Biochemie und Chemie
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A new polymorph of the title compound, [Pd2(C8H18P)2(C8H19P)2], has been found. It belongs to the triclinic P-1 space group, whereas the known form [Leoni, Sommovigo, Pasquali, Sabatino & Braga (1992 [triangle]), J. Organomet. Chem. 423, 263–270] crystallizes in the monoclinic C2/c space group. The title compound features a dinuclear palladium complex with a planar central Pd2(μ-P)2 core (r.m.s. deviation = 0.003 Å). The Pd—Pd distance of 2.5988 (5) Å is within the range of a PdI—PdI bond. The molecules of both polymorphs are located on a crystallographic centre of inversion. The molecular conformations of the two polymorphs are essentially identical. The crystal packing patterns, on the other hand, are slightly different.
Atomic-level analyses of non-native protein ensembles constitute an important aspect of protein folding studies to reach a more complete understanding of how proteins attain their native form exhibiting biological activity. Previously, formation of hydrophobic clusters in the 6 M urea-denatured state of an ultrafast folding mini-protein known as TC5b from both photo-CIDNP NOE transfer studies and FCS measurements was observed. Here, we elucidate the structural properties of this mini-protein denatured in 6 M urea performing 15N NMR relaxation studies together with a thorough NOE analysis. Even though our results demonstrate that no elements of secondary structure persist in the denatured state, the heterogeneous distribution of R2 rate constants together with observing pronounced heteronuclear NOEs along the peptide backbone reveals specific regions of urea-denatured TC5b exhibiting a high degree of structural rigidity more frequently observed for native proteins. The data are complemented with studies on two TC5b point mutants to verify the importance of hydrophobic interactions for fast folding. Our results corroborate earlier findings of a hydrophobic cluster present in urea-denatured TC5b comprising both native and non-native contacts underscoring their importance for ultra rapid folding. The data assist in finding ways of interpreting the effects of pre-existing native and/or non-native interactions on the ultrafast folding of proteins; a fact, which might have to be considered when defining the starting conditions for molecular dynamics simulation studies of protein folding.
Die Untersuchung von RNA mittels NMR-Spektroskopie hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, weil die Zahl der neu entdeckten RNA-Funktionen, wie z.B. RNA-Schalter in Bakterien, stark gestiegen ist. Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe der NMR-Spektroskopie einen Beitrag zum besseren Verständnis der biochemischen Prozesse, in die RNA-Moleküle involviert sein können, zu leisten.
Im ersten Teil dieser Arbeit (Kapitel 2, 3 und 4) werden zum einen die Entwicklung neuer Methoden für die RNA-Strukturbestimmung vorgestellt und zum anderen die Leistungsfähigkeit der modernen NMR-spektroskopischen Strukturaufklärung demonstriert.
Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kapitel 5) wird die NMR-Spektroskopie zur Untersuchung der RNA-Schalter-Funktion eingesetzt. Die biologische Funktion von RNA oder Proteinen setzt oftmals eine dynamische Struktur voraus und involviert Konformationsänderungen infolge biochemischer Signalweiterleitung. Für die Charakterisierung solcher Prozesse eignet sich die NMR-Spektroskopie insbesondere gut, weil sie in Lösung unter verschiedenen Reaktionsbedingungen angewandt wer-den kann. Durch den direkten NMR-spektroskopischen Nachweis von Basenpaarungen können wichtige strukturelle Eigenschaften (Faltung, Strukturhomogenität und Dynamik) entschlüsselt und in einen Zusammenhang mit der Funktion gebracht werden.
Im Folgenden werden die einzelnen Kapitel vorgestellt.
