Dynamik in Proteinkristallen : Inelastische Lichtstreuung und Röntgenstrukturanalyse während Mikrowellenbestrahlung

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Datum
2004
Autor:innen
Weissenborn, Ralf
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Dynamics in protein crystals: inelastic light scattering and X-ray diffraction during microwave irradiation
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Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Frequently, protein crystallographers see themselves confronted with the problem that although a protein forms crystals with high symmetry, its structure determination is not possible due to insufficient diffraction properties of the crystals. A possible cause for this phenomenon is that the proteins are assembled in several conformational substates in the crystal lattice, which causes an unsatisfactory order and poor diffraction properties of the crystal. The goal of this work was to answer the question whether the conformational disorder in poorly diffracting protein crystals can be decreased by microwave irradiation of the crystals. Normal mode analyses have shown that in many cases, where the structure of a protein is known in two different conformations, the associated movement, which transfers one conformation into the other can already be described by only one or two of the slowest vibrational normal modes of the respective protein. Hence it should be possible to induce transitions between conformational substates by a selective excitement of the slowest vibrational modes. For the selective excitement electromagnetic waves are applicable, which can couple to the dynamics of a protein via polar and charged sidechains of the amino acids and via dipoles between structural subunits.
For the first time inelastic light scattering on protein crystals has been done from the GHz- to THz-frequency range with a tandem-Fabry-Pérot-interferometer.
By the modification of a special microwave guide, XRD-measurements under simultaneous microwave irradiation became possible. Thus microwave effects on protein dynamics have been studied with atomic resolution for the first time.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die Funktion eines Proteins steht in engem Zusammenhang mit seiner spezifischen Struktur, Flexibilität und Dynamik. Eine möglichst genaue Kenntnis der Struktur ist daher nicht nur aus Sicht der strukturbiologischen Grundlagenforschung interessant, sondern auch von elementarer Bedeutung für die moderne Medizin, zur Krankheitsdiagnostik und für die gezielte Entwicklung von Medikamenten. Zur Bestimmung von Proteinstrukturen stehen der Wissenschaft nur 2 experimentelle Methoden zur Verfügung: Röntgenbeugung an Proteinkristallen (XRD) und magnetische Kernresonanz (NMR) an Proteinlösungen. 87% der ca. 25000 Struktureinträge in der Protein Data Bank (Stand Okt. 2004) wurden mittels Röntgenstrukturanalyse bestimmt. Dies verdeutlicht herausragende Stellung dieser Methode. Neben anderen Problemen der Röntgenstrukturanalyse stellt die Kristallisation eines Proteins ein oft unüberwindbares Hindernis dar. Für die vollständige Strukturbestimmung eines Proteins werden Einkristalle hoher Qualität benötigt, deren Weitwinkelbeugung eine strukturelle Auflösung von mindestens 2-3 Ångström ermöglicht.
Häufig sehen sich Protein-Kristallographen mit dem Problem konfrontiert, dass ein Protein zwar Kristalle mit hoher Symmetrie bildet, eine Strukturbestimmung aufgrund ungenügender Beugungseigenschaften jedoch nicht möglich ist. Eine mögliche Ursache für dieses Phänomen ist, dass die Proteine bei der Kristallisation in mehreren konformationellen Unterzuständen in den Gitterverband eingebaut werden, was eine mangelhafte Ordnung und schlechte Beugungseigenschaften des Kristalls zur Folge hat. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Beantwortung der Frage, ob die Konformations-Unordnung in schlecht beugenden Proteinkristallen durch Mikrowellenbestrahlung der Kristalle behoben werden kann.
Normalmoden-Analysen haben gezeigt, dass in vielen Fällen, bei denen die Struktur eines Proteins in zwei verschiedenen Konformationen bekannt ist, die zugehörige Bewegung, die eine Konformation in die andere überführt, bereits durch ein oder zwei der langsamsten kollektiven Vibrationsmoden des jeweiligen Proteins beschrieben werden kann. Geht man hiervon aus, so müsste es möglich sein, durch eine selektive Anregung der tiefsten Vibrationsmoden, Übergänge zwischen Konformationszuständen gezielt zu induzieren. Für die selektive Anregung kommen in erster Linie elektromagnetische Wellen in Frage, die über die polaren und geladenen Seitenketten der Aminosäuren und über Dipolmomente zwischen strukturellen Einheiten an die Dynamik eines Proteins koppeln können. Bleibt die Frage, bei welcher Frequenz eine resonante Anregung der langsamsten Vibrationsmoden stattfinden könnte. Hierzu werden Experimente vorgestellt, bei denen erstmals inelastische Lichtstreuung an Proteinkristallen mit einem Tandem-Fabry-Pérot-Interferometer vom GHz- bis in den THz-Frequenzbereich durchgeführt wurde. Durch die Modifikation eines speziellen Mikrowellenleiters gelang es XRD-Messungen unter gleichzeitiger Mikrowellenbestrahlung durchzuführen. Mit den vorliegenden Messungen konnten somit erstmals Mikrowelleneffekte auf ein Protein mit atomarer Auflösung untersucht werden. Dies verleiht den Ergebnissen eine Relevanz, die über das Thema dieser Arbeit hinausgeht, wird doch schon seit etlichen Jahren eine breite Diskussion in der Fachwelt sowie in der Öffentlichkeit, über mögliche Mikrowelleneffekte auf Organismen und Biomaterialien im Allgemeinen geführt.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Proteinkristalle, Röntgenstrukturanalyse, protein crystals, microwave irradiation, Raman, X-ray diffraction
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690WEISSENBORN, Ralf, 2004. Dynamik in Proteinkristallen : Inelastische Lichtstreuung und Röntgenstrukturanalyse während Mikrowellenbestrahlung [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 11, 2005
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