Моделирование динамики водородных связей в сайте связывания вторичного хинона в фотосинтетическом реакционном центре Rb sphaeroides

В работе исследованы особенности динамики водородных связей в окружении вторичного хинона (Q_b) фотосинтетического реакционного центра бактерии Rb. sphaeroides при восстановлении вторичного хинона. Восстановление Q_b до хинола Q_bH₂ является одним из ключевых этапов в процессе преобразования энергии света в разность химических потенциалов на мембранах бактериальных хроматофоров. Восстановление Q_b в реакционном центре описывается следующим уравнением: Q_b + 2e^- + 2H⁺ → Q_bH₂. Присоединение протонов идет в поочередно по двум путям, образованным водородными связями между аминокислотными остатками белка. Данные экспериментов косвенно демонстрируют, что аминокислотный остаток серина (Ser L223) отдает протон молекуле Q_b^- (в состоянии семихинона) после переноса второго электрона на первичном хиноне Q_a, однако непосредственно наблюдать этот процесс не представляется возможным.

Предполагается, что появление отрицательного заряда на Q_a приводит к изменению pK гидроксильной группы остатка Ser L223 и карбонильной 4-С=О группы Q_b^-. Для изучения данного явления использовался численный эксперимент, выполненный методами квантовой механики (QM) и совмещенной квантовой механики/молекулярной механики (QM/MM).

С целью подтверждения предполагаемого механизма протонирования была создана QM/MM-модель, в квантовую часть которой были включены вторичный хинон и аминокислотные остатки Ser L223 и Asp L213, образующие водородные связи Q_b^- - Ser L223 и Ser L223 - Asp L213. Оставшаяся часть белка и кофакторы были включены в молекулярно-механическую часть модели. Были рассчитаны энергетические эффекты при переносе протонов по водородным связям в квантово-механической части в зависимости от зарядовых состояний Q_s и Q_b.