Biochemie und Chemie
Refine
Year of publication
Document Type
- Article (1113)
- Doctoral Thesis (729)
- Book (46)
- Preprint (34)
- Contribution to a Periodical (14)
- Conference Proceeding (11)
- Report (11)
- Review (9)
- diplomthesis (3)
- Part of a Book (2)
Has Fulltext
- yes (1978)
Is part of the Bibliography
- no (1978)
Keywords
- crystal structure (37)
- Crystal Structure (25)
- Synthesis (15)
- ESR Spectra (14)
- RNA (14)
- NMR-Spektroskopie (12)
- hydrogen bonding (11)
- IR Spectra (10)
- NMR spectroscopy (10)
- RNS (9)
Institute
- Biochemie und Chemie (1978)
- Medizin (83)
- Exzellenzcluster Makromolekulare Komplexe (68)
- Biowissenschaften (64)
- Präsidium (64)
- Zentrum für Biomolekulare Magnetische Resonanz (BMRZ) (63)
- Pharmazie (52)
- MPI für Biophysik (50)
- Sonderforschungsbereiche / Forschungskollegs (48)
- Georg-Speyer-Haus (22)
The reactions of diluted aqueous solutions of SO2 resp. HSO3-ions with MnO4-or Ce4+ ions in the pH range 1-4 produce chemiluminescence in the spectral region of 450-600 nm. Measurements of the time course of the light emission and their simulation on an analog computer led to a reaction scheme in which a recombination product of primarily formed HSO3 radicals -of a lifetime of about 1 second -appears as precursor of electronically excited SO2 molecules. The participation of singlet oxygen can be excluded because at least the reaction with Ce4+ ions proceeds also in the absence of oxygen.
In order to determine the influence of OH and O2H-radicals on proteins, bovine serum albumin (BSA) in aqueous solution was treated with Fenton’s reagent [Fe(II)SO4+EDTA+H2O2] and with ultraviolet light (λ > 2800 Å) in the presence of H2O2. The action of free radicals produced in this way did not change the properties of the native protein with respect to the sedimentation in the ultracentrifuge or optical rotatory dispersion and electrophoresis under normal conditions. Ampèrometric titration indicated partial oxidation of SH-groups and of 3—5 SS-groups which are not reducible by NaBH4.
Heat aggregation investigated by means of light-scattering was suppressed at pH 7.5 and strongly accelerated at pH 4.6 (range of coagulation), the latter being a result of increased entropy of activation of coagulation velocity.
The difference spectrum against native BSA had positive values of Δε and two maxima at 2480 and 2950 Å.
Ultracentrifugation at room temperature in phosphate buffer (pH 7.3, μ=0.18) furnishes a molecular weight of 63 300. In a solution of 8 M urea and borate buffer (pH 9, μ=0.05) fragments with molecular weights between 25 000 and 37 000 were observed while in phosphate buffer (pH 7.3, without urea) at temperatures higher than 46 °C an anomalous behaviour of the concentration gradient indicated an effect which possibly depends on a dissociation equilibrium.
As a consequence oxygen radicals seem to attack not only SH- and SS-groups but at least one covalent bond of the peptide chain. Some experiments of heat aggregation with BSA treated with γ-rays (60Co) gave the same results as BSA treated with Fenton’s reagent or UV-light+H2O2.
In systems containing singlet-oxygen and aromatic fluorescers energy transfer from singletoxygen dimers to the dye should be observable by emission of the fluorescer. In order to prove this hypothesis, externally generated singlet-oxygen (1Δg) was bubbled through the solutions of dyes (chlorophyll a, eosin y, rhodamine b, luminol, rubrene and acridine orange) in organic solvents.
Luminescence could be observed and its spectral distribution analyzed by sharp cut-off filters and interference filters (rubrene) . Spectra, rates of oxidation, addition of quenchers and the long lasting time dependence of the reported reactions lead to the conclusion that the observed afterglow is due to chemical oxidation mechanisms producing a chemiluminescence. Therefore an excitation of the substances investigated in these experiments by simple physical energy transfer seems not to be predominant.
