Wie treibt die Reduktion von Sauerstoff das Pumpen von Protonen in der Cytochrom c Oxidase an? Ein Vorschlag für eine kombinierte quantenchemische, elektrostatische und molekulardynamische Studie

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Die Cytochrom c Oxidase verwendet die Energie, die bei der Reduktion von Sauerstoff frei wird, um einen Protonengradienten über einer Membran aufzubauen. Dieser Protonengradient wird für die ATP-Synthese verwendet. Mehrere redox-aktive und protonierbare Gruppen sind für das redox-gekoppelte Pumpen von Protonen notwendig. Trotz der genauen Kenntnis der Struktur der Cytochrom c Oxidase ist der Mechanismus dieses Enzyms noch nicht verstanden. Ich möchte quantenchemische Methoden mit elektrostatischen Rechnungen, Molekulardynamik-Simulationen und Methoden zur Suche von Protonen- und Elektronenpfaden kombinieren, um den Mechanismus des katalytischen Zyklus dieses Membranproteins zu untersuchen. In diesem Projekt möchte ich bestehende Methoden erweitern und anwenden, aber auch neue Methoden entwickeln. Die folgenden Fragestellungen sollen bearbeitet werden: Wie koppelt die Sauerstoffreduktion zum Pumpen von Protonen? Was ist der genaue chemische Charakter der Intermediate? Wie beeinflussen das Membranpotential und der Protonengradient den katalytischen Zyklus? Welche Reste sind an Protonen- und Elektronentransferpfanden beteiligt? Die Ergebnisse können mit experimentellen Daten korreliert werden. Es ist deshalb möglich, die Rechnungen an vorhandenen Experimenten zu validieren und Ergebnisse zukünftiger Experimente vorherzusagen.