Forschung im HLRN-Verbund 2011

10Die geheimnisvollen Bewegungen der EnzymeMoleküldynamiksimulation an licht- und spannungsabhängigen EnzymenM.A. Mroginski, S. Kaminski, T. Utesch, Institutfür Chemie, Max-Volmer-Laboratorium, TechnischeUniversität BerlinKurzgefasst• Biomoleküle wie Enzyme sind keine starrenKörper, sie stehen unter ständiger Bewegung.• Die Aktivierung bzw. Deaktivierung von Enzymenerfolgt über strukturelle Änderungen,die durch große Reorientierungen von Proteindomänenoder durch geringe konformationelleÄnderungen an aktiven Zentren erfolgen können.• Zum Verständnis dieser experimentell nuräußerst schwierig zugänglichen Konformationsänderungensind rechenintensiveMolekulardynamik- (MD) und steered Molekulardynamiksimulationen(SMD) ein adäquatesWerkzeug.• Einen detaillierter Einblick in wichtige Enzymregionen,wie beispielsweise aktive Zentren, bietensogenannte QM/MM Rechnungen, die eineKombination aus MD und quantenmechanischen(QM) Simulationen darstellen.Das Verständnis der Funktionsweise von Enzymenund deren katalytische Eigenschaften sind invielen Forschungsfeldern, wie z. B. im medizinischenBereich oder bei der Entwicklung von alternativenEnergiequellen, von fundamentaler Bedeutung.Dazu sind neben experimentell bestimmtendreidimensionalen Strukturen auch rechenaufwendigeSimulationen von großem Interesse, da strukturelleFluktuationen von Enzymen auf atomarerEbene experimentell nur extrem schwierig gewonnenwerden können, aber einen wichtigen Teil zumVerständnis der Funktionsweise beitragen.Molekulardynamik-(MD)-Simulationen unter Verwendungvon vielen parallel genutzten CPUs bietendie Möglichkeit, Biomolekülen und deren Konformationsänderungen,die große Auswirkungenauf die Funktion des Enzyms mit sich führenkönnen, auf einer Nanosekunden-Skala zu beschreiben.Längere Simulationen sind unter heutigenRechenleistungen nur sehr selten umsetzbar,da die behandelten Systeme von Enzymenin Lösungsmittel Wechselwirkungen von mehrerenhunderttausend Atomen beschreiben, die proZeitschritt von wenigen Femtosekunden berechnetwerden müssen. Um Vorgänge auf längeren Zeitskalenrealisieren zu können, werden steered Molekulardynamik(SMD) Berechnungen durchgeführt,in denen große Molekülbewegungen mit Hilfe vonexternen Kräften beschleunigt werden.Eine Kombination aus SMD- und MD-Simulationen wurde erfolgreich für die Sulfitoxidase(SO) höherer Vertebraten angewandt. Sulfitoxidasensind wichtige Bestandteile des Metabolismus’schwefelhaltiger Aminosäuren und Defektean ihnen spiegeln sich häufig in schwerwiegendenBehinderungen und Erkrankungen wieder.Während der Umwandlung von Sulfit zu Sulfat werdenElektronen vom aktiven Zentrum, dem Ort derKatalyse, zu der Cytochrom-b5-Untereinheit transportiert.Da einerseits der Abstand zwischen denbeiden Redoxzentren in der kristallographischenStruktur sehr groß ist und andererseits andere Arbeitsgruppenexperimentell sehr hohe Elektronentransferratenzwischen den Redoxzentren messenkonnten, wurde vermutet, dass es zu einer erheblichenReorientierung innerhalb der SO währendder Katalyse kommen muss. Durch SMD-und MD-Simulationen wurde diese Bewegung simuliert undes konnte eine stabile Konformation des aktiviertenZustands gewonnen werden, in der Elektronentransferratenim Einklang mit experimentellenDaten berechnet werden konnten [1]. Des Weiterensoll zukünftig der Einfluss von Oberflächen, andenen die SO immobilisiert werden soll, untersuchtwerden, was rechenintensive Simulationen, bestehendaus Adsorptions- und Equilibrierungsphase,voraussetzt, wie sie das HLRN ermöglicht.Ein Projekt, bei dem neben MD-Simulationengezielt quantenmechanische Rechnungen zumEinsatz kommen, befasst sich mit Phytochromen,deren Kofaktoren durch Wechselwirkungen mitLicht in unterschiedlichen Konfigurationen vorliegenkönnen. Hier wird keine große Reorientierunginnerhalb des Enzyms wie bei der SO vermutet,sondern das Augenmerk auf Änderungendes Kofaktors gelenkt. Dabei wurde das Gesamtsystemmit MD-Simulationen dargestellt und inbestimmten Zeitintervallen Schnappschüsse desKofaktors und dessen Umgebung extrahiert, vondenen mit Hilfe von QM-Rechnungen Spektrenberechnet wurden. Dadurch konnte gezeigt werden,dass die Ladungsverteilung der Kofaktorumgebungeinen starken Einfluss auf die Spektren hatund bestimmte Konfigurationen weitaus günstigersind als andere [2]. Außerdem zeigten lange MD-Simulationen von 45 ns, dass zwei unterschiedlichestabile Konfigurationen für den Kofaktor vorliegen[3].An [NiFe]-Hydrogenasen (H 2 asen), die Wasserstoffreversibel in Protonen und Elektronen spal-Chemie