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Electron transfer in a crystalline cytochrome with four hemes

电子转移 化学 反应速率常数 血红素 质子化 舍瓦内拉 细胞色素 电子 结晶学 化学物理 物理化学 动力学 物理 离子 量子力学 生物 有机化学 生物化学 细菌 遗传学
作者
William W. Parson,Jingcheng Huang,Martin Kulke,Josh V. Vermaas,David Kramer
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (6)
标识
DOI:10.1063/5.0186958
摘要

Diffusion of electrons over distances on the order of 100 μm has been observed in crystals of a small tetraheme cytochrome (STC) from Shewanella oneidensis [J. Huang et al. J. Am. Chem. Soc. 142, 10459–10467 (2020)]. Electron transfer between hemes in adjacent subunits of the crystal is slower and more strongly dependent on temperature than had been expected based on semiclassical electron-transfer theory. We here explore explanations for these findings by molecular-dynamics simulations of crystalline and monomeric STC. New procedures are developed for including time-dependent quantum mechanical energy differences in the gap between the energies of the reactant and product states and for evaluating fluctuations of the electronic-interaction matrix element that couples the two hemes. Rate constants for electron transfer are calculated from the time- and temperature-dependent energy gaps, coupling factors, and Franck–Condon-weighted densities of states using an expression with no freely adjustable parameters. Back reactions are considered, as are the effects of various protonation states of the carboxyl groups on the heme side chains. Interactions with water are found to dominate the fluctuations of the energy gap between the reactant and product states. The calculated rate constant for electron transfer from heme IV to heme Ib in a neighboring subunit at 300 K agrees well with the measured value. However, the calculated activation energy of the reaction in the crystal is considerably smaller than observed. We suggest two possible explanations for this discrepancy. The calculated rate constant for transfer from heme I to II within the same subunit of the crystal is about one-third that for monomeric STC in solution.

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