TY  - THES
A1  - Schwarze, Simone
T1  - Untersuchung von Faltungs- und Funktionsdynamik isolierter Proteindomänen mittels Fluoreszenzlöschung
T1  - Investigation of folding and function dynamics of isolated Protein Domains using fluorescence quenching
N2  - Proteine bestehen aus einer spezifischen Sequenz verschiedener Aminosäuren, die ihre charakteristische Funktion bestimmt. Die große Variabilität an Aminosäuresequenzen ermöglichte die Evolution einer nahezu unbegrenzten Anzahl an Proteinen. Meistens nehmen diese Schlüsselpositionen ein, von robusten Baustoffen bis hin zu molekularen Maschinen. Daher kann eine Fehlfunktion gravierende Auswirkungen auf das Leben haben, z.B. Krankheiten wie Alzheimer oder Epilepsi. Um die Funktionen und Fehlfunktionen zu verstehen, ist eine umfassende Kenntnis der Proteinfaltung, der Protein-Protein Assoziation, sowie den Dynamiken innerhalb von Proteinen erforderlich. Diese Vorgänge wurden in dieser Arbeit an drei isolierten Proteindomänen durch die Anwendung der Fluoreszenzlöschmechanismen der H-Dimerbildung und des photoinduzierten Elektronentransfers untersucht.
Der entfaltete Zustand der Bindungsdomäne BBL, das Teil des 2-oxo-acid Dehydrogenasekomplexes ist, wurde unter physiologischen Bedingungen mit Zirkulardichroismus (CD) und einer Kombination aus photoinduziertem Elektronentransfer und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie analysiert. Beide Methoden zeigten übereinstimmend anhand von 20 in BBL einzeln eingefügten konservativen Punktmutationen, dass Seitenketteninteraktionen keine Auswirkungen auf die Sekundärstruktur des denaturierten Zustandes, den Ausgangspunkt der Faltung, haben. Mit Hilfe der Dekonvolation der CD-Spektren wurde zudem gezeigt, dass die Reststruktur im denaturierten Zustand der helikalen Proteindomäne von β-Strängen und β-Kehren dominiert wird, die eine entscheidende Funktion bei der Faltung in den nativen Zustand haben könnten.
Die N-terminale Domäne (NTD), der für die Materialforschung hochinteressanten Spinnen-seidenfaser, ist für die Polymerisation des Spinnenseidenfadens auf den pH-Wechsel von pH 7 auf pH 6 hin verantwortlich. Dieser für die Proteinfunktion wichtige Prozess wurde durch die Einbringung eines extrinsischen Fluoreszenzschalters, basierend auf der H-Dimerbildung, mit der Stopped-Flow-Technik untersucht. Es wurde gezeigt, dass die NTDs
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mit einer Rate von 3 x 10^8 M-1 s-1 assoziieren und somit nahezu das Geschwindigkeitslimit der Protein-Protein Assoziation erreicht wird. Zwei geladenen Seitenketten, der D39 und D40, kommt eine entscheidende Funktion in dem Prozess zu, da eine Mutation dieser die Assoziation verhindert. Des Weiteren wurde gezeigt, dass sich die NTD auf eine Erhöhung der Ionenstärke entgegengesetzt zu anderen Proteinen verhält: die Dissoziation wird beschleunigt, die Assoziation nicht beeinflusst. Gleiches Verhalten wurde auf den einzelnen Austausch der übrigen protonierbaren Aminosäureseitenketten hin beobachtet, ausgenommen die Mutation der E119, welche die Dissoziation verlangsamt. Daher scheint der makromolekulare Dipol, der auf Grund der Ladungsverteilung in der NTD entsteht, die Assoziation maßgeblich zu beeinflussen.
Glutamatrezeptoren sind an der schnellen synaptischen Signalweiterleitung im Nervensys-tem von Vertebraten beteiligt. Die Konformationen der Ligandenbindungsdomäne (LBD) haben dabei entscheidende Auswirkungen auf die Funktion des Gesamtrezeptors. Diese wurden mit einer Kombination aus photoinduziertem Elektronentransfer und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie untersucht. Mit dieser Methode wurde ein dynamisches Bild der gebundenen sowie ungebundenen Form der AMPA-spezifischen Glutamatrezeptor 2-LBD gezeigt. Es wurde zudem gezeigt, dass sich die Dynamiken in Abhängigkeit der Bindung von den Agonisten Glutamat und AMPA, dem partiellen Agonisten Kainate oder Cyclothiazid (CTZ), welches eine Dimerisierung der LBDs bewirkt, unterschiedlich verändern. Dies könnte eine Auswirkung auf die Funktion der Rezeptoren haben.