Nachdem das erste Kapitel eine allgemeine Einleitung in die NMR-Spektroskopie, RNA-Struktur und Funktion der RNA-Schalter darstellt, folgt im Kapitel 2 die Einführung einer neuen Methode, die eine quantitative Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta in RNA/DNA mittels NMR-Spektroskopie ermöglicht (Abb. 1). Sie basiert auf der Wechselwirkung zwischen dem CH-Dipol und der 31P-CSA, die von der relativen Orientierung abhängig ist. Die Methode wurde für die CH- und CH2-Gruppen in Form von zwei Pulssequenzen (2D- und 3D-G-HCP) zur Messung von insgesamt fünf kreuz-korrelierten Relaxationsraten entlang des RNA/DNA-Rückgrats optimiert. Die Funktionsfähigkeit der Methode wurde zunächst an der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA getestet und zur Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta genutzt. Die Ergebnisse flossen in die Strukturrechnung der 14mer RNA, die im Kapitel 3 vorgestellt wird, mit ein. Des Weiteren gelang es die Anwendbarkeit der Experimente an einer größeren 27mer RNA zu demonstrieren. Die neue Methode ist deswegen von Bedeutung, weil die Winkel alpha und zeta nicht über 3J-Kopplungskonstanten gemessen werden können.
(Nozinovic, S., Richter, C., Rinnenthal, J., Fürtig, B., Duchardt-Ferner, E., Weigand, J. E., Schwalbe, H. (2010), J. Am. Chem. Soc. 132, 10318-10329.)
Im Kapitel 3 wird die NMR-spektroskopische Bestimmung der Struktur einer Model-RNA, der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA, vorgestellt. Die Strukturrechung wurde mit verschiedenen NMR-Datensätzen, die in der Arbeitsgruppe einschließlich dieser Doktorarbeit gesammelt wurden, durchgeführt. Zusammen mit den Ergebnissen aus dem Kapitel 2 konnte eine sehr präzise Struktur mit einem RMSD von 0,37 Å (20 Strukturen) in sehr guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten ermittelt werden. Die gerechnete Struktur repräsentiert eine der gegenwärtig genauesten und umfassendsten Strukturbestimmungen einer RNA, bei der jeder Torsionswinkel quantitativ bestimmt wurde. Einen besonderen Höhepunkt stellt die strukturelle Analyse der 2’OH-Gruppen dar, die im anschließenden Kapitel 4 weiter vertieft wurde.
(Nozinovic, S., Fürtig, B., Jonker, H. R. A., Richter, C., Schwalbe, H. (2010), Nucleic Acids Res. 38, 683-694)
Über Jahre war bekannt, dass die Größe der 1J(C1’,H1’)- und 1J(C2’,H2’)-Kopplungskonstanten innerhalb der Ribonukleotide von der lokalen Struktur des Zuckers und der Orientierung der Nukleobase beeinflusst wird. In dieser Arbeit (Kapitel 4) wurde zum ersten Mal ein systematischer Vergleich zwischen NMR-Messungen und DFT-Rechnungen durchgeführt, der eine eindeutige Zuordnung der Hauptkonformationen des Zuckers (C3’- oder C2’-endo) und der Nukleobase (anti oder syn) anhand der 1J(C,H)-Kopplungskonstanten erlaubt. Die beschriebene Methode wurde an einer größeren 27mer RNA erfolgreich erprobt. Weiterhin wurde erstmalig entdeckt, dass zudem die Orientierung der 2’OH-Gruppe einen signifikanten Einfluss auf die 1J(C,H)-Kopplungen hat (Abb. 3). Mithilfe von NMR-Messungen und DFT-Rechnungen konnte aus 1J(C,H)-Kopplungskonstanten die Orientierung von allen 2’OH-Gruppen in der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA bestimmt werden. Die Methode hat den großen Vorteil, dass 2’OH-Gruppen, die aufgrund des schnellen Austauschs mit Wasser oder D2O keine NMR-Signale liefern, analysiert werden kön-nen.
(Nozinovic, S., Gupta, P., Fürtig, B., Richter, C., Tüllmann, S., Duchardt-Ferner, E., Holthausen, M. C., Schwalbe, H. (2011), Angew. Chem. Int. Ed. 50, 5397-5400)
Im Kapitel 5 wird eine NMR-spektroskopische Untersuchung an der Aptamerdomäne des Adenin-bindenden RNA-Schalters (pbuE) vorgestellt. Im Fokus der Forschung stand die Frage: Welchen Einfluss hat die Länge der P1-Helix auf die Struktur und die Ligandbindung der freien Aptamer-domäne?
