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The transporter associated with antigen processing (TAP) selectively translocates antigenic peptides into the endoplasmic reticulum. Loading onto major histocompatibility complex class I molecules and proofreading of these bound epitopes are orchestrated within the macromolecular peptide-loading complex, which assembles on TAP. This heterodimeric ABC-binding cassette (ABC) transport complex is therefore a major component in the adaptive immune response against virally or malignantly transformed cells. Its pivotal role predestines TAP as a target for infectious diseases and malignant disorders. The development of therapies or drugs therefore requires a detailed comprehension of structure and function of this ABC transporter, but our knowledge about various aspects is still insufficient. This review highlights recent achievements on the structure and dynamics of antigenic peptides in complex with TAP. Understanding the binding mode of antigenic peptides in the TAP complex will crucially impact rational design of inhibitors, drug development, or vaccination strategies.
Artificial environments for the co-translational stabilization of cell-free expressed proteins
(2013)
An approach for designing individual expression environments that reduce or prevent protein aggregation and precipitation is described. Inefficient folding of difficult proteins in unfavorable translation environments can cause significant losses of overexpressed proteins as precipitates or inclusion bodies. A number of chemical chaperones including alcohols, polyols, polyions or polymers are known to have positive effects on protein stability. However, conventional expression approaches can use such stabilizing agents only post-translationally during protein extraction and purification. Proteins that already precipitate inside of the producer cells cannot be addressed. The open nature of cell-free protein expression systems offers the option to include single chemicals or cocktails of stabilizing compounds already into the expression environment. We report an approach for systematic screening of stabilizers in order to improve the solubility and quality of overexpressed proteins co-translationally. A comprehensive list of representative protein stabilizers from the major groups of naturally occurring chemical chaperones has been analyzed and their concentration ranges tolerated by cell-free expression systems have been determined. As a proof of concept, we have applied the method to improve the yield of proteins showing instability and partial precipitation during cell-free synthesis. Stabilizers that co-translationally improve the solubility and functional folding of human glucosamine 6-phosphate N-acetyltransferase have been identified and cumulative effects of stabilizers have been studied.
Arbeiten zur experimentellen Erhärtung der Vorstellungen über die Biogenese von Terpenen aus den Hemiterpenalkoholen Dimethylvinylcarbinol oder Prenol führten zur Auffindung der Dichloressigsäure als eines aliphatischen Polymerisationsbeschleunigers sowohl dieser beiden Alkohole als auch des ihnen zugrunde liegenden Dienkohlenwasserstoffs, des Isoprens. Die Ergebnisse mit dieser einfachen Carbonsäure regen zur Prüfung natürlicher organischer Säuren als Fermentmodelle an.
Na+/H+ antiporters are integral membrane proteins that are present in almost every cell and in every kingdom of life. They are essential for the regulation of intracellular pH-value, Na+-concentration and cell volume. These secondary active transporters exchange sodium ions against protons via an alternating access mechanism, which is not understood in full detail. Na+/H+ antiporters show distinct species-specific transport characteristics and regulatory properties that correlate with respective physiological functions. Here we present the characterization of the Na+/H+ antiporter NhaA from Salmonella enterica serovar Thyphimurium LT2, the causing agent of food-born human gastroenteritis and typhoid like infections. The recombinant antiporter was functional in vivo and in vitro. Expression of its gene complemented the Na+-sensitive phenotype of an E. coli strain that lacks the main Na+/H+ antiporters. Purified to homogeneity, the antiporter was a dimer in solution as accurately determined by size-exclusion chromatography combined with multi-angle laser-light scattering and refractive index monitoring. The purified antiporter was fully capable of electrogenic Na+(Li+)/H+-antiport when reconstituted in proteoliposomes and assayed by solid-supported membrane-based electrophysiological measurements. Transport activity was inhibited by 2-aminoperimidine. The recorded negative currents were in agreement with a 1Na+(Li+)/2H+ stoichiometry. Transport activity was low at pH 7 and up-regulation above this pH value was accompanied by a nearly 10-fold decrease of KmNa (16 mM at pH 8.5) supporting a competitive substrate binding mechanism. K+ does not affect Na+ affinity or transport of substrate cations, indicating that selectivity of the antiport arises from the substrate binding step. In contrast to homologous E. coli NhaA, transport activity remains high at pH values above 8.5. The antiporter from S. Typhimurium is a promising candidate for combined structural and functional studies to contribute to the elucidation of the mechanism of pH-dependent Na+/H+ antiporters and to provide insights in the molecular basis of species-specific growth and survival strategies.