Die Anwendung der Fluoreszenzlöschmechanismen der H-Dimerbildung und des photoinduzierten Elektronentransfers in dieser Arbeit hat gezeigt, dass diese die Möglichkeit bieten, unterschiedlichste Fragestellungen zu beantworten und so Einblicke in dynamische Funktionsweisen von Proteinen eröffnen. Kombiniert mit etablierten Fluoreszenzmethoden ist es so möglich quantitativ Kinetiken auf unterschiedlichen Zeitskalen zu untersuchen.
N2  - Proteins are composed of a specific sequence of variable amino acids that specify their specific function. The vast variability of possible amino acid sequences allowed for the evolution of a nearly infinite number of different proteins. Mostly these will have key positions, reaching from strong building material to molecular machines. Therefore a malfunction will have an immense effect on life, i.e. diseases like Alzheimer disease or epilepsy. In order to understand the function and malfunction an intense understanding of the protein folding, the protein-protein association, as well as the protein dynamics is essential. These processes have been investigated in this thesis with three isolated protein domains by the application of the fluorescence quenching mechanisms of the H-dimer-formation and by the photoinduced electron transfer.
The unfolded state of the binding domain BBL, which is part of the 2-oxo-acid-dehydrogenase-complex, was analysed under physiological conditions by circular dichroism (CD), and a combination of photoinduced electron transfer and fluorescence correlation spectroscopy. Both methods showed accordingly, using 20 singly implanted conservative point mutations in BBL, that side-chain interactions have no effect on the secondary struc-ture of the denatured condition, the initial state of the folding. Using deconvolution on the CD spectra it was shown in addition, that the remaining structure of the helical protein domain in the denatured state is dominated by β-strands and β-turns. These may have a decisive function during the folding in the native state.
The N-terminal domain of the spider silk fibre, which is of high interest for the material research, is responsible for the polymerisation of the spider silk fibre during the pH-change from pH 7 to pH 6. This important process for the protein function was investigated with the Stopped-Flow technique by the application of an extrinsic fluorescence switch, based on the H-dimer formation. It was shown, that NTDs associate with a rate of 3 x 10^8 M-1 s-1, and so nearly reach the speed limit of the protein-protein association. In this process two charged side chains, the D39 and D40, have a decisive function, as a mutation of these will
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avoid the association. Furthermore it was shown, that the NTD will react in opposition to other proteins on the increase of the ionic strength: the dissociation will be speeded up, and the association is not influenced. The identical behaviour was observed with the single ex-change of the other protonable amino acid side chains, except for the mutation of E119, which retards dissociation. Therefore the macromolecular dipol, that is formed by the charge distribution of the NTD, is obviously influencing the association.
Glutamate receptors participate in the fast synaptic signal transfer in vertebrates. Here dif-ferent conformations of the ligand binding domain (LBD) have decisive effects on the function of the entire receptor. These have been investigated with a combination of photoin-duced electron transfer and fluorescence correlation spectroscopy. Using this method a dynamic behaviour of the bound and unbound form of the AMPA specific glutamate receptor 2 LBD was shown. Furthermore it was shown, that the dynamics will change differently in dependence of the binding of the agonist glutamate and AMPA, the partial agonist kainate or Cyclothiazide (CTZ), which effects a dimerization of the LBDs. This may have an effect on the function of the receptors.
The use of the fluorescence quenching mechanisms of the H-dimer formation and the pho-toinduced electron transfer in this thesis has shown, that these offer the opportunity to an-swer a large range of questions and open a view to the dynamic functionality of proteins. Combined with established fluorescence methods it is possible to quantitatively investigate kinetic rates at different time scales.
