MPI für Biophysik
Refine
Year of publication
Document Type
- Article (52) (remove)
Has Fulltext
- yes (52)
Is part of the Bibliography
- no (52)
Keywords
Institute
- Physik (52) (remove)
IHMCIF: an extension of the PDBx/mmCIF data standard for integrative structure determination methods
(2024)
IHMCIF (github.com/ihmwg/IHMCIF) is a data information framework that supports archiving and disseminating macromolecular structures determined by integrative or hybrid modeling (IHM), and making them Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable (FAIR). IHMCIF is an extension of the Protein Data Bank Exchange/macromolecular Crystallographic Information Framework (PDBx/mmCIF) that serves as the framework for the Protein Data Bank (PDB) to archive experimentally determined atomic structures of biological macromolecules and their complexes with one another and small molecule ligands (e.g., enzyme cofactors and drugs). IHMCIF serves as the foundational data standard for the PDB-Dev prototype system, developed for archiving and disseminating integrative structures. It utilizes a flexible data representation to describe integrative structures that span multiple spatiotemporal scales and structural states with definitions for restraints from a variety of experimental methods contributing to integrative structural biology. The IHMCIF extension was created with the benefit of considerable community input and recommendations gathered by the Worldwide Protein Data Bank (wwPDB) Task Force for Integrative or Hybrid Methods (wwpdb.org/task/hybrid). Herein, we describe the development of IHMCIF to support evolving methodologies and ongoing advancements in integrative structural biology. Ultimately, IHMCIF will facilitate the unification of PDB-Dev data and tools with the PDB archive so that integrative structures can be archived and disseminated through PDB.
Highlights
• Sampling the large conformational space of disordered proteins requires extensive molecular dynamics (MD) simulations.
• Fragment assembly complements MD simulations to produce extensive ensembles of disordered proteins with atomic detail.
• Hierarchical chain growth (HCG) ensembles capture key experimental descriptors “out of the box”.
• HCG has revealed local structural characteristics associated with protein dysfunction in neurodegeneration.
Abstract
Disordered proteins and nucleic acids play key roles in cellular function and disease. Here, we review recent advances in the computational exploration of the conformational dynamics of flexible biomolecules. While atomistic molecular dynamics (MD) simulation has seen a lot of improvement in recent years, large-scale computing resources and careful validation are required to simulate full-length disordered biopolymers in solution. As a computationally efficient alternative, hierarchical chain growth (HCG) combines pre-sampled chain fragments in a statistically reproducible manner into ensembles of full-length atomically detailed biomolecular structures. Experimental data can be integrated during and after chain assembly. Applications to the neurodegeneration-linked proteins α-synuclein, tau, and TDP-43, including as condensate, illustrate the use of HCG. We conclude by highlighting the emerging connections to AI-based structural modeling including AlphaFold2.
Upon antibiotic stress Gram-negative pathogens deploy resistance-nodulation-cell division-type tripartite efflux pumps. These include a H+/drug antiporter module that recognizes structurally diverse substances, including antibiotics. Here, we show the 3.5 Å structure of subunit AdeB from the Acinetobacter baumannii AdeABC efflux pump solved by single-particle cryo-electron microscopy. The AdeB trimer adopts mainly a resting state with all protomers in a conformation devoid of transport channels or antibiotic binding sites. However, 10% of the protomers adopt a state where three transport channels lead to the closed substrate (deep) binding pocket. A comparison between drug binding of AdeB and Escherichia coli AcrB is made via activity analysis of 20 AdeB variants, selected on basis of side chain interactions with antibiotics observed in the AcrB periplasmic domain X-ray co-structures with fusidic acid (2.3 Å), doxycycline (2.1 Å) and levofloxacin (2.7 Å). AdeABC, compared to AcrAB-TolC, confers higher resistance to E. coli towards polyaromatic compounds and lower resistance towards antibiotic compounds.
The effect of a single site mutation of Arg-54 to methionine in Paracoccus denitrificans cytochrome c oxidase was studied using a combination of optical spectroscopy, electrochemical and rapid kinetics techniques, and time-resolved measurements of electrical membrane potential. The mutation resulted in a blue-shift of the heme a alpha-band by 15 nm and partial occupation of the low-spin heme site by heme O. Additionally, there was a marked decrease in the midpoint potential of the low-spin heme, resulting in slow reduction of this heme species. A stopped-flow investigation of the reaction with ferrocytochrome c yielded a kinetic difference spectrum resembling that of heme a(3). This observation, and the absence of transient absorbance changes at the corresponding wavelength of the low-spin heme, suggests that, in the mutant enzyme, electron transfer from Cu(A) to the binuclear center may not occur via heme a but that instead direct electron transfer to the high-spin heme is the dominating process. This was supported by charge translocation measurements where Deltapsi generation was completely inhibited in the presence of KCN. Our results thus provide an example for how the interplay between protein and cofactors can modulate the functional properties of the enzyme complex.
The traffic AAA-ATPase PilF is essential for pilus biogenesis and natural transformation of Thermus thermophilus HB27. Recently, we showed that PilF forms hexameric complexes containing six zinc atoms coordinated by conserved tetracysteine motifs. Here we report that zinc binding is essential for complex stability. However, zinc binding is neither required for pilus biogenesis nor natural transformation. A number of the mutants did not exhibit any pili during growth at 64 °C but still were transformable. This leads to the conclusion that type 4 pili and the DNA translocator are distinct systems. At lower growth temperatures (55 °C) the zinc-depleted multiple cysteine mutants were hyperpiliated but defective in pilus-mediated twitching motility. This provides evidence that zinc binding is essential for the role of PilF in pilus dynamics. Moreover, we found that zinc binding is essential for complex stability but dispensable for ATPase activity. In contrast to many polymerization ATPases from mesophilic bacteria, ATP binding is not required for PilF complex formation; however, it significantly increases complex stability. These data suggest that zinc and ATP binding increase complex stability that is important for functionality of PilF under extreme environmental conditions.
