Theoretical studies of porphyrin proteins

Abstract

Different aspects of porphyrin proteins have been studied with theoretical methods. For example, we have studied:



- The importance of hydrogen bonds for the discrimination between carbon monoxide and molecular oxygen by myoglobin, the oxygen carrier in muscles, modelling the active site both in vacuum and in the protein matrix



- The inner-sphere reorganisation energy during electron transfer for cytochromes compared to other electron-transfer proteins, such as blue copper proteins and Fe-S clusters



- The role of porphyrin distortions in the reaction mechanism of ferrochelatase, the enzyme that inserts an iron ion into protoporphyrin IX to make haem



- The interaction between different metal sites in ferrochelatase



In these studies we have used density functional theory, classical force field methods, and a combination of quantum chemistry and molecular mechanics. In particular we have developed new methods for calculating charges to be used in molecular mechanics and dynamics calculations, and compared them with existing methods.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hemoglobin, det protein som transporterar syre i blodet är förmodligen det mest välkända proteinet. Det är ett av många exempel på porfyrinproteiner, dvs. proteiner med en porfyrinring i det aktiva centrat. Porfyrinen kan binda en metalljon i mitten av ringen. När en järnjon är bunden kallas strukturen hem. Det är denna molekyl som finns i hemoglobin. I denna avhandling har jag studerat olika typer av porfyrinproteiner med hjälp av datorberäkningar.



Hur kan myoglobin skydda sig mot kolmonoxid?



Syre behövs i alla kroppens celler för att vi ska kunna fungera. Hemoglobin finns i de röda blodkropparna och transporterar syret från lungorna till kroppens olika celler. I musklerna överlämnas syret till myoglobin. Både myoglobin och hemoglobin har en hemgrupp som syrebindande enhet. Myoglobin innehåller bara en hemgrupp och kan därför binda bara en syrgasmolekyl per protein. Hemoglobin är i princip uppbyggt av fyra myoglobinmolekyler och kan därför binda fyra syrgasmolekyler. Även kolmonoxid kan binda till hemgruppen och konkurrerar då med syret, vilket förklarar varför kolmonoxid är giftigt. Hur kan myoglobin skydda sig mot kolmonoxid? En fri hemgrupp (utan protein) binder kolmonoxid 20 000 gånger starkare än syre. Lyckligtvis ändrar proteinet inbindningen så att kolmonoxid bara binder in 25 gånger starkare än syre. Det betyder att proteinet måste stabilisera inbindningen av syre eller destabilisera inbindningen av kolmonoxid. Hur sker detta? Denna fråga är mycket viktigt eftersom kolmonoxid bildas naturligt i kroppen när hemgruppen bryts ner. Normalt är cirka 1% av hemgrupperna hos en frisk ickerökare förgiftade av kolmonoxid. Motsvarande siffra hos rökare är 5%. Mekanismen bakom denna ändring från 20 000 till 25 har diskuterats mycket. En hypotes är att proteinet stabiliserar inbindningen av syre genom att bilda en vätebindning till en närliggande aminosyra. Denna vätebindning antas vara svagare till kolmonoxid. Vi har beräknat bindningsstyrkan i dessa förmodade vätebindningar till syrgas och kolmonoxid med kvantkemiska metoder för att se om denna hypotes stämmer. Våra resultat visar att vätebindning till syret är betydligt starkare än till kolmonoxid, vilket stabiliserar syreinbindningen så att denna får en fördel framför kolmonoxid. Detta är beskrivet i artikel I och II.