KW  - Protein-Protein-Wechselwirkung
KW  - Fluoreszenzlöschung
KW  - Domäne <Biochemie>
KW  - Proteindynamiken
KW  - H-Dimerbildung
KW  - Photoinduzierter Elektronentransfer
KW  - Spinnenseide
KW  - Glutamatrezeptor
KW  - BBL
KW  - protein dynamics
KW  - fluorescence quenching
KW  - Proteindomänen
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107080
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bollmann, Stefan
T1  - Structural Dynamics of Oligopeptides determined by Fluorescence Quenching of Organic Dyes
T1  - Bestimmung struktureller Dynamiken von Oligopeptiden mittels Fluoreszenzlöschung von organischen Fluorophoren
N2  - For determination of structures and structural dynamics of proteins organic fluorophores are a standard instrument. Intra- and intermolecular contact of biomolecular structures are determined in time-resolved and stationary fluorescence microscopy experiments by quenching of organic fluorophores due to Photoinduced Electron Transfer (PET) and dimerization interactions. Using PET we show in this work that end-to-end contact dynamics of serine-glycine peptides are slowed down by glycosylation. This slow down is due to a change in reaction enthalpy for end-to-end contact and is partly compensated by entropic effects. In a second step we test how dimerization of MR121 fluorophore pairs reports on end-to-end contact dynamics. We show that in aqueous solutions containing strong denaturants MR121 dimerization reports advantageously on contact dynamics for glycine-serine oligopeptides compared to the previously used MR121/tryptophane PET reporters. Then we analyze dimer interactions and quenching properties of different commercially available fluorophores being standards in Förster Resonance Energy Transfer (FRET) measurements. Distances in biomolecules are determinable using FRET, but for very flexible biomolecules the analysis of masurement data can be distorted if contact of the two FRET fluorophores is likely. We quantify how strong the quenching of fluorophore pairs with two different or two identical fluorophores is. Dimer spectra and association constants are quantified to estimate if fluophores are applicable in various applications, e.g. in FRET measurements with unstructured peptides and proteins.
N2  - Zur Charakterisierung von Proteinen werden in der fluoreszenzbasierten Mikroskopie organische Farbstoffe benutzt, um strukturelle Informationen bzw. Informationen über dynamische Prozesse zu gewinnen. In der zeitaufgelösten und stationären Fluoreszenzmikroskopie können hiermit Kontaktprozesse durch photoinduzierten Elektronentransfer und auch Dimerisierung der Fluorophore analysiert werden. In dieser Arbeit wird mittels photoinduziertem Elektronentransfer PET gezeigt, dass Glykosylierung End-zu-End Kontaktkinetiken verändert. Sehr flexible Serin-Glycin Peptide zeigen glykosyliert langsamere Kinetiken durch Veränderung der Reaktionsenthalpie der Kontaktreaktion beider Peptidenden verglichen zu unglykosylierten. Diese enthalpischen Beiträge werden zum Teil von entropischen Beiträgen kompensiert. Außerdem wird gezeigt, dass Glycin-Serin Peptiddynamiken auch mittels Farbstoffpaaren gemessen werden können, die auf Löschwechselwirkungen durch Dimerisierung beruhen. Die Stärke dieser Löschwechselwirkungen hängt vom Farbstoffpaar ab. In Lösungen mit Denaturierungsmitteln können Farbstoffpaare des Fluoreszenzfarbstoffes MR121 vorteilhaft für Messungen von Dynamiken von Glycin-Serin Peptiden genutzt werden. Die Dimerwechselwirkungen können bei sehr flexiblen Biomolekülen und möglichem Kontakt von Fluorophoren die konventionelle Analyse von Förster Resonanz Energie Transfer (FRET) Messungen erschweren. Wir untersuchen an Glycin-Serin Oligopeptiden das Dimerisierungsverhalten kommerziell erhältlicher Fluorophore, die in FRET Messungen verwendet werden. Für gleiche und verschiedene Fluorophore wird die Löschung durch Dimerwechselwirkungen quantifiziert. Dabei werden Dimerspektren und Assoziationskonstanten für Dimerisierungsreaktionen bestimmt. Letztere helfen bei der Abschätzung, ob Fluorophorpaare für verschiedene Anwendungen geeignet sind, zum Beispiel in FRET-Messungen in unstrukturierten Peptiden und Proteinen.
KW  - Fluorophore
KW  - Fluoreszenzlöschung
KW  - h-dimerization
KW  - Lumineszenzlöschung
KW  - Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie
KW  - Glykosylierung
KW  - Dimerisierung
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-92191
ER  -