540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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The archaeal ATP synthase is a multisubunit complex that consists of a catalytic A(1) part and a transmembrane, ion translocation domain A(0). The A(1)A(0) complex from the hyperthermophile Pyrococcus furiosus was isolated. Mass analysis of the complex by laser-induced liquid bead ion desorption (LILBID) indicated a size of 730 +/- 10 kDa. A three-dimensional map was generated by electron microscopy from negatively stained images. The map at a resolution of 2.3 nm shows the A(1) and A(0) domain, connected by a central stalk and two peripheral stalks, one of which is connected to A(0), and both connected to A(1) via prominent knobs. X-ray structures of subunits from related proteins were fitted to the map. On the basis of the fitting and the LILBID analysis, a structural model is presented with the stoichiometry A(3)B(3)CDE(2)FH(2)ac(10).
Optimierung der Synthese eines neuen photolabil geschützten Nitroxid-Spin-Labels für RNA und DNA
(2023)
Im Rahmen dieser Arbeit konnte, ausgehend von den günstigen Ausgangsverbindungen Desoxyadenosin und Phthalsäureanhydrid, ein neues photolabil geschütztes Nukleotid 1 und sein Dummypartner 2 synthetisiert werden. Positiv zu bemerken ist, dass einige Schritte im Vergleich zu ähnlichen literaturbekannten Reaktionen in Einfachheit, Reinheit oder Ausbeute verbessert wurden. So konnte die Ausbeute der wichtigen Umwandlung des Amins 46 zum Iodid 47 durch den Ersatz des vorherigen DCM/DIM Gemisches durch reines DIM von 15 % auf akzeptable 50 % erhöht werden, was nicht nur Zeit, sondern auch zukünftige Chemikalienmengen einspart. Nicht nur hierbei, sondern auch bei der Nitrierung zu 61 oder auch der Oxidierung zu 63 war es von äußerster Wichtigkeit eine korrekte Temperaturkontrolle durchzuführen, da es sonst zu hohen Ausbeuteverlusten durch ungewollte Nebenreaktionen kommen konnte. Eine sehr interessante Beobachtung war die Kontrolle der Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung durch die Anwendung verschieden starker Basen. Während schwache Basen wie KOAc nur zur Miyaura-Borilierung führten, begünstigten starke Basen wie K3PO4 die Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung. Die Zusammenführung des Zucker Bausteins 36 und des Isoindolin-Bausteins 37 funktionierte sehr gut, sodass das Nukleotid 1 durch die Schützung der exozyklischen Amingruppe und Phosphorylierung des 3´-OH dargestellt werden konnte.
Die Synthese der 14mer DNA bzw. RNA Sequenzen mit den neuen Nukleotiden 1 und 2 funktionierten mit zufriedenstellenden Ausbeuten, nur die Abspaltung der Pac-Gruppe benötigte etwas harschere Bedingungen von 50 °C in 32 % Ammoniak über Nacht. Die photolabile Schutzgruppe in Strang (V) mDNA-Tetramethyl konnte nun abgespalten und das Nitroxid an Luft reoxidiert werden. Anhand von EPR-Spektren und einer HPLC Analyse ergab sich jedoch eine Abspalteffizienz von nur 70 %. Dies bedeutet, dass für künftige PELDOR Messungen eine Aufreinigung des Spaltgemisches zur Isolierung des Radikal-Strangs von Nöten ist.
Anhand des Schmelzpunkts der verschiedenen Duplexe wurde anschließend die mögliche Anwendung des Nukleotids weiter analysiert. Hierbei stellte sich heraus, dass der Benzolring sowohl in 2 als auch in 1 eine erhebliche Destabilisierung des Duplex erzeugte. Somit ist das neue photolabil geschützte Nukleotid als EPR Sonde in der Mitte von Sequenzen nur bedingt geeignet. Zukünftige Experimente könnten das neue Spin Label nicht in der Mitte, sondern an den Enden der Sequenzen ähnlich anderer Arbeiten[92,94,164] einbauen, wo die Destabilisierung eine geringere Auswirkung hat, oder die Sequenz für eine bessere Stabilisierung verlängern.[164] Bei ausreichenden Duplexstabilitäten könnten hiermit dann PELDOR Messungen durchgeführt werden. Ähnlich starre, sterisch anspruchsvolle Nukleotide zeigten auch ähnliche Schmelzpunkte für ihre Duplexe[120], dennoch wurden sie für weitere Markierungsexperimente verwendet. Hierbei handelte es sich jedoch nicht um EPR Sonden, sondern um Fluoreszenzmarker. Da auch das neue Spin-Label 1 ein großes π-System besitzt, könnte eine komplett neue Herangehensweise die Anwendung als Fluoreszenzmarker sein. Genaue Absorptionsmessungen müssten noch durchgeführt werden, jedoch zeigte das Spin Label sehr stark fluoreszierende Eigenschaften unter der UV-Lampe während der Säulenchromatographie. Hierbei würde die Synthese um einiges kürzer ausfallen, da das EPR-aktive Nitroxid nicht mehr benötigt wird und geschützt werden muss, was Zeit und Chemikalien spart.
