Retinal binding proteins that consist of retinal molecules covalently linked to seven transmembrane -helical proteins of G-protein coupled receptor (GPCR) super family are ubiquitously found as photosensory receptors in bioorganisms, and are responsible for many diverse vital functions. One of the most basic and unresolved puzzle of these proteins concerns the mechanisms that regulate wavelength of maximum absorbance in the absorption spectra. In this thesis, we have investigated structures and color selectivities of bacteriorhodopsin, sensory rhodopsin II as well as Cl-free and Cl-bound halorhodopsins isolated from natronomas pharaonis and halobacterium salinarum by using Hybrid Quantum Mechanical/Molecular Mechanical (QM/MM) methods. We have employed B3LYP for the geometry optimizations and SORCI for the absorption spectra calculations as the QM method and AMBER force field as the MM method. The present QM⁄MM calculations reproduce the spectral shift between the archaeal rhodopsins considered. The single/double bond alternations of the polyene chain of the all-trans retinal correlate very well with the first vertical excitation energies and the associated dipole moment changes. The presence of the protein environments blue-shift the first vertical excitation energy and the magnitude of the blue-shift is quite sensitive to the protein environment.Keywords: Hybrid QM/MM methods, retinal proteins, archaeal rhodopsins, absorption maximum.

Retinal proteinler içinde kovelent bağlı retinal moleküller barındıran G proteinlerle eşleşmiş alıcı (GPCR) süper ailesine ait yedi -helisli transmembranlardır. Retinal proteinler ışığa duyarlı alıcılar olarak neredeyse bütün biyoorganizmalarda bulunup, çok çeşitli hayati fonksiyonları gerçekleştirirler. Retinal proteinlerle ilgili en temel ve tam olarak anlaşılamayan problem, elektronik soğurma spekrumlarında maksimum soğurmaya karşılık gelen dalga boyunu düzenleyen etkenlerin tespitidir. Bu tezde, bacteriorhodopsin ve sensory rhodopsin II ile birlikte natronomas pharaonis ve halobacterium salinarum bakterilerinden elde edilen halorhodopsinler Cl iyonu bağlı ve bağlı değilken hibrit kuantum mekanik/moleküler mekanik (QM/MM) metodları çerçevesinde geometrik yapıları ve renk seçim mekanizmaları tartışılmak üzere incelenmiştir. Kuantum mekanik metot olarak, geometri optimizasyonlarında B3LYP, soğurma spektrumu hesaplamalarında ise SORCI kullanılmıştır. Moleküler mekanik metot olarak ise AMBER seçilmiştir. QM/MM hesaplamaları bu bakterisel rhodopsinlerin maksimum absorbsiyon dalgaboyları arasındaki farkı deneylerle uyumlu bir şekilde vermiştir. All-trans retinalin polyene zincirinde ardışık olarak yer alan tek ve çift bağların uzunluklarının ortalamaları arasındaki fark, birinci düşey uyarılma enerjisi ve buna eşlik eden dipol moment değişimi ile sıkı bir ilişkiye sahiptir. All-trans retinalin etrafındaki protein çevresi birinci düşey uyarılma enerjisini maviye doğru kaydırmakta olup, kayma miktarı protein çevresine oldukça duyarlıdır.Anahtar Kelimeler: Hibrit kuantum mekanik/moleküler mekanik metodlar, retinal proteinler, bakterisel rhodopsinler, soğurma maksimu.