Dodecins, a group of flavin-binding proteins with a dodecameric quaternary structure, are able to incorporate two flavins within each of their six identical binding pockets building an aromatic tetrade with two tryptophan residues. Dodecin from the archaeal Halobacterium salinarum is a riboflavin storage device. We demonstrate that unwanted side reactions induced by reactive riboflavin species and degradation of riboflavin are avoided by ultrafast depopulation of the reactive excited state of riboflavin. Intriguingly, in this process, the staggered riboflavin dimers do not interact in ground and photoexcited states. Rather, within the tetrade assembly, each riboflavin is kept under the control of the respective adjacent tryptophan, which suggests that the stacked arrangement is a matter of optimizing the flavin load. We further identify an electron transfer in combination with a proton transfer as a central element of the effective excited state depopulation mechanism. Structural and functional comparisons of the archaeal dodecin with bacterial homologs reveal diverging evolution. Bacterial dodecins bind the flavin FMN instead of riboflavin and exhibit a clearly different binding pocket design with inverse incorporations of flavin dimers. The different adoption of flavin changes photochemical properties, making bacterial dodecin a comparably less efficient quencher of flavins. This supports a functional role different for bacterial and archaeal dodecins.
Ziel dieser Arbeit war es zum einen Informationen über den Mechanismus in Dodecinproteinen zu gewinnen, der zu der effizienten Fluoreszenzlöschung von gebundenem Riboflavin und einer deutlichen Verlängerung der Lebendsdauer des Chromophors unter Lichteinwirkung führt. Zum anderen sollte mit Hilfe eines kurzen Modellpeptids, das eine Azobenzoleinheit als Photoschalter in seinem Peptidrückgrat enthielt, erste Schritte der Peptidfaltung untersucht werden.
Die Untersuchungen an Dodecinproteinen konzentrierten sich hauptsächlich auf archaeales Dodecin aus Halobacterium salinarum (HsDod). Eine Besonderheit der Dodecinproteine ist, dass sie im Gegensatz zu anderen Flavinbindeproteinen zwei Flavinmoleküle in jeder ihrer sechs identischen Bindetaschen einbauen können. Kurzzeitspektroskopische Untersuchungen im UV/vis-Spektralbereich zeigen, dass nach Photoanregung eines gebundenen Riboflavinmoleküls nach etwa 10 ps der Ausgangszustand wieder erreicht wird. Weiterhin zeigt das Fehlen der stimulierten Emission in den transienten Daten, dass bereits innerhalb der Zeitauflösung des Experiments, in weniger als 150 fs, der erste angeregte Zustand des Riboflavins entvölkert wird. Dies verhindert unerwünschte Reaktionen des Riboflavins und stellt eine Versorgung der Zelle mit diesem wichtigen Baustein für die Biosynthese von FMN und FAD sicher. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass zwei Spezies mit unterschiedlichen spektralen Signaturen und Lebensdauern an dem Löschungsmechanismus und der Wiedererlangung des Ausgangszustands beteiligt sind. Der Vergleich von HsDod-Proteinen in nicht-deuteriertem und deuteriertem Lösungsmittel sowie die spektrale Signatur der Spezies, die mit einer Zeitkonstante von etwa 800 fs zerfällt deuten an, dass ein Elektronen- sowie ein Protonentransfer Teil des Mechanismus sind. Mit Hilfe von HsDod-Proteinen, bei denen der Asparaginsäurerest unterhalb der Bindetasche, der für das Binden eines wasserkoordinierten Magnesiumions verantwortlich ist, gegen Serin (D41S) oder Glutaminsäure (D41E) ausgetauscht war, konnte gezeigt werden, dass das wasserkoordinierte Magnesiumion nicht relevant für den Löschungsmechanismus ist. Dennoch konnte eine Beteiligung von Wassermolekülen nicht ausgeschlossen werden. Die Beteiligung eines Elektronentransfers von einem Tryptophanrest in der Bindetasche auf das photoangeregte Flavin konnte durch Messungen an Dodecinproteinen mit Tryptophan-Derivaten mit unterschiedlichen Ionisationsenergien bestätigt werden.
Die Spezies, die mit einer Zeitkonstante von etwa 5 ps zerfällt, die ebenfalls zu einer Wiederbesetzung des Ausgangszustands führt, konnte nicht eindeutig identifiziert werden. Die spektrale Signatur des zerfallassoziierten Spektrums könnte neben einer neutralen Tryptophanspezies und einem kationischen Riboflavinradikal auch durch schwingungsangeregte Riboflavinmoleküle verursacht werden.
Eine Beteiligung der Ribitylkette am Mechanismus kann aufgrund der Ergebnisse von HsDod-gebundenem Lumiflavin ausgeschlossen werden. Weiterhin konnte anhand der Ergebnisse für HsDod-gebundenes FAD, das in seiner geschlossenen Konformation gebunden wird, wobei der Adeninrest die zweite Position in der Bindetasche besetzt, eine Beteiligung des zweiten Flavins in der Bindetasche am Löschungsmechanismus sowie ein Beitrag zu den Differenzspektren ausgeschlossen werden. Somit dient die Besetzung einer Bindetasche mit zwei Flavinmolekülen vermutlich lediglich der Maximierung der Flavinbeladung. Nicht eindeutig geklärt werden konnte die Frage, ob es sich um einen sequentiellen oder parallelen Mechanismus handelt.
Neben archaealem wurde auch bakterielles Dodecin mittels transienter UV/vis-Spektroskopie untersucht. Für Dodecin aus Halorhodospira halophila (HhDod) konnte ebenfalls eine sehr schnelle Wiedererlangung des Ausgangszustands nach Photoanregung des gebundenen Riboflavins beobachtet werden. Allerdings spiegeln einige Unterschiede in den transienten Daten die Unterschiede in den Bindetaschen von archaealem und bakteriellem Dodecin wider und geben Hinweise darauf, dass die Funktionen in der Zelle für die Dodecine unterschiedlich sind. Diese Hypothese wird durch verschiedene Cofaktoren, Riboflavin und Lumichrom für HsDod und FMN für HhDod, in vivo unterstützt. Die ermittelten Zeitkonstanten sind für das bakterielle Dodecin etwas länger als für das archaeale und die transienten Daten weisen in den spektralen Signaturen der Differenzsignale sowohl Unterschiede als auch Gemeinsamkeiten auf.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden erste Schritte der Peptidfaltung mit Hilfe eines wasserlöslichen bizyklischen Modellpeptids, das den Photoschalter 4(4’-Aminomethylphenylazo)benzoesäure (AMPB) enthält, untersucht. Hierfür wurden Kurzzeitspektroskopische Messungen im mittleren infraroten Spektralbereich für den Schaltvorgang von der cis-Form des Azopeptids in die trans-Form durchgeführt. Diese Methode erlaubt es, transiente Konformationsänderungen des Peptidrückgrats zu verfolgen. In der cis-Form kann das Peptid mehrere unterschiedliche Konformationen einnehmen, während der Konformationsraum für die trans-Form deutlich eingeschränkt ist. Nach der Photoanregung im Bereich der n-pi*-Bande der Azobenzoleinheit finden die grundlegenden konformationellen Änderungen innerhalb der ersten 10-20 ps statt. Dies wurde durch polarisationsabhängige Messungen bestätigt.
Auf dieser Zeitskala finden die größten Änderungen in den transienten Differenzspektren statt, die auf Konformationsänderungen sowie Kühlprozesse zurückzuführen sind. Diese Prozesse konnten mit einer Zeitkonstanten von 5 ps zusammengefasst werden. Auf längeren Zeitskalen finden weitere Reorganisationsprozesse statt, die mit einer Zeitkonstante von 300 ps zusammengefasst werden können. Bei maximaler Verzögerungszeit des Experiments (1,8 ns) ist der Gleichgewichtszustand noch nicht erreicht und es finden weitere Prozesse auf längeren Zeitskalen statt. Im Vergleich zu einem ähnlichen bereits untersuchten DMSOlöslichen bizyklischen AMPB-Peptid konnte keine schnellere Dynamik durch den Einsatz von Wasser als Lösemittel festgestellt werden, wie es vorangegangene transiente Experimente im UV/vis-Spektralbereich an wasser- und DMSO-löslichen bizyklischen Azopeptiden angedeutet hatten. Die Ergebnisse der transienten Messungen zeigen gute Übereinstimmungen mit molekulardynamischen Rechnungen. Das so gewonnene Modell von den Prozessen nach der Isomerisierung des Photoschalters erlaubt Einblicke in erste Schritte bei der Faltung von Peptiden in ihrem natürlichen Lösungsmittel Wasser und die Zeitskalen der entsprechenden Prozesse.
Die Entwicklung neuer und Verbesserung bestehender Methoden zur theoretischen Beschreibung molekularer Systeme ist eine der wichtigsten Aufgaben der theoretischen Chemie, vor allem zur Berechnung elektronisch angeregter Zustände zur Simulation von Spektren. Das Ziel dieser Arbeit ist in diesem Zusammenhang die Weiterentwicklung des algebraisch-diagrammatischen Konstuktionsverfahrens (ADC), einer Methode zur Berechnung elektronisch angeregter Zustände, und die Bereitstellung effizienter Computerprogramme zum theoretischen Studium optischer Eigenschaften von "open-shell" Molekülen. Im Vordergrund stehen hierbei die physikalisch richtige Beschreibung von ladungsgetrennten Zuständen und solchen mit hohem Doppeltanregungscharakter. Verbesserte theoretische Methoden sind notwendig, da die zu berechnenden Systeme häufig für eine Beschreibung mit vorhandenen hochgenauen ab initio Methoden zu groß sind. Einfachere, durchführbare Methoden wie z.B. semi-empirische oder DFT-basierte Methoden, die es erlauben, sehr große Molekülsysteme mit mehr als 100 Atomen zu beschreiben, weisen häufig große, nicht vorhersagbare Fehler auf. Experimente im Forschungsgebiet angeregter Zustände von Molekülen finden spektroskopisch statt und erfordern auf der anderen Seite eine Unterstützung durch zuverlässige theoretische Voraussagen. Die Weiterentwicklung der Theorie ist also auch im allgemeinen Interesse der Chemie, Biologie und der anderen Naturwissenschaften. Teil 1 dieser Arbeit umfasst die Theorie, während in Teil 2 deren Anwendung auf ausgewählte Systeme zu finden ist. Nach einer allgemeinen Einführung in die Problematik und grundlegenden Methoden der Quantenchemie in Kapitel 1, wurde im ersten Teil von Kapitel 2 die Methode zur Berechnung angeregter Zustände und ihrer Eigenschaften vorgestellt, auf der diese Arbeit basiert, nämlich das algebraisch-diagrammatische Konstruktionsverfahren (ADC). Dabei sind Eigenschaften von ADC zu betonen, die es von den anderen Methoden unterscheidet. Zum einen werden in ADC alle angeregten Zustände energetisch zuverlässig beschrieben, das heißt Rydberg-, Ladungstransfer- und doppelt angeregte Zustände findet man im Anregungsspektrum an der richtigen Position. Andererseits ist die Methode eine der schnellsten zur Beschreibung doppelt angeregter Zustände (z.B. bei Polyenen) und eignet sich, deren Relevanz im Spektrum zu ermitteln. Denn die beiden Schemata ADC(2)-s und ADC(2)-x unterscheiden sich in der störungstheoretischen Behandlung doppelt angeregter Zustände um eine Ordnung, ADC(2)-s beschreibt sie in nullter Ordnung, ADC(2)-x in erster. Im folgenden Abschnitt stehen die ausführlichen Gleichungen des ADC-Verfahrens für unseren Computercode. Kapitel 2 wurde abgeschlossen durch die Gleichungen der Erweiterung von ADC zur Behandlung von "open-shell" Molekülen auf UADC. Kapitel 3 umfasst die Beschreibung der "intermediate state representation" (ISR), die zur Berechnung von Eigenschaften angeregter Zustände dient und die theoretische Herleitung des UADC-Verfahrens erlaubt. Am Anfang von Teil 2 in Kapitel 4 steht die Untersuchung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit des neu entwickelten UADC-Verfahrens. Dabei wurden elf verschiedene, mittelgroße, aromatische Moleküle ausgewählt, zu