Zusammenfassend wurde über eine 22-stufige Synthese ein neues photolabil geschütztes Spin-Label synthetisiert, in ein 14mer integriert, erfolgreich entschützt und mittels EPR-Spektroskopie vermessen. Schmelzpunktmessungen zeigten jedoch eine große Destabilisierung und deuten darauf hin, dass 1 und Nukleotide mit ähnlich Benzolringen nur eingeschränkt als EPR-aktive Nukleotide geeignet sind.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese und Untersuchung funktioneller Materialien für die Modifizierung von Grenz- und Oberflächen. Einen wichtigen Einfluss auf die Bildung der untersuchten, hochgeordneten Strukturen hat das Konzept der Selbstanordnung, dessen Grundlage schwache Wechselwirkungen sind. Ihre Ausbildung erfordert das Vorliegen geeigneter, funktioneller Gruppen in den Präkursoren und damit die Nutzung der vielfältigen Möglichkeiten der chemischen Synthese zur Bereitstellung maßgeschneidert funktionalisierter Moleküle. Den fünf Projekten dieser Arbeit gemeinsam ist daher die Synthese und Untersuchung für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneter, dipolarer Präkursor-Moleküle, die zur Ausbildung funktioneller Koordinationspolymere (CPs) bzw. Metall-organischer Gerüstverbindungen (MOFs) und selbstanordnender Monolagen (SAMs) genutzt werden können. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern wurden auf dieser Grundlage Untersuchungen zur Anwendbarkeit der erhaltenen Materialien in der Sensorik und zur Oberflächenfunktionalisierung durchgeführt.
Im ersten Projekt dieser Dissertation erfolgte die Untersuchung der Bildungs- und Phasenumwandlungsreaktionen von zehn verschiedenen Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymeren. Neben bereits bekannten Koordinationspolymeren konnten so auch drei bisher literaturunbekannte CPs hergestellt und ihre Strukturen durch Kooperationspartner gelöst bzw. Strukturvorschläge gemacht werden. Die Identifikation und Auseinandersetzung mit strukturstabilisierenden Wechselwirkungen schließen dieses Projekt ab und bilden die Grundlage für die Untersuchung der Synthese und Stabilität abgeleiteter, komplexerer Koordinationspolymere.
Im Fokus des zweiten Projekts steht 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2, ein Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymer, dessen Kristallstruktur zuvor nicht bekannt war, im vorliegenden Projekt aber durch Kooperationspartner auf Basis des Röntgenpulverdiffraktogramms des Materials gelöst werden konnte. Der Vergleich der analytischen Daten von 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 mit der Literatur zeigte gute Übereinstimmungen u. a. der Diffraktogramme und IR-Spektren mit dem in der Literatur als SURMOF-2 bezeichneten, oberflächengebundenen Schichtmaterial. Aufgrunddessen kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei SURMOF-2 um 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 handelt, und folglich dessen Kristallstrukturlösung die beiden bisher in der Literatur vorhandenen Strukturvorschläge für SURMOF-2 ersetzt.
Im Rahmen des dritten Projekts sollten für die Sensorik anwendbare, MOF-basierte Dünnschichtsysteme hergestellt werden. Das Sensorkonzept, das auf der Änderung des dielektrischen Verhaltens der MOFs bei Einlagerung dipolarer Analytmoleküle beruht, erfordert den Einsatz dipolarer Liganden in den entsprechenden Koordinationsnetzwerken. Hierfür wurden mehrere teilweise dipolare pillar-Liganden synthetisiert und diese für den Aufbau von Kupfer(II)terephthalat-basierten pillared-layer MOFs eingesetzt. Im Rahmen des Projekts konnten so auf Grundlage der Erkenntnisse aus Projekt 1 und in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern neue pillared-layer MOFs hergestellt und ihre Kristallstrukturen gelöst werden. Die abschließend durch Kooperationspartner erfolgte Abscheidung dünner, oberflächengebundener Schichten dieser MOFs und erste Untersuchungen hinsichtlich ihrer Eignung für die geplante Sensorikanwendung runden das Projekt ab.