Durch den Vergleich von zwei Konstrukten mit unterschiedlich langer P1-Helix war es möglich, intrinsische Scherkräfte, die durch die Ausbildung der P1-Helix in der freien Aptamerdomäne entstehen, festzustellen. Es hat sich im Konstrukt mit der verlängerten P1-Helix gezeigt, dass diese zur Destabilisierung der P3-Helix und des Schlaufenkontakts führen. Diese strukturellen Änderungen haben außerdem zur Folge, dass die Bindungsstärke des Liganden reduziert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass ein strukturelles Gleichgewicht zwischen Sekundärstrukturelementen die tertiäre Faltung beeinflusst und die Funktion moduliert.
(Nozinovic, S., Reining, A., Noeske, J., Wöhnert, J., Schwalbe, H. (2011), in Vorbereitung)
Essentially any behavior in simple and complex animals depends on neuronal network function. Currently, the best-defined system to study neuronal circuits is the nematode Caenorhabditis elegans, as the connectivity of its 302 neurons is exactly known. Individual neurons can be activated by photostimulation of Channelrhodopsin-2 (ChR2) using blue light, allowing to directly probe the importance of a particular neuron for the respective behavioral output of the network under study. In analogy, other excitable cells can be inhibited by expressing Halorhodopsin from Natronomonas pharaonis (NpHR) and subsequent illumination with yellow light. However, inhibiting C. elegans neurons using NpHR is difficult. Recently, proton pumps from various sources were established as valuable alternative hyperpolarizers. Here we show that archaerhodopsin-3 (Arch) from Halorubrum sodomense and a proton pump from the fungus Leptosphaeria maculans (Mac) can be utilized to effectively inhibit excitable cells in C. elegans. Arch is the most powerful hyperpolarizer when illuminated with yellow or green light while the action spectrum of Mac is more blue-shifted, as analyzed by light-evoked behaviors and electrophysiology. This allows these tools to be combined in various ways with ChR2 to analyze different subsets of neurons within a circuit. We exemplify this by means of the polymodal aversive sensory ASH neurons, and the downstream command interneurons to which ASH neurons signal to trigger a reversal followed by a directional turn. Photostimulating ASH and subsequently inhibiting command interneurons using two-color illumination of different body segments, allows investigating temporal aspects of signaling downstream of ASH.
Using an electrophysiological assay the activity of NhaA was tested in a wide pH range from pH 5.0 to 9.5. Forward and reverse transport directions were investigated at zero membrane potential using preparations with inside-out and right side-out-oriented transporters with Na+ or H+ gradients as the driving force. Under symmetrical pH conditions with a Na+ gradient for activation, both the wt and the pH-shifted G338S variant exhibit highly symmetrical transport activity with bell-shaped pH dependences, but the optimal pH was shifted 1.8 pH units to the acidic range in the variant. In both strains the pH dependence was associated with a systematic increase of the Km for Na+ at acidic pH. Under symmetrical Na+ concentration with a pH gradient for NhaA activation, an unexpected novel characteristic of the antiporter was revealed; rather than being down-regulated, it remained active even at pH as low as 5. These data allowed a transport mechanism to advance based on competing Na+ and H+ binding to a common transport site and a kinetic model to develop quantitatively explaining the experimental results. In support of these results, both alkaline pH and Na+ induced the conformational change of NhaA associated with NhaA cation translocation as demonstrated here by trypsin digestion. Furthermore, Na+ translocation was found to be associated with the displacement of a negative charge. In conclusion, the electrophysiological assay allows the revelation of the mechanism of NhaA antiport and sheds new light on the concept of NhaA pH regulation.