denen in der Literatur auch experimentelle Daten zu Vergleichszwecken zu finden waren. Das Ergebnis ist sehr überzeugend und nur minimal aufwändiger als ADC. Kapitel 5 zeigt eine erste Anwendung von UADC auf größere Moleküle und stellt die Eigenschaft der Bestimmung von doppelt angeregten Zuständen von ADC und UADC noch einmal heraus. Der Vergleich der Polyene mit ihren "open-shell" Partnern, den Polyen-Radikalkationen und den neutralen Polyenylradikalen, zeigte, dass der Einfluss der Doppeltanregungen in den Radikalen kleiner ist, für eine exakte Beschreibung der angeregten Zustände ist er jedoch nicht zu vernachlässigen. Danach wurde eine Extraplation der angeregten Zustände von langkettigen Polyenen, Polyenradikalkationen und Polyenylradikalen vorgenommen, die den konjugierten pi-Systemen von Karotinoiden als Modellsysteme dienen. Die Beschreibung der Polyene bestätigte die experimentellen Vorhersagen zu Karotinoiden. Eine erste Anwendung der ISR bezüglich der Berechnung von Eigenschaften angeregter Zustände ist mit der Berechnung von Dipolmomenten angeregter Zustände in Kapitel 6 durchgeführt worden. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit anderen Methoden und Messergebnissen. Eine weitere Anwendung der ISR ist die Berechnung von resonanten Zwei-Photonen-Absorptionsspektren, mit deren Hilfe spektroskopisch "dunkle" Zustände detektiert werden können. Die zur Berechnung notwendigen Übergangsdipolmomente zwischen angeregten Zuständen aus der ISR wurden dazu in einer sogenannten "sum-over-states" Näherung verwendet. Eine mögliche andere Berechnung über einen geschlossenen Ausdruck mit Hilfe der ADC-Näherung ist noch nicht implementiert.
The major light-harvesting complex (LHC-II) of higher plants plays a crucial role in capturing light energy for photosynthesis and in regulating the flow of energy within the photosynthetic apparatus. Native LHC-II isolated from plant tissue consists of three isoforms, Lhcb1, Lhcb2, and Lhcb3, which form homo- and heterotrimers. All three isoforms are highly conserved among different species, suggesting distinct functional roles. We produced the three LHC-II isoforms by heterologous expression of the polypeptide in Escherichia coli and in vitro refolding with purified pigments. Although Lhcb1 and Lhcb2 are very similar in polypeptide sequence and pigment content, Lhcb3 is clearly different because it lacks an N-terminal phosphorylation site and has a higher chlorophyll a/b ratio, suggesting the absence of one chlorophyll b. Low temperature absorption and fluorescence emission spectra of the pure isoforms revealed small but significant differences in pigment organization. The oligomeric state of the pure isoforms and of their permutations was investigated by native gel electrophoresis, sucrose density gradient centrifugation, and SDS-PAGE. Lhcb1 and Lhcb2 formed trimeric complexes by themselves and with one another, but Lhcb3 was able to do so only in combination with one or both of the other isoforms. We conclude that the main role of Lhcb1 and Lhcb2 is in the adaptation of photosynthesis to different light regimes. The most likely role of Lhcb3 is as an intermediary in light energy transfer from the main Lhcb1/Lhcb2 antenna to the photosystem II core.
Die bei der Photosynthese verwendete Lichtenergie wird zu einem großen Anteil von Lichtsammlersystemen bereitgestellt. In der pflanzlichen Photosynthese wird unterschieden zwischen Lichtsammlersytem I (light harvesting complex I, LHC-I), assoziiert mit Photosystem I (PS-I) und Lichtsammlersystem II (light harvesting complex II, LHC-II), assoziiert mit Photosystem II (PS-II). LHC-II ist der häufigste Protein-Pigment Komplex der Chloroplasten und bindet bis zu 50% aller Chlorophylle in der Thylakoidmembran. Der Protein-Pigment Komplex LHC-II hat vier, teils miteinander verwandte Funktionen in der Photosynthese. I) Die Sammlung und Weiterleitung von Lichtenergie, II) Stabilisierung der Granastapel, III) Ausgleich der Anregungsenergie von PS-I und PS-II, IV) Schutz der Photosynthese vor Überanregung mittels nichtphotochemischer Eliminierung von Anregungsenergie (NPQ). In der Pflanze bildet LHC-II Trimere in verschiedenen Kombinationen dreier Isoformen (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3), wobei Lhcb1 mit 70-90% den Hauptteil des LHC-II stellt. Jedes Monomer bindet 8 verschiedene Co-Faktoren in unterschiedlichen Mengen, die ca. 30% seiner Masse ausmachen. Die drei Isoformen des LHC-II sind in allen Pflanzen stark konserviert. Die funktionelle Bedeutung der Isoformen ist jedoch weitestgehend unklar. Dies liegt vor allem an der schwierigen Isolierung reiner Isoformen aus Pflanzenmaterial. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden deshalb alle drei Isoformen rekombinant hergestellt und mit getrennt isolierten Lipiden und photosynthetischen Pigmenten in ihre native Form gefaltet. Die anschließende biochemische und spektroskopische Charakterisierung zeigte einen hohen Grad an Homologie zwischen den drei Isoformen, wobei Lhcb3 die größten Unterschiede aufwies (Standfuss und Kühlbrandt 2004). Die wahrscheinlichsten Funktionen für Lhcb1 und Lhcb2 ist die Anpassung der Photosynthese an variierende Lichtbedingungen. LHC-II Heterotrimere mit Lhcb3 Anteil könnten an der Weiterleitung von Lichtenergie von der Haupt Lhcb1/Lhcb2 Antenne zum PS-II Reaktionszentrum beteiligt sein. Für die Erforschung des LHC-II war das mittels Cryo-Elektronenmikroskopie an 2D Kristallen erstellte atomare Modell des Komplexes von enormer Bedeutung. Ein tiefes Verständnis der Funktionen des LHC-II benötigt jedoch eine Struktur von höherer Auflösung, welche mit 2D Kristallen nur schwer zu erreichen ist. Im Verlauf der Arbeit wurden deshalb mehr als 100000 3D Kristallisationsexperimente durchgeführt, wodurch die Kristallisation von aus Erbsenblättern isoliertem und in vitro gefaltetem LHC-II gelang. Die 3D Kristalle aus nativem Material zeigten einen für die röntgenkristallographische Strukturaufklärung ausreichenden Ordnungsgrad und führten zu einer Struktur des LHC-II bei 2.5 Å Auflösung (Standfuss et al., eingereicht). Die Struktur zeigt 223 der 232 Aminosäuren und die Position und Orientierung von 4 Carotinoiden (2 Luteine, 1 Neoxanthin und 1 Violaxanthin), 14 Chlorophyllen (8 Chl a und 6 Chl b) und zwei Lipiden (PG und DGDG) pro Monomer. Diese Informationen sind essentiell für das Verständnis des Energietransfers innerhalb des LHC-II und zu den Photoreaktionszentren und sollten zusammen mit der großen Anzahl von spektroskopischen Untersuchungen eine zukünftige detaillierte Modellierung dieser ultraschnellen und extrem effizienten Energietransfer Prozesse ermöglichen. Auf Basis der Ladungsverteilung der stromalen Seite des Komplexes konnte ein Modell für die Beteiligung des LHC-II an der Stapelung von Grana in Chloroplasten erstellt werden. Dieses liefert außerdem eine plausible Erklärung für den mittels Phosphorylierung des N-Terminus gesteuerten Ausgleich von Anregungsenergie zwischen PS-I und PS-II. Die 2.5 Å Struktur des LHC-II zeigt schließlich einen einfachen aber effektiven Mechanismus zur Optimierung und Schutz des Photosyntheseapparates mittels NPQ. Dieser benötigt keine Strukturänderungen des LHC-II oder der restlichen Lichtsammelantenne und beruht auf der reversiblen Bindung der Xanthophylle Violaxanthin und Zeaxanthin an LHC-II. Diese Arbeit liefert damit Beiträge zu allen Funktionen des LHC-II Komplexes und hilft damit grundlegende Regulationsmechanismen und die Bereitstellung von solarer Energie für die pflanzliche Photosynthese zu verstehen.
