Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data

Thesis (Ph.D.)--Chulalongkorn University, 2012

Saved in:

Bibliographic Details
Main Author:	Kiattisak Lugsanangarm
Other Authors:	Sirirat Kokpol
Format:	Theses and Dissertations
Language:	English
Published:	Chulalongkorn University 2013
Subjects:	Flavoproteins Flavodoxin Electron mobility Molecular dynamics > Simulation methods ฟลาโวโปรตีน ฟลาโวดอกซิน การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอน พลศาสตร์เชิงโมเลกุล > การจำลองระบบ
Online Access:	http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/36363 http://doi.org/10.14457/CU.the.2012.820
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Institution:	Chulalongkorn University
Language:	English

id	th-cuir.36363
record_format	dspace
spelling	th-cuir.363632019-09-17T04:16:11Z Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data การศึกษาเชิงทฤษฎีของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เหนี่ยวนำด้วยแสงในฟลาโวดอกซินจากข้อมูลการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล Kiattisak Lugsanangarm Sirirat Kokpol Somsak Pianwanit Karl Peter Wolschann Chulalongkorn University. Faculty of Science Flavoproteins Flavodoxin Electron mobility Molecular dynamics -- Simulation methods ฟลาโวโปรตีน ฟลาโวดอกซิน การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอน พลศาสตร์เชิงโมเลกุล -- การจำลองระบบ Thesis (Ph.D.)--Chulalongkorn University, 2012 Photoinduced electron transfer (PET) in enzyme plays significant roles in many biological processes. In this work, PET in flavodoxin from Desulfobivrio vulgaris, strain Miyazaki F (FD-DvMF) and from Helicobacter pylori (FD-HP), in which both bind one molecule of FMN as a cofactor, were studied using several molecular modeling techniques. Four FD-DvMF structures (wild type, W59F, Y97F and W59F-Y97F) were generated by homology modeling while the wild type structure of FD-HP was taken from the protein data bank. Molecular dynamics (MD) simulations of all five systems were carried out to investigate FMN-enzyme binding interaction as well as their dynamic properties. The decomposition free energy calculations indicate that the 10-loop region has the highest contribution to the binding, which is due to the H-bonding between phosphate subsite and amino acids. Ensemble of conformations obtained from the MD simulations of the five systems was supplied into the Kakitani and Mataga theory to analyze the PET mechanisms by fitting with experimental fluorescence quenching data. It was found that the mean electron transfer rate from Trp59 to excited Iso (Iso) in the wild type was the fastest among the four FD-DvMF and it is from Tyr92 to Iso for the FD-HP. In addition, the net electrostatic energy and the standard free energy change of the reaction are the most influential factors for the ultrafast electron transfer rate. The charge transfer (CT) was further studied by using quantum chemistry method. The calculations reveal that the state is the locally excited state while the S₂ state shows CT state characteristic. การถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เหนี่ยวนำด้วยแสง (PET) ในเอนไซม์มีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีววิทยาจำนวนมาก ในงานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษา PET ในฟลาโวดอกซินจากแบคทีเรียดีซัลโฟวิบริโอ วัลการิส สายพันธุ์ มิยาซากิ เอฟ (FD-DvMF) และจากเฮลิโคแบคเตอร์ไพลอไร (FD-HP) ด้วยเทคนิคการจำลองโมเลกุลหลายเทคนิค ซึ่งเอนไซม์ทั้งคู่จับกับโมเลกุลเอฟเอ็มเอ็นที่ทำหน้าที่เป็นโคแฟกเตอร์ โครงสร้างของ FD-DvMF จำนวน 4 โครงสร้าง (ชนิดดั้งเดิม และชนิดกลายพันธุ์ W59F, Y97F และ W59F-Y97F) ถูกสร้างขึ้นด้วยเทคนิคการจำลองฮอมอโลยี ในขณะที่โครงสร้างของ FD-HP ชนิดดั้งเดิมได้นำมาจากธนาคารข้อมูลโปรตีน ใช้เทคนิคการจำลองพลวัติเชิงโมเลกุล (MD) สำหรับระบบทั้งห้าเพื่อศึกษาอันตรกิริยาการเข้าจับระหว่างเอฟเอ็มเอ็นกับฟลาโวดอกซินและสมบัติทางพลวัติ การคำนวณพลังงานเสรีแบบแยกบ่งชี้ว่าบริเวณ 10-ลูปมีผลต่อการเข้าจับมากที่สุด ทั้งนี้เนื่องมาจากพันธะไฮโดรเจนระหว่างหมู่ฟอสเฟตกับกรดอะมิโน ทำการวิเคราะห์กลไก PET โดยใช้โครงรูปจำนวนมากจากผลของ MD ร่วมกับทฤษฎีของคาคิทานิและมาทากะด้วยการปรับค่าเข้ากับข้อมูลการรบกวนฟลูออเรสเซนต์ที่ได้จากการทดลอง ผลพบว่าอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเฉลี่ยจาก Trp59 ใน FD-DvMF ชนิดดั้งเดิม และจาก Tyr92ใน FD-HP ไปยัง Iso ที่สภาวะเร้า (Iso*) มีค่าเร็วที่สุด นอกจากนี้ยังพบว่าพลังงานไฟฟ้าสถิตและการเปลี่ยนแปลงพลังงานเสรีมาตรฐานของปฏิกิริยาเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่ออัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนชนิดเร็วยวดยิ่ง ได้ทำการศึกษาการถ่ายโอนประจุด้วยวิธีทางเคมีควอนตัม ผลการคำนวณพบว่าสถานะกระตุ้นที่หนึ่งมีลักษณะเป็นสถานะเร้าแบบเฉพาะที่ในขณะที่สถานะกระตุ้นที่สองมีลักษณะเป็นสถานะถ่ายโอนประจุ 2013-10-25T03:52:42Z 2013-10-25T03:52:42Z 2012 Thesis http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/36363 10.14457/CU.the.2012.820 en http://doi.org/10.14457/CU.the.2012.820 Chulalongkorn University application/pdf Chulalongkorn University
institution	Chulalongkorn University
building	Chulalongkorn University Library
continent	Asia
country	Thailand Thailand
content_provider	Chulalongkorn University Library
collection	Chulalongkorn University Intellectual Repository
language	English
topic	Flavoproteins Flavodoxin Electron mobility Molecular dynamics -- Simulation methods ฟลาโวโปรตีน ฟลาโวดอกซิน การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอน พลศาสตร์เชิงโมเลกุล -- การจำลองระบบ
spellingShingle	Flavoproteins Flavodoxin Electron mobility Molecular dynamics -- Simulation methods ฟลาโวโปรตีน ฟลาโวดอกซิน การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอน พลศาสตร์เชิงโมเลกุล -- การจำลองระบบ Kiattisak Lugsanangarm Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data
description	Thesis (Ph.D.)--Chulalongkorn University, 2012
author2	Sirirat Kokpol
author_facet	Sirirat Kokpol Kiattisak Lugsanangarm
format	Theses and Dissertations
author	Kiattisak Lugsanangarm
author_sort	Kiattisak Lugsanangarm
title	Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data
title_short	Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data
title_full	Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data
title_fullStr	Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data
title_full_unstemmed	Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data
title_sort	theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data
publisher	Chulalongkorn University
publishDate	2013
url	http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/36363 http://doi.org/10.14457/CU.the.2012.820
_version_	1724629703022608384

Theoretical investigation of photoinduced electron transfer in flavodoxin from molecular dynamics simulation data

Similar Items