available force field (FF) parameters. Three biomolecular systems were studied in this thesis, namely membrane protein photosystem II (PSII), green bacteria antennas called chlorosomes and flavoprotein WrbA from E. coli, and all of them contain molecules or molecular fragments for which no FF parameters are available. Therefore, development of new FF parameters for all non-protein molecules was performed by applying quantum-mechanics (QM) methods. Once all FF parameters were available, MD simulations were applied. The computational studies were based on the conditions from wet experiments performed earlier by our research group. For the first time, proposed light-induced conformational changes of the reaction center (RC) of PSII and subsequent changes in arrangement of PSII RC pigments, were confirmed and described at atomic level by series of MD simulations over 20 ns. Optical spectra calculated on equilibrated MD model of PSII RC were in better agreement with experimental analogues when compared with earlier calculations on static model of PSII RC taken from crystal structure. Successful application of classical mechanics, QM and advanced optical spectra calculations on PSII represents one of a few existing computational studies on similar membrane pigment-protein systems. In the case of chlorosomes, equilibrated molecular lamellar models were constructed and critical structural parameters were elucidated by series of MD simulations over 30 ns. The presented models are the first lamellar models of chlorosomes at such scale so far. The equilibrated MD models of flavoprotein WrbA based on recent crystal structure provides starting point for further theoretical studies aimed to elucidate structural details of proposed ping-pong mechanism.

Abstract:

Vďaka narastajúcemu výkonu dnešných počítačov je možné študovať relatívne veľké bio-molekulárne systémy pomocou výpočtových metód, akou je aj rozšírená klasická molekulárna dynamika (MD), v časových škálach desiatok nanosekúnd. Faktorom, obmedzujúcim použitie metód MD na štúdium väčšiny fyziologicky relevantných systémov, je nedostatok kvalitných parametrov silového poľa (SP). Všetky tri bio-molekulárne systémy, ktoré boli predmetom štúdia, membránový pigment-proteínový komplex fotosystému II (FSII), chlorozómy zelených baktérií a flavoproteín WrbA, obsahujú molekuly a molekulárne fragmenty, pre ktoré nie sú dostupné parametre SP. Na výpočet nových parametrov SP pre tieto molekuly a fragmenty boli využité metódy kvantovej mechaniky (KM). Po získaní všetkých parametrov SP boli prevádzané MD simulácie. Základom pre všetky tri výpočtové projekty boli predošlé experimentálne práce našej skupiny. Po prvý krát, boli potvrdené a objasnené svetlom-indukované konformačné zmeny v reakčnom centre (RC) FSII a tiež následné zmeny v postavení pigmentov z RC FSII na úrovni jednotlivých molekúl a atómov za pomoci MD simulácií v dĺžke 20 ns. Optické spektrá, ktoré boli počítané na modeloch RC FSII získané z MD simulácií boli v lepšej zhode s experimentom v porovnaní so spektrami počítanými na statických modeloch RC FSII z kryštalických štruktúr. Kombinácia metód klasickej mechaniky, KM a výpočtov optických spektier na FSII je úspešným príkladom z mála podobných štúdií. V rámci druhého projektu, boli pripravené ekvilibrované lamelárne modely chlorozómov, ktoré boli podrobené MD simuláciám v dĺžke 30 ns, s cieľom objasniť kritické štruktúrne parametre. Prezentované modely predstavujú vôbec prvé takéto MD modely v takom rozsahu. Ekvilibrované MD modely flavoproteínu WrbA boli pripravené s využitím novej kryštalickej štruktúry, a budú ďalej využité na teoretické štúdium zamerané na objasnenie navrhnutého ping-pong mechanizmu.

Keywords

fotosystém II, feofytín, excitónové interakcie, absorbčné spektrá, molekulárna dynamika, konformačné zmeny, chlorozómy, lamelárny model, baktériochlorofyl, flavoproteín

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 9. 2007

Accessible from:: 13. 9. 2007

Identifier: 9687

Thesis defence

• Date of defence: 22. 11. 2007
• Supervisor: Mgr. Michal Kutý, Ph.D.

University of South Bohemia in České Budějovice

Institute of Physical Biology

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics