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Cells perform a wide range of functions such as signalling, transportation, immunoprotection and metabolism. Unravelling the molecular mechanism behind those processes will provide a platform for more targeted and rational drug design. This is achieved by discerning the structural and functional aspects of the biological macromolecules involved. This thesis discusses about the biophysical characterization of protein structures and the biological importance of protein dynamics. Membrane receptors and enzymes which are ubiquitously present in our biological systems and regulate wide variety of functions are excellent choice for such study. From a pharmaceutical point of view, receptor and enzymes are exceptionally important drug targets as they represent the major share (receptor, 30% and enzymes, 47%) of all marketed drugs. Therefore, apart from biological insights, the detailed study of receptors and enzymes will provide the basis for new pharmaceutical applications. Most information about receptor activation and enzyme activity come from the structural and functional analysis of target members of the above mentioned systems.
In “Chapter 1 – General Introduction” the readers are introduced to the world of proteins with special focus on G-protein coupled receptors (GPCRs) and methyltransferases. The first part of this chapter discusses about GPCRs with emphasis on their classification, structural features and functions. GPCRs are the most abundant membrane receptors present in mammalian cells, accounting for almost 15% of all membrane proteins. The GPCR superfamily consists of ~800 members and can be subdivided into six classes (A-F). Class A containing rhodopsin, peptide hormones, olfactory GPCRs, is the most abundant with a large share of 85% of GPCR protein family. GPCRs share a common architecture of 7 transmembrane a-helices, with different ligand binding sites. Although a variety of ligands ranging from subatomic particles (a photon) to large proteins can activate a GPCR, their mechanism of signal transduction is almost similar. There are two major signal transduction pathways identified for GPCRs: the cAMP pathway and the phosphatidylinositol pathway. The therapeutic relevance of GPCRs has also been pointed out here since a large share (30%) of modern marketed drugs target GPCRs.
In the second part of this chapter, the structural and functional characterizations of methyltransferases (MTs) are discussed in detail. Several important biological processes in cells e.g. drug metabolism, gene transcription, epigenetic regulations are modulated by methylation of targets ranging from small biomolecules to large proteins. MTs are the proteins which catalyze this methylation reaction and transfer the methyl group to an acceptor molecule through SN2 like nucleophilic substitution reaction. The MTs can be classified on the basis of the substrate atoms they methylate: O (54% of all MTs), N (23%), C (18%), S (3%) and other acceptors (such as halides; 2%). They can also be categorized into five different classes (Class I-V) depending upon distinctive structural features facilitating substrate binding or catalytic activity. Rossmann fold and SET (acronym acquired from the Drosophila Su(var)3-9 and 'Enhancer of zeste' proteins) domain are the two characteristic structural motifs commonly found in MTs. Similar to GPCRs, MTs dysfunction has been shown to be involved in various diseases including neuropsychiatric diseases and cancer. Therefore they are also interesting targets for drug development. The final part of this chapter discusses the importance of structural biology in gathering information related to structure and conformational dynamics of proteins. The two prominent biophysical techniques used in structural biology, X-ray crystallography and NMR, are discussed with focus on their advantages and limitation. The importance of NMR spectroscopic techniques to investigate different dynamic processes of protein at atomic resolution under physiological conditions is also discussed. Real time NMR spectroscopy required for the analysis of slow protein dynamic processes (protein folding, enzyme catalysis, domain rearrangement) has been explained in detail.
The second part of the thesis (Chapters 3-4), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped into 2 chapters according to their topic:
• NMR-spectroscopic characterization of the transiently populated photointermediates of bovine rhodopsin and it’s interaction with arrestin (Chapter 3)
• Structural and biophysical characterization of PaMTH1, a putative SAM dependent O-methyltransferase from filamentous fungi Podospora anserina (Chapter 4)
Each chapter is initiated by a detailed introduction to the topic, providing the framework for the following papers. The personal contribution of this thesis’ author to each publication is stated in the introduction to the respective article.
Photoinduzierte Energietransferprozesse und -reaktionen spielen in vielen Gebieten von Chemie, Physik und Biologie eine wichtige Rolle. Zu den prominentesten Beispielen zählen der Lichtsammelprozess in der Photosynthese und der Anregungsenergietransfer in funktionellen Materialien. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf letzterem Bereich, genauer auf organischer Elektronik und flexiblen Donor-Akzeptor-Bausteinen und Schaltern. Im Besonderen werden hier zwei verschiedene Typen von funktionellen organischen Systemen betrachtet: zum einen oligomere Fragmente organischer halbleitender Polymere wie Oligo-p-Phenylen-Vinylen (OPV) und Oligo-Thiophen (OT), welche als Bausteine für neuartige organische Solarzellen dienen, und zum anderen kleine funktionelle Donor-Akzeptor-Einheiten wie Dithienylethen-Bordipyrromethen (DTE-BODIPY). Letzteres wurde in Kooperation mit den experimentellen Gruppen von K. Rück-Braun (TU Berlin) und J. Wachtveitl (Goethe Universität) untersucht. Um die relevanten Energietransfermechanismen genauer zu verstehen, wurden an diesen Systemen elektronische Strukturrechnungen und quantendynamische Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wurden mittels ab initio-Methoden Modell-Hamiltonians parametrisiert und mit hochdimensionalen quantendynamischen oder semiklassischen Methoden kombiniert. Während die Parametrisierung für kleinere Fragmente durchgeführt wurde, lässt sich der so parametrisierte Hamiltonian ohne Weiteres auf größere Systeme erweitern. Die dynamischen Studien der betreffenden Systeme wurden mittels der Multikonfigurationellen Zeitabhängigen Hartree (MCTDH) Methode durchgeführt, welche eine vollständige quantendynamische Beschreibung des Systems zulässt. Für größere Systeme wurde die semiklassische Ehrenfest Methode in Verbindung mit dem Langevin-Ansatz zur Beschreibung von Umgebungseffekten genutzt. Hierzu wurde ein eigens für diese Methode und Systeme geschriebenes Programm eingesetzt. Im Falle der OT- und OPV-Oligomere wurde die Dynamik bei Vorliegen eines strukturellen Defekts untersucht. Ziel war es hierbei, die dynamischen Phänomene, welche durch die Photoanregung induziert werden, zu untersuchen. Des Weiteren wurde untersucht, ob das Konzept von „spektroskopischen Einheiten“, welche die Lokalisierung der Anregung durch strukturelle Defekte beschreibt, in diesen Systemen zutrifft. Hierzu wurden die Systeme in einer Frenkel-Basis definiert, welche ein auf einem Monomer lokalisiertes Elektron-Loch-Paar beschreibt. Delokalisierte elektronische Anregungen können somit als Superposition solcher Frenkel-Zustände beschrieben werden. Neben der Frenkel-Basis wurde aber auch eine verallgemeinerte Elektron-Loch-Basis verwendet, welche über zusätzliche Ladungstransferzustände eine räumliche Separation von Elektronen und Löchern erlaubt.Die Parametrisierung des OPV- und OT-Hamiltonians erfolgte mittels der Algebraischen Diagrammatischen Konstruktions (ADC(2))-Methode, welche in Kombination mit einer Übergangs-Dichte-Matrix-Analyse eine sehr akkurate Beschreibung der Frenkel- und Ladungstransferzustände basierend auf den supermolekularen Zuständen erlaubt. Um vibronische Effekte auf die Dynamik miteinzubeziehen,wurden nieder- und hochfrequente Torsions- und alternierende Bindungslängenmoden des Systems im Hamiltonian berücksichtigt. Hierzu wurden eindimensionale Schnitte der Potentialflächen entlang dieser Koordinaten berechnet und mittels einer Transformation in diabatische Potentialflächen überführt. Mit diesem Setup wurden die quantendynamischen und semiklassischen Simulationen für ein OPV/OT-Hexamer und ein 20-mer durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass der Energietransfer auf einer Subpikosekunden-Zeitskala stattfindet und eine starke Abhängigkeit vom Vorliegen eines strukturellen Defekts aufweist. Des Weiteren konnte auf einer Zeitskala von 100 Femtosekunden eine Lokalisierung des Exzitons beobachtet werden. Fluktuationseffekte werden zudem über Quantenfluktuationen im Falle von MCTDH bzw. über thermische Fluktuationen im Falle des Ehrenfest-/Langevin-Ansatzes berücksichtigt. Letzterer ist jedoch nicht in der Lage, die kohärente Charakteristik der mit den Schwingungsmoden gekoppelten Exziton- und Lokalisierungsdynamik wiederzugeben. Dagegen kann dieser Ansatz erfolgreich genutzt werden, um eine fluktuationsgetriebene „Hopping“-Dynamik des quasi- stationären Zustandes auf einer längeren Zeitskala in Abhängigkeit von der Temperatur zu beschreiben. Die Beschreibung der Photodynamik der DTE-BODIPY-Dyade zielt darauf ab, experimentell beobachtete vibrationelle Schwingungen des BODIPY-Fragments zu erklären, die ohne eine direkte Anregung dieses Fragments zustande kommen. Diese wurden nach einer selektiven Anregung des DTE-Fragments in zeitaufgelösten UV/Vis Anreg-Abtast-Experimenten beobachtet. Der Fokus der Untersuchung liegt daher auf der Beschreibung der photoinduzierten intramolekulare Energieumverteilung (IVR) auf einer Subpikosekunden-Zeitskala. Die DTE-BODIPY Dyade wurde mittels eines Hamiltonians, welcher durch TDDFT Rechnungen parametrisiert wurde, dargestellt. Basierend auf den Normalmoden des Systems, wurden lokale DTE- und BODIPY-Moden konstruiert, wobei einige dieser Moden miteinander gekoppelt sind und die Photoanregung des DTE auf das BODIPY-Fragment übertragen. Hierbei zeigte sich, dass die Zeitskala und die charakteristischen Frequenzen des Experiments mittels der hochdimensionalen MCTDH-Methode gut reproduziert wurden. Aus den Simulationen ergab sich zudem, dass der beobachtete Energietransfer stark von einem Reservoir von vibrationell angeregten lokalen DTE-Moden beeinflusst wird. Der untersuchte IVR- Prozess zeigt zudem eine ausgeprägte Abhängigkeit von lokalen Kopplungen und der Kopplung an eine Umgebung.
Für die Optimierung sowie Entwicklung lichtsteuerbarer Systeme für biologische Anwendungen oder neue Materialien ist ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden komplexen, lichtinduzierten Prozesse eine Voraussetzung. Die Verwendung von Photoschaltern in Makromolekülen ermöglicht eine zeitliche und örtliche Kontrolle über strukturelle Änderungen sowie die entsprechend folgenden (biologischen) Funktionen durch die Verwendung von Licht als externem Auslöser.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines auf Licht reagierenden Riboschalters, welcher die gezielte Kontrolle über Genexpression ermöglicht. Hierzu wurde eine spektroskopische Charakterisierung von verschiedenen Photoschaltern bezüglich einer Verwendung als biologischer Ligand sowie der Wechselwirkungen zwischen Azobenzolen und RNA, auch hinsichtlich ihrer Bindungsdynamiken durchgeführt. Zunächst wurde die hohe Abhängigkeit der (photo-)chemischen Eigenschaften der Azobenzole von der Wahl der Substituenten untersucht, wobei besonders die Anwendung in wässrigem Milieu betrachtet wurde. In einer detaillierten (zeitaufgelösten) Studie wurde der positionsabhängige Einfluss der Hydroxy-Substitution von Azobenzolen auf die Photoisomerisierung in wässriger Lösung untersucht. Für eine ortho-Substitution ergab sich hierbei ein alternativer Deaktivierungskanal nach Photoanregung, welcher stärker ausgeprägt ist als die Isomerisierung. Hierbei wird ein intramolekularer Protontransfer im angeregten Zustand (ESIPT) beobachtet, welcher mit einer Zeitkonstante von 0.3 ps beschrieben werden kann und in einer Keto-Spezies resultiert. Eine Keto-Enol-Tautomerie konnte für die para-Hydroxy-Substitution schon im Grundzustand beobachtet werden. Somit können beide Spezies gezielt adressiert werden. Durch Acetylierung der Hydroxygruppe verlangsamt sich die thermische Relaxation des cis-Isomer zu dem entsprechenden trans-Isomer signifikant ohne die Isomerisierung zu beeinträchtigen. Dementsprechend ermöglicht eine solche Acetylierung die Verwendung von bekannten Azobenzolderivaten als Photoschalter.
Zudem werden in dieser Arbeit zwei verschiedene Herangehensweisen in der Entwicklung eines Riboschalters beschrieben, welcher sich durch Licht regulieren lässt.
Diese sind durch kovalentes bzw. nicht-kovalentes Einbringen eines Azobenzolderivats in die RNA Struktur charakterisiert. Ein neuer Linker, welcher auf einer Desoxyribose-Struktur beruht, wird für die kovalente Anbindung des Azobenzols an den RNA Strang präsentiert, welcher eine licht-induzierte Dehybridisierung ermöglichen soll. Eine außergewöhnlich hohe Schaltamplitude mit einem cis-Gehalt von etwa 90% konnte für das Azobenzol im RNA Einzelstrang schon bei Raumtemperatur ermittelt werden. Zudem wurde der Einfluss des Photoschalters sowie der benachbarten Nukleotide in der RNA auf die Stabilität der RNA Doppelhelix untersucht. Die zweite Vorgehensweise beruht auf einer nicht-kovalenten Bindung zwischen einem Azobenzolderivat und einem RNA-Aptamer, welche lediglich für eines der Photoisomere ermöglicht wird, wodurch eine örtliche und zeitliche Kontrolle der Ligandenbindung der RNA erfolgt. Im Rahmen dieser Arbeit war es möglich zwei verschiedene photoschaltbare RNA Aptamere zu identifizieren und zu untersuchen, welche eine hohe Spezifität und Affinität aufweisen. Zudem wurde die Photoisomerisierung des Azobenzols innerhalb der RNA-Struktur sowie daraus resultierende lichtinduzierte Konformationsänderungen der RNA mittels zeitaufgelöster Anreg-/Abtastspektroskopie untersucht. Die daraus resultierende Dynamik der photoinduzierten Ligandenbindung sollte eine weitere gezielte Optimierung lichtschaltbarer biologischer Systeme erlauben.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der zeitaufgelösten Untersuchung eines photoschaltbaren Foldamers. Speziell wurde der strukturelle Übergang des OmPE-Foldamers 10-5 zwischen einer definierten helikalen und einer ungefalteten Konformation auf Grund der Photoisomerisierung der, in das Rückgrat integrierten, Azobenzole untersucht.
Dabei konnten die frühen (Ent-)Faltungsmechanismen des Foldamers im sub-Nanosekunden-Zeitbereich beobachtet werden, welche durch quantenmechanische Rechnungen unterstützt werden konnten. Darüberhinaus, war es möglich einen Anregungsenergietransfer vom PE-Rückgrat des Foldamers auf die Azobenzole nachzuweisen, welcher die Lebensdauer der angeregten Zustände des Systems signifikant verkürzt.
Diese Arbeit liefert wichtige Informationen zu den Reaktionspfaden, den gezielten Wechselwirkungen zwischen Photoschaltern und größeren organischen Molekülen, sowie den daraus resultierenden lichtinduzierten strukturellen Änderungen durch die Anwendung einer Vielzahl an (zeitaufgelösten) spektroskopischen Methoden. Diese Ergebnisse tragen zum weiteren Verständnis komplexer Prozesse in biologischem sowie nicht-biologischem Zusammenhang und somit zu einer weiterführenden Entwicklung neuer Systeme bei.
Functional dynamics of ribonucleic acids : development and application of spectroscopic tools
(2016)
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird der Aufbau eines zeitaufgelösten Fluorimeters, die photophysikalische Grundcharakterisierung der drei 2-(Pyrenylethinyl)-Adenosine (PyAs) und das Wechselwirkungsgeflecht des tetracyclinbindenden Aptamers (TC-Aptamer) mit seinem Liganden Tetracycyclin (TC) und Mg2+ dargestellt.
Das zeitaufgelöste Fluorimeter basiert auf der experimentellen Technik des zeitkorrelierten Einzelphotonenzählens. Es verfügt über zwei Anregungsquellen: gepulste UV-LEDs und einen frequenzverdoppelten titandotierten Saphirlaser. Diese Quellen Decken einen Wellenlängenbereich von (310 - 550) nm ab. Das Spektrometer kann unter günstigen Umständen eine Zeitauflösung von 50 ps erreichen bei einer zeitlichen Messungenauigkeit von weniger als 0,02 %.
Die Leistungsfähigkeit des Aufbaus wird anhand einer umfangreichen Studie an den drei PyAs demonstriert.
Die drei PyAs 2-(1-Pyrenylethinyl)-Adenosine (1PyA), 2-(2-Pyrenylethinyl)-Adenosine (2PyA) und 2-(4-Pyrenylethinyl)-Adenosine (4PyA) sind eine Gruppe fluoreszierender RNA-Nukleosidanaloga, welche die Gesamtheit aller möglichen Konfigurations-isomere der Grundverbindung PyA umfassen. Ihre zeitabhängigen Fluoreszenzzerfallseigenschaften werden ergänzt von stationären Absorptions- und Fluoreszenzspektren, ultraschneller transienter Absorptionsspektroskopie und quantenchemischen Rechnungen. Die Fluoreszenz von 1PyA und 4PyA gehorchen der Regel von Kasha, wohingegen 2PyA einen triexponentiellen Zerfall mit ausgeprägter Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge zeigt. Die transienten Absorptionsspektren aller drei Isomere weisen im gesamten Spektrum dominante, wenig strukturierte Absorptionsbanden des ersten angeregten Zustands auf, welche im nahen UV in unterschiedlichem Maße vom Grundzustandsbleichen und stimulierter Emission überlagert werden. 2PyA zeigt eine deutlich ausgeprägte Signatur für eine interne Umwandlung hin zum S1, wenn es in höhere angeregte Zustände angeregt wird.
Das Fluoreszenzverhalten von 2PyA wird mithilfe eines lokal angeregten (LE) und zweier intramolekularer Ladungstransferzustände, von denen einer der koplanaren Orientierung von Pyren und Adenin (MICT) und der andere einer um 90 ° verdrehten Orientierung (TICT) entspricht. Der LE-Zustand ist hierbei verknüpft mit dem S2 von 2PyA, welcher einer rein pyrenlokalisierten Anregung entspricht. Dieser Zustand existiert so in 1PyA und 4PyA nicht. Der verdrehte TICT-Zustand ist nur in 2PyA bevölkerbar, weil für 2PyA die Barriere zur Bildung von Rotameren am niedrigsten ist und das Molekül nach Anregung daher in diese Geometrie kommen kann und dann durch die stärkere elektrostatische Anziehung stabilisiert wird. 1PyA und 4PyA emittieren hingegen nur aus dem MICT-Zustand.
Die Komplexbildung des TC-Aptamers mit seinem Liganden TC in Lösung wird empfindlich beeinflusst durch die-Konzentration von Magnesiumkationen. Dies wird untersucht durch Bindungs- und Faltungs- und Denaturierungsstudien mit verschiedenen Mg- und Harnstoffkonzentrationen. Als experimentelle Observable dienen hierbei die konformationsabhängige Nukleobasenabsorption und ihr Zirkulardichroismus im fernen UV, die Fluoreszenz des Liganden TC und die freiwerdende Wärme der exothermen Bindungsreaktion des Aptamers mit Mg in An- und Abwesenheit von TC.
Ohne Mg ist eine Interaktion des TC-Aptamers mit TC nicht nachweisbar. Dies liegt daran, dass Mg die notwendige elektrostatische Abschirmung der negativen elektrischen Ladung am RNA-Rückgrat zur Verfügung stellt. Die Abschirmung erlaubt es dem Aptamer kompakte Strukturen mit tertiären Kontakten auszubilden. Wenn die Mg-Konzentration die Faltung des Aptamers vollständig unterstützt (> 1 mM), so befindet sich das Aptamer weitgehend in einer vorgefalteten Konformation, welche der bindungskompetenten stark ähnelt. In diesem Zustand kann das Aptamer seinen Liganden extrem schnell, nämlich annähernd diffusionslimitiert binden. Unter diesen Bedingungen hat TC kaum Einfluss auf die Konformation seines Aptamers.
Bei physiologischen Mg-Konzentrationen (0,2 - 0,8 mM) kann das Aptamer kompakte Konformationen mit tertiären Strukturen einnehmen. Diejenige Konformation, welche der bindenden sehr stark ähnelt, dominiert das konformationelle Gleichgewicht jedoch noch nicht vollständig, es ist lediglich eine Konformation von vielen möglichen. Daher eröffnen physiologische Mg-Konzentrationen dem TC-Aptamer Teile des Konformationsraumes, welche andernfalls nicht zugänglich wären und TC stabilisiert selektiv die native Konformation. Diese konformationelle Verschiebung liefert kann hierbei zur robusten Signalgebung für die Funktion als Riboschalter dienen.