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Charakterisierung zweier Systeme, bei denen schnelle photoinduzierte Ladungstransferreaktionen auftreten. Mittels Anregungs-Abtast-Spektroskopie im sichtbaren Spektralbereich wurde zum einen die bisher noch nicht charakterisierte Primärreaktion des erst vor wenigen Jahren entdeckten bakteriellen Retinalproteins Proteorhodopsin untersucht. Dieses Protein, das einen signifikanten Beitrag zur Energiebilanz der euphotischen Zone leisten kann, zeigt einen vektoriellen, pH-abhängigen und lichtgetriebenen Protonentransfer über die Zellmembran. Mittels zeitaufgelöster Femtosekundenspektroskopie wurde die Primärdynamik in saurer sowie in alkalischer Umgebung untersucht. Nach Photoanregung von Proteorhodopsin zeigt sich eine konzertierte Schwingung des all-trans-Retinals, die in einer biphasischen Reaktion zu einer Isomerisierung zum 13-cis-Zustand führt. Neben den genauen Zerfallszeiten wird auch das Besetzungsverhältnis des schnellen zum langsamen Zerfallskanal durch den Protonierungszustand des primären Protonenakzeptors gesteuert. In alkalischer Umgebung reagieren mehr Moleküle über den schnellen Reaktionskanal als in saurer Umgebung. Zusätzlich vergrößert sich die Quantenausbeute der Isomerisierungsreaktion vom all-trans- zum 13-cis-Retinal um den Faktor zwei beim Erhöhen des pH-Wertes von 6 auf 9. Durch die Reaktion des Chromophors auf die unterschiedlichen Ladungszustände des primären Protonenakzeptors zeigt sich, dass die Proteinumgebung elementar für die Funktion, speziell auch für die primäre Photodynamik, ist. Eine mögliche Erklärung berücksichtigt die räumliche Nähe der entsprechenden Aminosäure zur C13=C14 Bindung. Durch Deprotonierung an dieser Stelle kommt es zu einer Schwächung der genannten Bindung. Die energetische Barriere für die Isomerisierung wird herabgesetzt und diese Reaktion kann schneller und effizienter ablaufen als bei Gegenwart einer protonierten Aminosäure. Da die Ladung des Akzeptors die Reaktion „steuert“, kann von einer elektrostatischen Kontrolle der Reaktionsdynamik gesprochen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die photoinduzierte Dynamik von Merocyaninen sowohl frei in Lösung als auch an kolloidale Halbleiter gekoppelt untersucht. Für die freien Farbstoffe lassen sich zwei Deaktivierungskanäle unterscheiden. Nach der Photoanregung kann das Merocyanin an der zentralen konjugierten Polymethinkette isomerisieren. Die Entstehung des daraus resultierenden verdrehten Moleküls konnte innerhalb weniger zehn Pikosekunden beobachtet werden. Die andere Möglichkeit die aufgenommene Energie wieder abzugeben besteht in der Bildung eines angeregten Triplettzustandes. Die Besetzung dieses Zustandes lässt sich innerhalb weniger Pikosekunden beobachten und geht somit signifikant schneller vonstatten als die Isomerisierung. Durch Kopplung der Merocyanine an TiO2-Halbleiterkolloide werden andere Deaktivierungskanäle wichtig. Mit einer Zeitkonstante von wenigen zehn Femtosekunden kommt es zu einem schnellen Ladungstransfer aus dem Farbstoff in den Halbleiter. Parallel zu dieser ultraschnellen Elektroneninjektion bildet sich, wie für das ungekoppelte System auch, der verdrehte Zustand. Die Bindung an den Halbleiter führt jedoch zu einer Beschleunigung der Torsionsbewegung, sodass sich die Geometrieänderung innerhalb weniger Pikosekunden beobachten lässt. Auch aus diesem Zustand kommt es zur Elektroneninjektion aus dem Farbstoff in das Leitungsband des Halbleiters. Die Triplettbildung ist dagegen für das gekoppelte System nicht beobachtbar, was zu einer erhöhten Stabilität führt. Neben der Bildung der ladungsgetrennten Zustände konnte mittels der Femtosekundenspektroskopie auch die partielle Rückreaktion zu neutralen Systemen beobachtet werden. Die Reduktion des Merocyaninkations erfolgt innerhalb weniger 100 ps, ist aber nach einer Nanosekunde noch immer nicht vollständig abgeschlossen, sodass ein signifikanter Teil der Moleküle bzw. Kolloide geladen bleibt. Sämtliche Beobachtungen des Farbstoff-Halbleiter-Systems lassen sich in einem Reaktionsmodell zusammenfassen. Mit diesem lässt sich die Dynamik nach Photoanregung erklären, sowie die energetische Lage der beteiligten Zustände im Verhältnis zueinander betrachten. Ein bereits existierendes Reaktionsmodell des freien Farbstoffes konnte mittels der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse auf den Bereich unterhalb von einer Nanosekunde erweitert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit zum einen dazu dienen, natürliche Ladungstransferreaktionen zu verstehen. Durch die Aufklärung der Primärdynamik von Proteorhodopsin konnte ein weiterer Baustein zum Verständnis dieses erst kürzlich entdeckten und für die Energiebilanz der Meere wichtigen Proteins hinzugefügt werden. Zum anderen tragen die Resultate dieser Arbeit auch zum Verständnis eines künstlichen Photosynthesesystems (Grätzelzelle) bei und können zur Effizienzsteigerung sowie zur Optimierung genutzt werden.