Bei der UV-Bestrahlung (2537 Å) des Zn-Insulins beobachtet man für kleinere Dosen (bis 10 Einstein/Mol) eine direkte Korrelation zwischen der Inaktivierung und der Photoreduktion einer der drei Disulfidbrücken. Mit steigender Dosis wird die Quantenausbeute für die Reduktion der Disulfidbrücken (Bildung von SH-Gruppen) sehr klein, dagegen führen dann andere Prozesse zunehmend zur photochemischen Zerstörung der Disulfidbrücken. Für größere Strahlendosen (über 100 Einstein/Mol) ergibt die Extrapolation, daß für die völlige Inaktivierung des Insulins sämtliche drei Cystinreste zerstört werden müssen. Von den übrigen Aminosäuren wird durch Dosen um 100 Einstein/Mol nur der Tyrosin-Anteil signifikant vermindert. Mit steigender Strahlendosis ändert sich — wahrscheinlich infolge von Konformationsänderungen der Polypeptidketten — die Photosensibilität der Aminosäuren.
The anion transport protein of the human erythrocyte membrane, band 3, was solubilized and purified in solutions of the non-ionic detergent nonaethylene glycol lauryl ether and then reconstituted in spherical egg phosphatidylcholine bilayers as described earlier (U. Scheuring, K. Kollewe, W. Haase, and D. Schubert, J. Membrane Biol. 90, 123-135 (1986)). The resulting paucilamellar proteoliposom es of average diameter 70 nm were transformed into smaller vesicles by French press treatment and fractionated according to size by gel filtration. The smallest protein-containing liposomes obtained had diameters around 32 nm; still smaller vesicles were free of protein. All proteoliposome samples studied showed a rapid sulfate efflux which was sensitive to specific inhibitors of band 3-mediated anion exchange. In addition, the orientation of the transport protein in the vesicle membranes was found to be “right-side-out” in all samples. This suggests that the orientation of the protein in the vesicle membranes is dictated by the shape of the protein’s intramembrane domain and that this domain has the form of a truncated cone or pyramid.
Some quantitative data about the carbon-metabolism in Saccharomyces-cells of different ploidy were determined. The amount of carbon, necessary for the formation of a cell, proved to be proportional to the degree of ploidy of the cells. For the duplication of a diploid cell 6,7·10-11g glucose were used. In comparison with respiratory deficient cells the simultaneous utilization of fermentation and respiration metabolism in respiration sufficient cells leads to a decrease of the cell cycle duration, however, the energy needed for the formation of a cell is not decreased. The rate of cell multiplication has a maximum at about 30 °C for all classes of ploidy. Certain assumptions about the utilization of the carbon source were confirmed by experiments with 14C marked glucose.
Cryo-electron tomography (CryoET) resolves individual macromolecules inside living cells. However, the complex composition and high density of cells challenge the faithful identification of features in tomograms. Here, we capitalize on recent advances in electron tomography and demonstrate that 3D template matching (TM) localizes a wide range of structures inside crowded eukaryotic cells with confidence 10 to 100-fold above the noise level. We establish a TM pipeline with systematically tuned parameters for automated, objective and comprehensive feature identification. High-fidelity and high-confidence localizations of nuclear pore complexes, vaults, ribosomes, proteasomes, lipid membranes and microtubules, and individual subunits, demonstrate that TM is generic. We resolve ~100-kDa proteins, connect the functional states of complexes to their cellular localization, and capture vaults carrying ribosomal cargo in situ. By capturing individual molecular events inside living cells with defined statistical confidence, high-confidence TM greatly speeds up the CryoET workflow and sets the stage for visual proteomics.
Physikalische und thermische Kontrastierung führt bei Fixierung in Glutaraldehyd und Einbettung in Vestopal bei Parenchymzellen der Leber zu weitgehend ähnlichen Kontrastunterschieden auch bei Mitochondrien und den Membranen des Retikulums. Beide Verfahren wirken also weitgehend unspezifisch. Von den chemischen Verfahren liefert Uranylacetat im Cytoplasma ähnliche Kontrastverhältnisse wie die beiden genannten Verfahren. Das spezifische Verhalten des Uranylacetats kann z. B. an der Kontrastierung des Chromatins demonstriert werden. Sie bleibt aus, wenn die färbbare Substanz auf der Wasseroberfläche des Messertroges herausgewaschen wurde. Bleicitrat-Kontrastierung hat hier im Gegensatz zu Uranylacetat eine spezifische Wirkung nur auf RNS-haltige Zellbestandteile.