In der vorliegenden Dissertation stand die Aufklärung der Funktion und Regulation von p21 in der Mitose im Mittelpunkt. p21 ist als Cdk-Inhibitor und Schlüsselregulator bekannt, der in viele fundamentale zelluläre Prozesse involviert ist: Zellzyklusregulation, Apoptose, Seneszenz, Zellmigration und Dynamik des Zytoskeletts, Transkription, Differenzierung sowie DNA-Reparatur, aber auch in die Umprogrammierung induzierter pluripotenter Stammzellen (Besson et al. 2008; Abbas und Dutta 2009; Jung et al. 2010).
Die unkontrollierte Proliferation von Zellen ist mit der Tumorgenese assoziiert und wird unter anderem durch die Fehlregulation von p21, aber auch durch die wichtigen mitotischen Kinasen Cdk1, im Komplex mit ihrer regulatorischen Untereinheit Cyclin B1, sowie Plk1 bedingt. Zudem ist das Fehlen von p21 oder die Fehllokalisation in das Zytoplasma mit einer schlechteren Prognose für den Patienten und Chemotherapie-Resistenz von Tumoren verbunden (Abukhdeir und Park 2008). Aufgrund der zunehmenden Inzidenz und Mortalität von Krebserkrankungen ist es daher von besonderem klinischem Interesse, die molekularen Ursachen für die Entstehung maligner Tumorerkrankungen aufzuklären. Bislang existieren kaum Studien über welche molekularen Mechanismen die Funktionen von p21, dem wichtigsten Cdk-Inhibitor, der zum Beispiel durch die Anwendung niedermolekularer Inhibitoren wie BI 2536, das sich bereits in klinischen Phase II Studien befindet (Strebhardt 2010), beeinflusst wird, während der Mitose reguliert werden.
In der vorliegenden Dissertation wurde daher die physiologische Rolle des Cdk-Inhibitors bzw. Regulators p21 während der Mitose untersucht und mit der Kinaseaktivität von Cdk1/Cyclin B1, wie auch Plk1 korreliert. Es konnte gezeigt werden, dass p21 während der Mitose stark exprimiert wird und dass mitotisches p21 in verschiedenen Krebszelllinien unabhängig von dem p53-Status in einer phosphorylierten Form vorkommt, welche mit der Aktivität von Cdk1 und weniger mit der von Cdk2 assoziiert ist. Durch Untersuchungen der isogenen HCT116-Zelllinien mit und ohne p21 wurde aufgezeigt, wie wichtig p21 für den ordnungsgemäßen Ablauf der Mitose ist. Ohne p21 sind sowohl die Anaphase wie auch die Zytokinese verlängert, die Zellen ordnen die Chromosomen fehlerhaft in der Metaphaseplatte an (congression Fehler), besitzen weitaus mehr lagging Chromosomen und fast 20 % der Zellen weisen im Versuchsverlauf Polyploidie auf. Durch den Verlust des Cdk-Regulators p21 kommt es zur Fehlregulation von Cdk1 und seiner Substrate (wie MCAK) und es treten die oben beschriebenen Probleme auf.
Weiterhin phosphoryliert Cdk1/Cyclin B1 p21 an Ser-130 in vitro und ex vivo in der frühen Phase der Mitose, der Prophase bzw. Prometaphase. Die nicht phosphorylierbare p21 Form S130A befindet sich hauptsächlich im Zellkern und führt zu vermehrtem Auftreten von congression Fehlern, während die S130D-Mutante, die die Phosphorylierung durch Cdk1 vortäuscht, schneller degradiert wird und zudem den Phänotyp der HCT116 p21-/- Zellen verstärkt. Zellen, die S130D exprimieren, benötigen mehr Zeit für das Durchlaufen der Mitose. Hier ist vor allem die Metaphase stark verlängert, aber auch Anaphase und Zytokinese. Dies führt zu congression Fehlern und zu Polyploidie. Diese Ergebnisse bestätigen, wie wichtig die zeitlich korrekte Phosphorylierung von p21 und die dadurch vermittelte Aktivierung von Cdk1/Cyclin B1 ist.