Im vierten Projekt sollte eine geeignete, in situ abspaltbare Schutzgruppe für die Thiolgruppe etabliert und ihr Einfluss auf die Bildung von Terphenylthiolat-SAMs untersucht werden. Diese Voraussetzung erfüllt die im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel von CH3-, F- und CF3-terminierten Terphenylthiolen etablierte 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe, die sich durch den Zusatz von Trifluoressigsäure in der Abscheidungslösung in situ abspalten lässt. Zum Vergleich wurden von Kooperationspartner Monolagen aus den entsprechenden freien Thiolen abgeschieden und untersucht. Schichtdicken, Packungsdichten, Kippwinkel und Elementarzellen von Monolagen aus freien und geschützten Terphenylthiolen zeigen gute Übereinstimmungen. Im Gegensatz zu anderen, ebenfalls in situ abspaltbaren Gruppen hat die Anwesenheit der 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe folglich keinen negativen Einfluss auf die Struktur und Qualität der gebildeten Monolagen.
In Fortführung des vorangegangenen Projekts wurde im abschließenden Projekt in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern der Einfluss verschiedener Kopfgruppen (H-, CH3-, F-, CF3- und SF5-) und der Länge des aromatischen Rückgrats (Phenyl-, Biphenyl- und Terphenyl-) auf die Ladungstransporteigenschaften der entsprechenden SAMs untersucht. Mit Ausnahme einiger Benzolthiole, lieferten alle betrachteten Präkursoren hochgeordnete, dicht gepackte Schichten aus aufrecht angeordneten Molekülen. Wie erwartet korreliert die Austrittsarbeit der modifizierten Oberflächen mit dem Dipolmoment der jeweiligen Kopfgruppe, wobei der Effekt der SF5-Gruppe mit einer erzielten Austrittsarbeit von annähernd 6 eV besonders hervorzuheben ist. Den Erwartungen entsprechend, sinkt die elektrische Stromdichte bei gleichbleibender Kopfgruppe mit steigender Moleküllänge. Die Stromdichte ist außerdem von der Kopfgruppe abhängig und nimmt von CH3- über H-, CF3- und SF5- bis hin zu F- ab, korreliert aber folglich nicht mit der Austrittsarbeit oder dem Dipolmoment.
Light-driven sodium pumps (NaRs) are unique ion-transporting microbial rhodopsins. The major group of NaRs is characterized by an NDQ motif and has two aspartic acid residues in the central region essential for sodium transport. Here we identified a new subgroup of the NDQ rhodopsins bearing an additional glutamic acid residue in the close vicinity to the retinal Schiff base. We thoroughly characterized a member of this subgroup, namely the protein ErNaR from Erythrobacter sp. HL-111 and showed that the additional glutamic acid results in almost complete loss of pH sensitivity for sodium-pumping activity, which is in contrast to previously studied NaRs. ErNaR is capable of transporting sodium efficiently even at acidic pH levels. X-ray crystallography and single particle cryo-electron microscopy reveal that the additional glutamic acid residue mediates the connection between the other two Schiff base counterions and strongly interacts with the aspartic acid of the characteristic NDQ motif. Hence, it reduces its pKa. Our findings shed light on a new subgroup of NaRs and might serve as a basis for their rational optimization for optogenetics.
The core of photosystem I (PS1) is composed of the two related integral membrane polypeptides, PsaA and PsaB, which bind two symmetrical branches of cofactors, each consisting of two chlorophylls and a phylloquinone, that potentially link the primary electron donor and the tertiary acceptor. In an effort to identify amino acid residues near the phylloquinone binding sites, all tryptophans and histidines that are conserved between PsaA and PsaB in the region of the 10th and 11th transmembrane alpha-helices were mutated in Chlamydomonas reinhardtii. The mutant PS1 reaction centers appear to assemble normally and possess photochemical activity. An electron paramagnetic resonance (EPR) signal attributed to the phylloquinone anion radical (A(1)(-)) can be observed either transiently or after illumination of reaction centers with pre-reduced iron-sulfur clusters. Mutation of PsaA-Trp(693) to Phe resulted in an inability to photo-accumulate A(1)(-), whereas mutation of the analogous tryptophan in PsaB (PsaB-Trp(673)) did not produce this effect. The PsaA-W693F mutation also produced spectral changes in the time-resolved EPR spectrum of the P(700)(+) A(1)(-) radical pair, whereas the analogous mutation in PsaB had no observable effect. These observations indicate that the A(1)(-) phylloquinone radical observed by EPR occupies the phylloquinone-binding site containing PsaA-Trp(693). However, mutation of either tryptophan accelerated charge recombination from the terminal Fe-S clusters.