Es wird auf die Mannigfaltigkeit der Kontraste hingewiesen, die sich bei mit Aldehyden fixiertem, in Vestopal W oder Durcupan ACM eingebettetem Gewebe durch gesteuerte Elektronenbestrahlung erreichen läßt. Voraussetzung für einen einwandfreien Vergleich von Kontrasten bei z. B. verschieden gefärbten Schnitten ist daher eine Bestrahlung, die zu ausreichend definierten Objektveränderungen führt. Brauchbar in diesem Sinne ist eine Bestrahlung, die zum maximalen „reinen Strahlenverlust“ führt, bei der aber thermische Substanzverluste vermieden werden. Der Negativkontrast von Chromatin und Nucleolen und die offenbar physikalisch bedingte Färbbarkeit der nucleinsäurehaltigen Zellbestandteile mittels der „negative-staining“-Methode werden diskutiert.
Um die von RAJEWSKY und WOLF aufgeworfene Frage nach dem Einfluß der DNS-Struktur auf die radiationschemische Veränderung der Basen zu untersuchen, wurde die DNS-Spirale bei einem Teil der Untersuchungen in dest. Wasser aufgelöst und mit Röntgenstrahlen bestrahlt. Es ergab sich eine Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit der Basen, vor allem zu Beginn der Bestrahlung auf den Wert, den man bei der Bestrahlung der Monomerlösungen beobachtet. Bei Bestrahlung in 0,1 und 1-n. NaCl gelöster DNS sind dagegen die Basen gegen die Einwirkung der im Wasser gebildeten Radikale geschützt, solange sie innerhalb der intakten Spirale gebunden sind. Dieser strukturbedingte Schutzeffekt besteht nicht gegenüber der direkten Strahlenwirkung von UV-Licht. Dieses Ergebnis ist von strahlenbiologischem Interesse, da das Optimum der Strahlenwirkung auf den Mitoseablauf nach Arbeiten von CARLSON und GRAY in der frühen Prophase liegt17, also ebenfalls in einem Stadium, in dem die DNS-Spirale (vor der Verdoppelung) völlig aufgelöst ist. (Vgl. auch BACQ-ALEXANDER und FRITZ-NIGGLI.
Die von verschiedenen Autoren 2–8 experimentell bestimmten Kontrastdicken für Kohle stimmen nicht mit den heute of benutzten numerischen Werten aus der Lenz schen Theorie überein. Die Diskrepanz läßt sich beheben, wenn man zur Auswertung der Theorie einen anderen, schon von LENZ zur Diskussion gestellten Θ-Wert benutzt. Durch Experimente wird gezeigt, daß auch der Bereich, in dem das Exponentialgesetz nicht mehr gilt, gut durch eine aus der Lenz schen Theorie hergeleitete Formel dargestellt werden kann. Der Bereich, in dem das Exponentialgesetz verwandt werden darf, wird näher diskutiert.
Cells maintain membrane fluidity by regulating lipid saturation, but the molecular mechanisms of this homeoviscous adaptation remain poorly understood. We have reconstituted the core machinery for regulating lipid saturation in baker’s yeast to study its molecular mechanism. By combining molecular dynamics simulations with experiments, we uncover a remarkable sensitivity of the transcriptional regulator Mga2 to the abundance, position, and configuration of double bonds in lipid acyl chains, and provide insights into the molecular rules of membrane adaptation. Our data challenge the prevailing hypothesis that membrane fluidity serves as the measured variable for regulating lipid saturation. Rather, we show that Mga2 senses the molecular lipid-packing density in a defined region of the membrane. Our findings suggest that membrane property sensors have evolved remarkable sensitivities to highly specific aspects of membrane structure and dynamics, thus paving the way toward the development of genetically encoded reporters for such properties in the future.
Eine einfache Methode wird erklärt, die es gestattet, genaue Aussagen über das Verteilungsgesetz elektrischer Relaxationszeiten in frequenzabhängigen Dielektrika zu machen. Die Methode setzt die Gültigkeit einer verallgemeinerten Form des von Cole und Cole formulierten Verteilungsgesetzes elektrischer Relaxationszeiten voraus. Sie basiert auf der Tatsache, daß dielektrische Verluste. die bei wesentlich kleineren Frequenzen als der mittleren charakteristischen Frequenz bestimmt werden, außerordentlich empfindlich sind gegen geringe Änderungen im Verteilungsgesetz. Die Methode wird am Beispiel dielektrischer Messungen an Wasser demonstriert. Die Auswertung eigener Messungen ergibt, daß sich im Rahmen der erzielbaren hohen Genauigkeit das dielektrische Verhalten von Wasser durch eine einzige Relaxationszeit charakterisieren läßt.
In der vorliegenden Arbeit wird die Frequenzabhängigkeit des dielektrischen Verhaltens einer Suspension von Kugeln mit Schale untersucht. Es werden die allgemeine Lösung sowie spezielle Näherungsformeln angegeben. Das Frequenzverhalten wird exakt durch 2 Relaxationsausdrücke vom Debye - Typ, die sich superponieren, charakterisiert.
Die vorgetragenen Formeln erlauben die Analyse der Impedanzkurven von Zellsuspensionen aus Erythrozyten, Bakterien, Seeigeleiern u. a. m., aber auch von Proteinlösungen und anderen Suspensionen.
Bei B. cadaveris, die in einem an organischen Substanzen reichen Medium kultiviert wurden, nimmt der O2-Verbrauch pro Zeiteinheit bei Glucoseveratmung mit der Röntgenstrahlendosis ab, während bei Bakterien, die in einem Salzmedium gewachsen sind, die Atmung bis zu einer Dosis von 2 - 3 Mr erst ansteigt, um erst bei höheren Dosen abzufallen. Die Atmung wird erst bei Dosen in der Größenordnung von 1 Million r merklich beeinflußt.