Darüber hinaus stabilisiert die Suppression von Plk1 das p21 Protein, was darauf hinweist, dass die Degradation von p21 während der Prometaphase von Plk1 kontrolliert wird. Dies wird von der Tatsache unterstützt, dass Ser-114, wie auch Ser116 von Plk1 in vitro phosphoryliert wird. Die Deregulation von p21 durch Plk1, SS114/116AA bzw. SS114/116DD induziert Chromosomenfehler, wodurch die molekularen Mechanismen, warum fehlreguliertes Plk1 die Tumorgenese fördert, hervorgehoben werden.
Nach Abschluss der bisherigen Untersuchungen steht fest, dass man sich von der starren Rolle von p21 als Tumorsuppressor und Akteur während der G1/S-Phase lösen muss. Der Cdk-Inhibitor p21 trägt entscheidend zur mitotischen Progression bei, vor allem bedingt durch die zeitlich ordnungsgemäße Inaktivierung bzw. Aktivierung von Cdk1/Cyclin B1, der Kinase, die wiederum zahlreiche für die Mitose essentielle Proteine reguliert. In Zukunft muss zum besseren Verständnis der Rolle von p21 in der Mitose die genaue Abfolge der Ereignisse unter Einbeziehung der Degradationsmechanismen eingehender untersucht werden.
Large crystals of the methyl ester of the N-a-benzyloxycarbonyl protected Ala-Phe dipeptide (Z-AF-OMe) were obtained after the very slow evaporation of a solution of the corresponding carboxylic acid (Z-AF-OH) in methanol containing an excess of HCl. The structure was confirmed by single crystal X-ray diffraction data. It crystallizes in the orthorhombic space group P212121 with unit cell dimensions a = 5.0655(6) Å, b = 8.4614(8) Å, c = 46.856(5) Å, V = 2008.3(4) Å3, Z = 4. In the crystal, the molecules form hydrogen bonded chains running along the a axis of the unit cell. Other secondary interactions are also discussed.
YS-121 [2-(4-chloro-6-(2,3-dimethylphenylamino)pyrimidin-2-ylthio)octanoic acid] is the result of target-oriented structural derivatization of pirinixic acid. It is a potent dual PPARα/γ-agonist, as well as a potent dual 5-LO/mPGES-1-inhibitor. Additionally, recent studies showed an anti-inflammatory efficacy in vivo. Because of its interference with many targets, YS-121 is a promising drug candidate for the treatment of inflammatory diseases. Ongoing preclinical studies will thus necessitate huge amounts of YS-121. To cope with those requirements, we have optimized the synthesis of YS-121. Surprisingly, we isolated and characterized byproducts during the resulting from nucleophilic aromatic substitution reactions by different tertiary alkylamines at a heteroaromatic halide. These amines should actually serve as assisting bases, because of their low nucleophilicity. This astonishing fact was not described in former publications concerning that type of reaction and, therefore, might be useful for further reaction improvement in general. Furthermore, we could develop a proposal for the mechanism of that byproduct formation.
Two tetrahydroisoquinoline alkaloids were extracted from the alkaloid fraction of a methanol extract of the seeds of Calycotome Villosa Subsp. intermedia. Their structures were established as (R)-1-hydroxymethyl-7-8-dimethoxy-1,2,3,4-tetrahydro- isoquinoline (1) and (S)-7-hydroxymethyl-2-3-dimethoxy-7,8,9,10-tetrahydroisoquinoline chloride (2) by spectroscopic techniques and X-ray diffraction analysis.
The title thiourea was synthesized by reaction of 3,4,5-trimethoxybenzoyl isothiocyante with 3-fluoroaniline. The 3,4,5-trimethoxybenzoyl isothiocyante was produced in situ by reaction of 3,4,5-trimethoxybenzoyl chloride with ammonium thiocyanate in dry acetonitrile. The structure was confirmed by the spectroscopic, elemental analysis and single crystal X-ray diffraction data. It crystallizes in the monoclinic space group P21/c with unit cell dimensions a = 13.0966(9), b = 16.6460(13), c = 7.8448(5), β = 106.721(5)°, V 1637.9(2) ų, Z = 4.