Elektrontransportproteiner - Cytokromer



Cytokromer är proteiner vars uppgift är att transportera elektroner. Även de innehåller en porfyringrupp. Järnet i porfyrinens mitt är här bundet till två aminosyror, oftast metionin och histidin eller två histidiner. Järnjonens laddning ändras från +3 till +2 då den binder en elektron för att sedan sedan ändras tillbaka då elektronen lämnas vidare. Det finns tre vanliga typer av elektrontransportproteiner: blå kopparproteiner, järn-svavelproteiner och cytokromer. De är mycket viktiga i bland annat fotosyntesen och förbränningen av socker till energi. För att kunna överföra elektronen effektivt är det viktigt att proteinet inte behöver ändra sin geometri alltför mycket när den tar upp eller avger en elektron. Ett mått på denna geometriändring är reorganisationsenergin. I artikel III har vi jämfört denna energi för de tre olika typerna av elektrontransportproteiner och fann då att den var betydligt lägre för cytokromer än för de övriga proteinerna.



Ferrokelatas tillverkar hem från porfyrin



Som visats av exemplen ovan är hem en viktig faktor i många proteiner. Vi måste därför kunna tillverka hem i kroppen. Detta sker i en serie av reaktioner, där varje steg katalyseras av ett visst protein. Det allra sista steget, då järnjonen stoppas in i porfyrinen, katalyseras av proteinet ferrokelatas. Strukturen för detta protein har bestämts här i Lund och vi har i artikel IV och V med hjälp av beräkningar i kombination med experiment försökt förstå hur reaktionen sker. Man har antagit att proteinet deformerar porfyrinen så att kväveatomerna riktas mot järnjonen och hjälper den att komma in. Vi har därför i artikel V beräknat hur mycket energi det krävs för att böja en porfyrinring och visat att energierna är i den storleksordning som ett protein kan tänkas klara av. När järnjonen är insatt i ringen nästan fördubblas energin för att deformera ringen. Då passar den inte längre in i proteinet, vilket kan vara förklara hur den färdiga produkten lossnar från proteinet.

• author: Sigfridsson, Emma
• supervisor: [unknown] [unknown]; Ulf Ryde
• opponent: Professor Carloni, Paolo, Trieste, Italy
• organization: Computational Chemistry
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Theoretical Chemistry
• keywords: molecular mechanics, quantum chemical calculations, electrostatic potential charges, atomic charges, ferrochelatase, cytochrome, myoglobin, Porphyrin, haem, QM/MM, reorganisation energy, Theoretical chemistry, quantum chemistry, Teoretisk kemi, kvantkemi
• pages: 140 pages
• defense location: sal A, Chemical Centre
• defense date: 2001-09-21 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNKD/NKTC--01/1014--SE
• ISBN: 91-7874-145-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Emma Sigfridsson and Ulf Ryde"On the significance of hydrogen bonds for the discrimination between CO and O2 bymyoglobin"J. Biol. Inorg. Chem., 4 (1999) 99-110 Article: II. Emma Sigfridsson and Ulf Ryde"Binding of O2 and CO to myoglobin studied by theoretical methods"Manuscript Article: III. Emma Sigfridsson, Mats H. M. Olsson, and Ulf Ryde"A comparison of the inner-sphere reorganisation energies of cytochromes, iron-sulphurclusters, and blue copper proteins"J. Phys. Chem. B, 105 (2001) 5546-5552 Article: IV. David Lecerof, Michael Fodje, Román Alvarez León, Ulf Olsson, Andreas Hansson, EmmaSigfridssona, Ulf Ryde, Salam Al-Karadaghi, and Mats Hansson"Interaction between metal binding sites in Bacillus subtilis ferrochelatase"J. Biol. Chem., submitted for publication Article: V. Emma Sigfridsson and Ulf Ryde"The importance of porphyrin distortions for the ferrochelatase reaction"Manuscript Article: VI. Emma Sigfridsson and Ulf Ryde"A comparison of methods for deriving atomic charges from the electrostatic potentialand moments"J. Comp. Chem. 19 (1998) 377-395. Article: VII. Emma Sigfridsson, Ulf Ryde, and Bruce L. Bush"Restrained point-charge models for disaccharides "J. Comp. Chem., submitted for publication The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Theoretical Chemistry (S) (011001039)
• id: cc4978d2-60ba-4b93-a987-2d2f83dfcf78 (old id 41752)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:59:28
• date last changed: 2022-01-24 07:33:35