Mechanistic understanding of dynamic membrane proteins such as transporters, receptors, and channels requires accurate depictions of conformational ensembles, and the manner in which they interchange as a function of environmental factors including substrates, lipids, and inhibitors. Spectroscopic techniques such as electron spin resonance (ESR) pulsed electron–electron double resonance (PELDOR), also known as double electron–electron resonance (DEER), provide a complement to atomistic structures obtained from x-ray crystallography or cryo-EM, since spectroscopic data reflect an ensemble and can be measured in more native solvents, unperturbed by a crystal lattice. However, attempts to interpret DEER data are frequently stymied by discrepancies with the structural data, which may arise due to differences in conditions, the dynamics of the protein, or the flexibility of the attached paramagnetic spin labels. Recently, molecular simulation techniques such as EBMetaD have been developed that create a conformational ensemble matching an experimental distance distribution while applying the minimal possible bias. Moreover, it has been proposed that the work required during an EBMetaD simulation to match an experimentally determined distribution could be used as a metric with which to assign conformational states to a given measurement. Here, we demonstrate the application of this concept for a sodium-coupled transport protein, BetP. Because the probe, protein, and lipid bilayer are all represented in atomic detail, the different contributions to the work, such as the extent of protein backbone movements, can be separated. This work therefore illustrates how ranking simulations based on EBMetaD can help to bridge the gap between structural and biophysical data and thereby enhance our understanding of membrane protein conformational mechanisms.
Benzene solutions of Me3SnCl when exposed to moisture yield the adduct Me3SnCl·Me3SnOH·H2O. This adduct represents an intermediate in Me3SnCl hydrolysis. The structure of Me3SnCl·Me3SnOH·H2O features an array of Me3Sn units connected alternatingly by bridging Cl and OH ligands.
Pyrazolyl-substituted 1,4-dihydroxybenzene and 1,4-dihydroxynaphthene derivatives have been synthesized by reaction of 1,4-benzoquinone and 1,4-naphthoquinone, respectively, with pyrazole. Cyclovoltammetric measurements have shown that 1,4-benzoquinone possesses the potential to oxidize 2-(pyrazol-1-yl)- and 2,5-bis(pyrazol-1-yl)-1,4-dihydroxybenzene. The 2,5-bis(pyrazol-1-yl)- 1,4-dihydroxybenzene reacts with air to give quantitatively black insoluble 2,5-bis(pyrazol-1-yl)-1,4- quinhydrone. Black crystals of 2,5-bis(pyrazol-1-yl)-1,4-quinhydrone suitable for X-ray diffraction were grown from methanol at ambient temperature (monoclinic C2/c). The poor yields of pyrazolylsubstituted 1,4-dihydroxybenzene and 1,4-dihydroxynaphthene derivatives can be explained by the formation of insoluble black quinhydrons in the reaction of benzoquinone and naphthoquinone with pyrazole. The dianions of 2-(pyrazol-1-yl)- and 2,5-bis(pyrazol-1-yl)-1,4-dihydroxybenzene react with oxygen to give the corresponding semiquinone anions. 2,5-Bis(pyrazol-1-yl)-1,4-benzoquinone shows two reversible one-electron reduction processes in cyclovoltammetric measurements, whereas pyrazolyl-substituted 1,4-dihdroxybenzene and -naphthene derivatives undergo irreversibile electrontransfer processes.