The catalytic mechanism, electron transfer coupled to proton pumping, of heme-copper oxidases is not yet fully understood. Microsecond freeze-hyperquenching single turnover experiments were carried out with fully reduced cytochrome aa(3) reacting with O(2) between 83 micros and 6 ms. Trapped intermediates were analyzed by low temperature UV-visible, X-band, and Q-band EPR spectroscopy, enabling determination of the oxidation-reduction kinetics of Cu(A), heme a, heme a(3), and of a recently detected tryptophan radical (Wiertz, F. G. M., Richter, O. M. H., Cherepanov, A. V., MacMillan, F., Ludwig, B., and de Vries, S. (2004) FEBS Lett. 575, 127-130). Cu(B) and heme a(3) were EPR silent during all stages of the reaction. Cu(A) and heme a are in electronic equilibrium acting as a redox pair. The reduction potential of Cu(A) is 4.5 mV lower than that of heme a. Both redox groups are oxidized in two phases with apparent half-lives of 57 micros and 1.2 ms together donating a single electron to the binuclear center in each phase. The formation of the heme a(3) oxoferryl species P(R) (maxima at 430 nm and 606 nm) was completed in approximately 130 micros, similar to the first oxidation phase of Cu(A) and heme a. The intermediate F (absorbance maximum at 571 nm) is formed from P(R) and decays to a hitherto undetected intermediate named F(W)(*). F(W)(*) harbors a tryptophan radical, identified by Q-band EPR spectroscopy as the tryptophan neutral radical of the strictly conserved Trp-272 (Trp-272(*)). The Trp-272(*) populates to 4-5% due to its relatively low rate of formation (t((1/2)) = 1.2 ms) and rapid rate of breakdown (t((1/2)) = 60 micros), which represents electron transfer from Cu(A)/heme a to Trp-272(*). The formation of the Trp-272(*) constitutes the major rate-determining step of the catalytic cycle. Our findings show that Trp-272 is a redox-active residue and is in this respect on an equal par to the metallocenters of the cytochrome c oxidase. Trp-272 is the direct reductant either to the heme a(3) oxoferryl species or to Cu (2+)(B). The potential role of Trp-272 in proton pumping is discussed.
In the search for novel organic charge transfer salts with variable degrees of charge transfer we have studied the effects of two modifications of the recently synthesized donor–acceptor system [tetramethoxypyrene (TMP)]–[tetracyanoquinodimethane (TCNQ)]. One is of chemical nature by substituting the acceptor TCNQ molecules by F4TCNQ molecules. The second consists in simulating the application of uniaxial pressure along the stacking axis of the system. In order to test the chemical substitution, we have grown single crystals of the TMP–F4TCNQ complex and analyzed its electronic structure via electronic transport measurements, ab initio density functional theory (DFT) calculations and UV/VIS/IR absorption spectroscopy. This system shows an almost ideal geometrical overlap of nearly planar molecules stacked alternately (mixed stack) and this arrangement is echoed by a semiconductor-like transport behavior with an increased conductivity along the stacking direction. This is in contrast to TMP–TCNQ which shows a less pronounced anisotropy and a smaller conductivity response. Our band structure calculations confirm the one-dimensional behavior of TMP–F4TCNQ with pronounced dispersion only along the stacking axis. Infrared measurements illustrating the C[triple bond, length as m-dash]N vibration frequency shift in F4TCNQ suggest however no improvement in the degree of charge transfer in TMP–F4TCNQ with respect to TMP–TCNQ. In both complexes about 0.1e is transferred from TMP to the acceptor. Concerning the pressure effect, our DFT calculations on the designed TMP–TCNQ and TMP–F4TCNQ structures under different pressure conditions show that application of uniaxial pressure along the stacking axis of TMP–TCNQ may be the route to follow in order to obtain a much more pronounced charge transfer.
On the basis of the results obtained in a previous paper it is shown that in the thermodynamic limit the analogues of the Massieu-Plandc functions are linked with each other by means of the Legendre transformation. The existence of the limiting function φk(∞) implies the existence of the limiting function φl(∞) (l<k) under the same assumptions. Passage to the limit and derivation with respect to all independent variables commute. A statistical derivation of the thermodynamic stability condition in its most general form is given which leads naturally to a statistical interpretation of the concept of thermodynamic stability.
It is shown that, for all conceivable ensembles of statistical thermodynamics, at the thermodynamic limit, the frequency function of the fluctuations of macroscopic extensive parameters equals a Gaussian. The proof is based on a generalisation of Khinchin's method using the concept of "smoothed frequency functions."
Die Winkelabhängigkeit des ZEEMAN-Effektes der Kernquadrupolresonanzen (35Cl) eines Einkristalls von ortho-Dichlorbenzol wurde bei — 35°C vermessen. Das Kristallsystem ist monoklin. Die z-Achsen der Feldgradiententensoren im Molekül bilden einen Winkel von (64,7 ±0,5)°. Der Asymmetrieparameter des Feldgradienten hat einen Wert von 0,100 ± 0,01. Die Winkelmeßeinrichtung wird beschrieben.