Die Atmung der Bakterien ist damit unter den hier untersuchten Bedingungen noch strahlenresistenter als die Gewebeatmung von Säugetierzellen.
Trockene Mildisäure-Dehydrogenase wurde mit Protonen verschiedener Energie bis maximal 80 keV in dünnen Schichten bestrahlt. Die Inaktivierungsquerschnitte betrugen bei Zimmertemperatur ca. 0,4·10-12 cm2 und waren in dem gemessenen Energiebereich konstant. Der Einfluß der Teilchenenergie auf den Inaktivierungsverlauf wurde insbesondere bei sehr kleinen Energien abgeschätzt. Bestrahlungen bei verschiedenen Temperaturen zeigten eine Abnahme des Strahleneffektes nach niedrigeren Temperaturen.
Es wird der Einfluß von Röntgenstrahlen und ultravioletten Strahlen verschiedener Wellenlängen auf kernhaltige Zellteile von Acetabularia mediterranea untersucht. Die Röntgenbestrahlung führt zu einer Verminderung des Regenerationsvermögens der Zellteile, zu einer Verringerung der Cystenbildung der Regenerate und zu einer Herabsetzung der Lebensfähigkeit der Cysten. Erst nach einer Dosis von 400 kr ist das Regenerationsvermögen fast völlig zerstört. Die Fähigkeit zur Bildung fortpflanzungsfähiger Gameten geht bereits nach 40 kr verloren. Die Wirkung von UV-Bestrahlungen ist demgegenüber sehr gering. Es wird geschlossen, daß die beobachteten Leistungen der kernhaltigen Zellteile wesentlich durch den Zellkern bestimmt sind, der im Rhizoid gegen die UV-Strahlung weitgehend abgeschirmt ist. Erfolgt eine vollständige Regeneration bis zur Hutbildung, so scheinen Größe und Gestalt der ausgewachsenen Regenerate nicht wesentlich von der Röntgenbestrahlung beeinflußt zu sein. In den meisten Fällen bilden Hutregenerate auch Cysten.
Wir berichten im folgenden über histologische Befunde und physikalische Messungen, die zeigen, daß unter besonderen Beschallungsbedingungen in verschiedenen Säugetiergeweben Vorgänge ablaufen, die im Sinne einer Pseudokavitation gedeutet werden müssen. Die Einzelheiten der Untersuchungen sind teils in der Habilitationsschrift von O. Hug, Frankfurt a. M. 1953, teils in der Dissertation von R.Pape, Frankfurt a. M. 1953, niedergelegt.
Die Inaktivierung durch Röntgenstrahlen der an Lebermitochondrien gebundenen Bernsteinsäure-Oxydase wurde untersucht. Ihre Halbwertsdosis beträgt 3,5 · 106 r. Bernsteinsäure-Oxydase, die an Hepatommitochondrien gebunden ist, ist empfindlicher als die normaler Mitochondrien. Die Bernsteinsäure-Oxydase an kleinsten Partikeln zeigt dagegen in beiden Fällen eine größere Strahlenresistenz.
Die in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Messungen von Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten biologischer Substanzen im Bereich von 9 bis 180 cm Wellenlänge werden nach einem Resonanzverfahren durchgeführt. Dies ermöglicht trotz der starken Absorption der untersuchten Materialien eine genügende Meßgenauigkeit und einen relativ einfachen Aufbau der Meßanordnung. Die beschriebene Methode zur Auswertung der Messung ist so vereinfacht, daß sie auch von angelerntem Hilfspersonal leicht durchgeführt werden kann. Für den Wellenlängenbereich von 40 bis 180 cm wird eine Lecher-Leitung in Paralleldraht-Aus-führung benutzt, während sie für den Bereich von 9 bis 40 cm Wellenlänge konzentrisch aufgebaut ist. Die Meßfehler werden eingehend diskutiert und in Kurven anschaulich dargestellt. Anschließend werden die Ergebnisse der Messungen von DK und Leitfähigkeit an Blut, Leber, Muskel und Fettgewebe mitgeteilt. Bei allen Substanzen konnte unterhalb etwa 30 cm Wellenlänge eine Abnahme der DK und vor allem eine eindeutige Zunahme der Leitfähigkeit festgestellt werden. Diese Dispersion wird den polaren Molekülen in den Substanzen zugeschrieben und dürfte zumindest bei Blut und Leber im wesentlichen durch die Dispersion des Wassers verursacht werden.
Der Einfluß von Elektrodenpolarisation auf die Bestimmung der elektrischen Konstanten leitfähiger Substanzen wird untersucht; es wird gezeigt, daß der durch Polarisation bedingte Effekt auf die Kapazität um mehrere Zehnerpotenzen größer ist als der auf die Wirkwiderstandskomponente. Die Bestimmung der Dielektrizitätskonstante stark leitfähiger Materialien bei Niederfrequenz wird dadurch sehr erschwert. Die verschiedenen Möglichkeiten, Polarisationseinflüsse herabzusetzen, werden diskutiert und es wird gezeigt, daß einzig eine Messung mit verschiedenem Elektrodenabstand einwandfreie Ergebnisse gewährleistet, wenn Polarisation merklich auftritt. Eine bei biologischen Arbeiten öfter angewandte Methodik geht von der Voraussetzung aus, daß beim Austausch biologischen Materials gegen eine Salzlösung gleicher Beschaffenheit, wie sie intrazellular im biologischen Material vorliegt und in Kontakt mit den Elektroden steht, die Polarisationsimpedanz keiner Änderung unterliegt. Die Analyse eigener experimenteller Untersuchungen, über die berichtet wird, zeigt, daß diese Annahme nur berechtigt ist, wenn das biologische Material in so hinreichend großem Abstand von den Elektroden angeordnet wird, daß keine Schattenwirkung auftreten kann. In allen anderen Fällen ist sie falsch, und Arbeiten, die dem nicht Rechnung tragen, sind kritisch zu bewerten.
Es wurde der Einfluß von Röntgenbestrahlungen auf die Lebensfähigkeit und das Formbildungs-Vermögen kernloser Zellteile von Acetabularia mediterranea in Abhängigkeit von der Strahlendosis untersucht. Dabei erwies sich die Hutbildung stets als der am strahlenempfindlichste Prozeß. Die gefundenen Ergebnisse werden diskutiert und mit den entsprechenden Befunden nach UV-Bestrahlung verglichen.
Es wurde die Einwirkung monochromatischer ultravioletter Strahlen der Wellenlänge 254 mμ, 281 mμ und 297 mμ auf kernlose Zellteile von Acetabularia untersucht. Dazu wurden in Abhängigkeit von der Strahlendosis die mittlere Lebensdauer und das Formbildungs-Vermögen der kernlosen Teile bestimmt. Der 254-mμ-Strahlung kam dabei stets die größte biologische Wirksamkeit zu, während die 297-mμ-Strahlung im untersuchten Dosisbereich fast ohne Wirkung blieb. Die gefundene Wellenlängen-Abhängigkeit weist darauf hin, daß der UV-Absorption durch die Purine und Pyrimidine für den Wirkungsmechanismus der beobachteten UV-Schädigungen kernloser Zellteile besondere Bedeutung zukommen muß.
Es wird versucht, die Treffertheorie auf die indirekte Strahlenwirkung auszudehnen. Dazu wird angenommen, daß durch die Strahlung „Energieträger“ erzeugt werden, die durch Diffusion zu den „empfindlichen Bereichen“ gelangen und diese verändern können.
Der Berechnung des Wirkvolumens für derartige „indirekte Treffer“ folgt eine reaktionskinetische Betrachtung der indirekten Wirkung.
Durch die Einschaltung physikalisch-chemischer Prozesse zwischen Strahlenabsorption und „Treffer“ erscheint eine Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Gegebenheiten im bestrahlten Objekt viel eher möglich als in der „klassischen“ Theorie der „direkten Trefferwirkung“.
Die Feldstärke- und Wärmequellenverteilung im ebenen Körper aus Muskel, Fett und Haut bei Anstrahlung wird für den Wellenbereich von 1 m bis 1,27 cm jeweils bei verschiedenen Fettschichtdicken berechnet und graphisch dargestellt. Die mit der Strahlungsfeldmethode erreichbare Tiefendosis-Leistung im Zusammenhang mit der Hautdosisleistung sowie die Frage einer geeigneten Anpassung zur Erreichung einer gleichmäßigen Tiefendosis-Leistung werden diskutiert.
Unter der Voraussetzung, daß ein Strahler benutzt wird, der ein annähernd ebenes Wellenfeld liefert und in dem bestrahlten Körpergebiet ebene, parallele Schichten Haut, Fett, Muskel senkrecht getroffen werden, ergibt sich aus der Betrachtung der berechneten Feldstärke- und Wärmequellenverteilungen für die verschiedenen Wellenlängen etwa folgendes Bild:
Das Problem einer Fettüberlastung tritt bei dm-Bestrahlung bis herab zu 10 cm Wellenlänge nicht auf. Man erhält im Gegensatz zu UKW-Kondensatorfeld-Durchflutung eine starke Wärmeentwicklung in der Haut sowie in den oberen Schichten von Muskel oder inneren Organen. Der Abfall der Dosisleistung im Muskel nach der Tiefe zu wird ab λ = 30 cm mit kürzer werdender Wellenlänge zunehmend steiler. Es kann bei dm-Bestrahlung gegenüber UKW-C-Feld eine um das Mehrfache höhere Dosisleistung an der inneren Oberfläche des Körpers auch bei großen Dicken der Fettschicht erreicht werden, wenn gegebenenfalls durch zusätzliche äußere Maßnahmen (Kühlung) eine Überlastung der Haut bei bestimmten Dicken der Fettschicht (λF/4) vermieden wird.
Bei dm-Bestrahlung paralleler Schichten mit angepaßtem Sender lassen sich weitere qualitative Aussagen machen: Bei konstanter Intensität des Strahlers erfolgt bei längeren Wellen (1 m) mit wachsender Dicke der Fettschicht nur ein monotoner Abfall der Tiefendosis-Leistung auf etwa 60%. Im unteren dm-Bereich (30 cm, 10 cm) ergibt sich bei konstanter Intensität bei Vergrößerung der Fettschichtdicke von 0 bis λF/4 ein Abfall der Tiefendosis-Leistung auf etwa ⅓ und bei weiterer Zunahme der Fettschichtdicke von λF/4 bis λF/2 wieder eine Zunahme der Tiefendosis-Leistung im Verhältnis 1:2. Diese Zahlen gelten größenordnungsmäßig bei Anstrahlung aus einem Anpassungsmedium ε-Fett. Bei Anstrahlung aus Luft ist die absolute Tiefendosis-Leistung geringer und sind die Schwankungen größer. Diese Schwankungen der Tiefendosis-Leistung bei konstanter Intensität des Senders einer Wellenlänge können durch äußere Maßnahmen weitgehend verringert werden.
Wenn der Sender bei verschiedenen Fettschichtdicken jeweils auf gleiche Hautdosisleistung eingestellt wird (Dosierung nach der Hautempfindung), nimmt die Tiefendosis-Leistung bei Vergrößerung der Fettschichtdicke von 0 bis λF/4 stark ab auf etwa ⅙, die Tiefendosis-Leistungen bei weiterer Vergrößerung der Fettschichtdicke von λF/4 bis λF/2 verhalten sich dann etwa wie 1 : 3. Diese Schwankungen sind unabhängig von der Wahl des Anpassungsmediums. Eine Tiefendosierung nach der Hautempfindung ohne genauere Berücksichtigung der Fettschichtdicke wird daher bei Vorliegen von zu den Wellenflächen parallelen Schichten unzuverlässig sein. Es ergibt sich jedoch die Möglichkeit einer instrumentellen, brauchbaren Dosierung durch Einstellung der Intensität des Senders ohne Rücksichtnahme auf die Hautempfindung, wenn man die Schwankungen der Tiefendosis-Leistung mit der Fettschichtdicke bei konstanter Intensität durch die erwähnten Anpassungsmaßnahmen reduziert.
Die kurzen Wellenlängen von 3 cm und 1 cm sind für eine Wärmetherapie in der Tiefe wegen der hohen Absorptionsverluste in Haut und Fett kaum brauchbar, können jedoch zu einer Wärmetherapie der Haut und damit indirekten Beeinflussung innerer Erkrankungen oder zur Erwärmung oberflächiger bzw. weniger leitender Schichten herangezogen werden. Die Oberflächendosis-Leistung steigt bei derselben Intensität mit abnehmender Wellenlänge stark an.
Bezüglich der Angaben über die Dosisleistungs-Verteilung ist zu berücksichtigen, daß das Interferenz-Feld vor der Strahleröffnung bei der Rechnung vernachlässigt wurde. Ferner entspricht die Dosisleistungs-Verteilung nur dann der Temperaturverteilung während der Bestrahlung, wenn die Unterschiede in den Anfangstemperaturen und in den spezifischen Wärmen der biologischen Schichten außer Acht gelassen werden sowie intensiv und kurzzeitig bestrahlt wird, so daß noch kein merklicher Wärmetransport während der Bestrahlung stattfindet. Über die Temperaturverteilung bei Berücksichtigung des Wärmetransports, der bei schwacher, langdauernder Bestrahlung eine merkliche Erwärmung auch tieferer innerer Schichten, eine höhere Erwärmung des Fetts und eine geringere der Haut zur Folge haben kann, sind weitere Betrachtungen erforderlich.
Es wird eine einfache und billig herzustellende Resonanzanordnung beschrieben, mit der genaue Bestimmungen elektrischer Impedanzwerte und Materialkonstanten im Dezimeterwellenbereich durchführbar sind. Prinzip der Methode, Meßbereich, Genauigkeit und Einzelheiten des Aufbaues werden angegeben und an einigen Beispielen erläutert.
Die Primärwirkung von Röntgenstrahlen einer Dosis von etwa 0,5 bis 150 Millionen r auf die kristallisierte Trockensubstanz von Aminosäuren und Peptiden wurde mit Hilfe chemischer, biochemischer und physikalisch-chemischer Arbeitsmethoden untersucht. Es wurde gefunden, daß in allen prinzipiell möglichen Fällen folgende Reaktionen stets wiederkehren : Aminbildung infolge Decarboxylierung; Bildung einer α-Imino- bzw. α-Ketocarbonsäure infolge einer Dehydrierung in α-,β-Stellung; Bildung von β,γ- bzw. γ-δ-ungesättigten α-Aminocarbonsäuren oder deren γ- bzw. δ-Lactonen; Bruch und Vernetzung der aliphatischen Kohlenstoffketten. Bei Peptiden treten die gleichen Reaktionen wie bei den Aminosäuren auf, jedoch in einem anderen Verhältnis; hinzu kommt die strahlenchemische Dehydrierung einer Peptidbindung an der Aminogruppe zu einer energiereichen Iminoacyl-Bindung, welche bei Gegenwart von Wasser sofort hydrolysiert wird. Endprodukt namentlich bei längerkettigen Peptiden : Zwei Bruchstücke (daneben NH3); das eine mit alter amino-endständiger und neuer carboxyl-endständiger Aminosäure und das andere mit der alten carboxy-endständigen Aminosäure, statt Aminogruppe am anderen Ende jetzt Ketogruppe. — In fast allen Fällen wurden die Ionenausbeuten auch quantitativ bestimmt. Die lonenausbeuten für die Bildung von α-Ketosäuren aus α-Aminosäuren fallen exponentiell mit der eingestrahlten Dosis. Eine relativ einfache Funktion erklärt diese Verhältnisse. Die Ionenausbeute für die Bildung von Brenztraubensäure aus Serin ist dagegen unabhängig von der Dosis.
I. X-irradiation of isolated rat diaphragm with 10 to 200 kr produces a change in tissue metabolism which we schematize in two successive phases:
1st phase: Increase of oxygen comsumption, proportional to the dosage; an even greater increase of CO2 production; QCO2/QO2 > 1, that is, aerobic glycolysis; inhibition of anaerobic glycolysis.
2nd phase: Reduction of oxygen consumption, proportional to the dosage (over 65 kr the Qo2 decreases below the control); an even greater decrease of CO2 production: QCO2/QO2 > 1; a greater inhibition of anaerobic glycolysis.
With 200 kr or more no increase of respiration appears, but instead from the beginning there is a reduction of the metabolism as described in the second phase.
II. A similar effect is found in rat liver and in frog heart tissue.
III. When the tissue was incubated in the homologus serum no change in the quality of the described effect was observed. Under our experimental conditions the tissue was X-irradiated within a small quantity of incubation medium and immediately afterwards placed in a fresh medium; this limits the effect of oxidative radicals (arising in the X-irradiated water) upon the tissue.
IV. We set forth the experimental hypothesis that all the described changes in the metabolism of the cell after X-irradiation depend upon a primary alteration of electrolyte balance in the cell, especially of the potassium/sodium relationship. The well known decrease of glycolysis after X-irradiation is a consequence of the loss of potassium from the X-irradiated cell.
Die Primärwirkung von Röntgenstrahlung einer Dosis von 2 — 30 Millionen r auf kristallisiertes Lysozym wurde mit Hilfe physikalisch-chemischer (Elektrophorese, Ultrazentrifuge), chemischer, biochemischer und biologischer Arbeitsmethoden untersucht. Es wurde gefunden, daß durch Bestrahlung eine Reihe nah verwandter, jedoch weniger basischer Proteine verschiedenen Mol.-Gew. entsteht, deren Aminosäure-Bausteine als Folge der Bestrahlung teilweise in andere Verbindungen umgewandelt wurden. Bei der Untersuchung der amino- und carboxyl-endständigen Aminosäuren des bestrahlten Proteins wurden Unterschiede gegenüber Lysozym nur bei den carboxyl-terminalen Gruppen festgestellt. Die biologische Aktivität des Proteins blieb auch nach Bestrahlung mit einer Dosis von 5 Millionen r praktisch unverändert.
Die indirekte Wirkung von Röntgenstrahlen einer Dosis von 0,08 bis 7.5 Millionen r auf eine 2 · 10-2-m. wäßrige Tryptophanlösung wurde mit Hilfe chemischer und physikalisch-chemischer Arbeitsmethoden (Hochspannungs-Elektrophorese) untersucht.
Der Einfluß der Dosis, Dosisleistung, Temperatur und die durch oxydierend wirkende Radikale (HO2) ausgelösten Reaktionsschritte bei Bestrahlung in Sauerstoffatmosphäre wurden in qualitativer Hinsicht geprüft.
Aus der Vielzahl der strahlenchemisch gebildeten Abbauprodukte konnten mit Sicherheit nachgewiesen werden: Glycin, α-Alanin, Asparaginsäure, Kynurenin, 3-Hydroxykynurenin, 3-Oxyanthranilsäure und Tryptamin.
Schließlich wurde versucht, die experimentell gewonnenen Ergebnisse mit Hilfe von Radikalwirkungen, die sich auf
a) Decarboxylierungen
b) und Veränderungen des Kohlenstoff-Gerüstes beziehen, zu deuten.
Elektronenresonanz-Untersuchungen von Nachreaktionen in einem röntgenbestrahlten Faserprotein
(1962)
Maximum likelihood estimates of diffusion coefficients from single-particle tracking experiments
(2021)
Single-molecule localization microscopy allows practitioners to locate and track labeled molecules in biological systems. When extracting diffusion coefficients from the resulting trajectories, it is common practice to perform a linear fit on mean-squared-displacement curves. However, this strategy is suboptimal and prone to errors. Recently, it was shown that the increments between the observed positions provide a good estimate for the diffusion coefficient, and their statistics are well-suited for likelihood-based analysis methods. Here, we revisit the problem of extracting diffusion coefficients from single-particle tracking experiments subject to static noise and dynamic motion blur using the principle of maximum likelihood. Taking advantage of an efficient real-space formulation, we extend the model to mixtures of subpopulations differing in their diffusion coefficients, which we estimate with the help of the expectation–maximization algorithm. This formulation naturally leads to a probabilistic assignment of trajectories to subpopulations. We employ the theory to analyze experimental tracking data that cannot be explained with a single diffusion coefficient. We test how well a dataset conforms to the assumptions of a diffusion model and determine the optimal number of subpopulations with the help of a quality factor of known analytical distribution. To facilitate use by practitioners, we provide a fast open-source implementation of the theory for the efficient analysis of multiple trajectories in arbitrary dimensions simultaneously.
Cysteine cross-linking in native membranes establishes the transmembrane architecture of Ire1
(2021)
The ER is a key organelle of membrane biogenesis and crucial for the folding of both membrane and secretory proteins. Sensors of the unfolded protein response (UPR) monitor the unfolded protein load in the ER and convey effector functions for maintaining ER homeostasis. Aberrant compositions of the ER membrane, referred to as lipid bilayer stress, are equally potent activators of the UPR. How the distinct signals from lipid bilayer stress and unfolded proteins are processed by the conserved UPR transducer Ire1 remains unknown. Here, we have generated a functional, cysteine-less variant of Ire1 and performed systematic cysteine cross-linking experiments in native membranes to establish its transmembrane architecture in signaling-active clusters. We show that the transmembrane helices of two neighboring Ire1 molecules adopt an X-shaped configuration independent of the primary cause for ER stress. This suggests that different forms of stress converge in a common, signaling-active transmembrane architecture of Ire1.
The structure and flexibility of RNA depends sensitively on the microenvironment. Using pulsed electron-electron double-resonance (PELDOR)/double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy combined with advanced labeling techniques, we show that the structure of double-stranded RNA (dsRNA) changes upon internalization into Xenopus lævis oocytes. Compared to dilute solution, the dsRNA A-helix is more compact in cells. We recapitulate this compaction in a densely crowded protein solution. Atomic-resolution molecular dynamics simulations of dsRNA semi-quantitatively capture the compaction, and identify non-specific electrostatic interactions between proteins and dsRNA as a possible driver of this effect.
The plasma membrane (PM) is composed of a complex lipid mixture that forms heterogeneous membrane environments. Yet, how small-scale lipid organization controls physiological events at the PM remains largely unknown. Here, we show that ORP-related Osh lipid exchange proteins are critical for the synthesis of phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate [PI(4,5)P2], a key regulator of dynamic events at the PM. In real-time assays, we find that unsaturated phosphatidylserine (PS) and sterols, both Osh protein ligands, synergistically stimulate phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase (PIP5K) activity. Biophysical FRET analyses suggest an unconventional co-distribution of unsaturated PS and phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P) species in sterol-containing membrane bilayers. Moreover, using in vivo imaging approaches and molecular dynamics simulations, we show that Osh protein-mediated unsaturated PI4P and PS membrane lipid organization is sensed by the PIP5K specificity loop. Thus, ORP family members create a nanoscale membrane lipid environment that drives PIP5K activity and PI(4,5)P2 synthesis that ultimately controls global PM organization and dynamics.
Mechanism of the electroneutral sodium/proton antiporter PaNhaP from transition-path shooting
(2019)
Na+/H+ antiporters exchange sodium ions and protons on opposite sides of lipid membranes. The electroneutral Na+/H+ antiporter NhaP from archaea Pyrococcus abyssi (PaNhaP) is a functional homolog of the human Na+/H+ exchanger NHE1, which is an important drug target. Here we resolve the Na+ and H+ transport cycle of PaNhaP by transition-path sampling. The resulting molecular dynamics trajectories of repeated ion transport events proceed without bias force, and overcome the enormous time-scale gap between seconds-scale ion exchange and microseconds simulations. The simulations reveal a hydrophobic gate to the extracellular side that opens and closes in response to the transporter domain motion. Weakening the gate by mutagenesis makes the transporter faster, suggesting that the gate balances competing demands of fidelity and efficiency. Transition-path sampling and a committor-based reaction coordinate optimization identify the essential motions and interactions that realize conformational alternation between the two access states in transporter function.
Complex I couples the free energy released from quinone (Q) reduction to pump protons across the biological membrane in the respiratory chains of mitochondria and many bacteria. The Q reduction site is separated by a large distance from the proton-pumping membrane domain. To address the molecular mechanism of this long-range proton-electron coupling, we perform here full atomistic molecular dynamics simulations, free energy calculations, and continuum electrostatics calculations on complex I from Thermus thermophilus. We show that the dynamics of Q is redox-state-dependent, and that quinol, QH2, moves out of its reduction site and into a site in the Q tunnel that is occupied by a Q analog in a crystal structure of Yarrowia lipolytica. We also identify a second Q-binding site near the opening of the Q tunnel in the membrane domain, where the Q headgroup forms strong interactions with a cluster of aromatic and charged residues, while the Q tail resides in the lipid membrane. We estimate the effective diffusion coefficient of Q in the tunnel, and in turn the characteristic time for Q to reach the active site and for QH2 to escape to the membrane. Our simulations show that Q moves along the Q tunnel in a redox-state-dependent manner, with distinct binding sites formed by conserved residue clusters. The motion of Q to these binding sites is proposed to be coupled to the proton-pumping machinery in complex I.
Secretins form multimeric channels across the outer membrane of Gram-negative bacteria that mediate the import or export of substrates and/or extrusion of type IV pili. The secretin complex of Thermus thermophilus is an oligomer of the 757-residue PilQ protein, essential for DNA uptake and pilus extrusion. Here, we present the cryo-EM structure of this bifunctional complex at a resolution of ~7 Å using a new reconstruction protocol. Thirteen protomers form a large periplasmic domain of six stacked rings and a secretin domain in the outer membrane. A homology model of the PilQ protein was fitted into the cryo-EM map. A crown-like structure outside the outer membrane capping the secretin was found not to be part of PilQ. Mutations in the secretin domain disrupted the crown and abolished DNA uptake, suggesting a central role of the crown in natural transformation.
Ion channel gating is essential for cellular homeostasis and is tightly controlled. In some eukaryotic and most bacterial ligand-gated K+ channels, RCK domains regulate ion fluxes. Until now, a single regulatory mechanism has been proposed for all RCK-regulated channels, involving signal transduction from the RCK domain to the gating area. Here, we present an inactive ADP-bound structure of KtrAB from Vibrio alginolyticus, determined by cryo-electron microscopy, which, combined with EPR spectroscopy and molecular dynamics simulations, uncovers a novel regulatory mechanism for ligand-induced action at a distance. Exchange of activating ATP to inactivating ADP triggers short helical segments in the K+-translocating KtrB dimer to organize into two long helices that penetrate deeply into the regulatory RCK domains, thus connecting nucleotide-binding sites and ion gates. As KtrAB and its homolog TrkAH have been implicated as bacterial pathogenicity factors, the discovery of this functionally relevant inactive conformation may advance structure-guided drug development.