Membrane proteins are biological macromolecules that are located in a cell’s membrane and are responsible for essential functions within an organism, which makes them to prominent drug targets. The extraction of membrane proteins from the hydrophobic membrane bilayer to determine high-resolution crystal structures is a difficult task and only 2% of all solved proteins structures are membrane proteins. Computational methods may help to gain deeper insights into membrane protein structures and their functions. This study will give an overview of such computational methods on a representative set of membrane proteins and will provide ideas for future computational and experimental research on membrane proteins.
In a first step (chapter 2), I updated an earlier, manually-curated data set of homologous membrane proteins (HOMEP) to more recent versions in 2010 (HOMEP2) and 2013 (HOMEP3) using an automated clustering approach. High-resolution structures of membrane proteins listed in the PDB_TM database were structurally aligned and subsequently clustered using structural similarity scores. Both data sets were used as a standard gold reference set for subsequent work.
Subsequently, I have updated and applied the sequence alignment program AlignMe to determine protein descriptors that are suitable for detecting evolutionary relationship between homologous a-helical membrane proteins. Single input descriptors were tested alone and in combination with each other in different modes of AlignMe by optimizing gap penalties on the HOMEP2 data set. Most accurate alignments and homology models on the HOMEP2 data set were observed when using position-specific substitution information (P), secondary structure propensities (S) and transmembrane propensities (T) in the AlignMe PST mode. An evaluation on an independent reference set of membrane protein sequence alignments from the BAliBASE collection showed that different modes of AlignMe are suitable for different sequence similarity levels. The AlignMe PST mode improved the alignment accuracy significantly for distantly related proteins, whereas for closely-related proteins from the BAliBASE set the AlignMe PS mode was more suitable. This work was published in March 2013 in PLOS ONE. In order to allow also an easier usage of the AlignMe program, I have implemented a web server of AlignMe (chapter 4) that provides the optimized settings and gap penalties for the AlignMe P, PS and PST modes. A comparison to other recent alignment web server shows that the alignments of AlignMe are similar or even more accurate than those of other methods, especially for very distantly related proteins for which the inclusion of membrane protein information has been shown to be suitable. This work was published in the NAR web server issue in July 2014.
Although membrane-specific information has been shown to be suitable for aligning distantly related membrane proteins on a sequence level, such information was not incorporated into structural alignment programs making it unclear which method is the most suitable for aligning membrane proteins. Thus, I compared 13 widely-used pairwise structural alignment methods on an updated reference set of homologous membrane protein structures (HOMEP3) and evaluated their accuracy by building models based on the underlying sequence alignments and used scoring functions (e.g., AL4 or CAD-score) to rate the model accuracy (chapter 5). The analysis showed that fragment-based approaches such as FR-TM-align are the most useful for aligning structures of membrane proteins that have undergone large conformational changes whereas rigid approaches were more suitable for proteins that were solved in the same or a similar state. However, no method showed a significant higher accuracy than any other. Additionally, all methods lack a measure to rate the reliability of the accuracy for a specific position within a structure alignment. In order to solve these problems, I propose a consensus-type approach that combines alignments from four different methods, namely FR-TM-align, DaliLite, MATT and FATCAT and assigns a confidence value to each position of the alignment that describes the agreement between the methods. This work has been published 2015 in the journal “PROTEINS: structure, function and bioinformatics”.
Consensus alignments were then generated for each pair of proteins of the HOMEP3 data set and subsequently analyzed for single evolutionary events within membrane spanning segments and for irregular structures (e.g., 310- and p-helices) (chapter 6). Interestingly, single insertions and deletions could be observed with the help of consensus alignments in the conserved membrane-spanning segments of membrane proteins in four protein families. The detection of such single InDels might help to identify crucial residues for a proteins function.