Schaukelbewegung in festen Proteinen untersucht mit Festkörper-NMR-Techniken
Biophysik
Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Strukturbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um die Ziele des Projekts zu erreichen, haben wir verschiedene methodologische Verbesserungen für einige der NMR-Experimente vorgeschlagen, die es ermöglichen, präzise Informationen über die molekulare Dynamik im Mikrosekundenbereich zu erhalten, frei von störenden Effekten. Wir haben eine Modifizierung der CODEX-Pulssequenz (Centerband-Only Detection of Exchange) vorgeschlagen, mit der der Einfluss des RIDER-Effekts (Relaxation- Induced Dipolar Exchange with Recoupling) unterdrückt werden kann. Mit dieser Modifikation konnten wir zeigen, dass feste Proteine keine langsame Bewegung auf der Zeitskala von Millisekunden durchlaufen und dass der in diesem Experiment beobachtete scheinbare Zerfall der Korrelationsfunktion durch RIDER verursacht wird. Um schnellere Zeitskalen zu untersuchen, haben wir die 15N R1p-Relaxometrie verwendet. Diese Methode ist auch anfällig für einen störenden Effekt, wie z. B. einen Spin-Spin-Beitrag zur Relaxationsrate, der den Spin-, aber nicht die molekulare Dynamik widerspiegelt. Um dies zu unterdrücken, haben wir während des 15N-Spin-Lock-Pulses eine Protonenentkopplung vorgenommen. Durch diese Änderung konnten wir die Parameter der langsamen Bewegung zuverlässiger und genauer messen als mit dem herkömmlichen Relaxationsexperiment allein. Mit diesem Ansatz konnten wir zeigen, dass die beobachtete langsame Proteinbewegung eine Winkelamplitude von nur wenigen Grad und eine breite Verteilung der Korrelationszeiten aufweist, die von einigen wenigen bis zu mehreren hundert Mikrosekunden reichen. Solche langsamen Korrelationszeiten liegen am Rande des Zeitfensters der R1p-Relaxometrie, und die erhaltenen Parameter der Bewegung waren nicht sehr präzise. Schließlich verwendeten wir das stimulierte 2H-Echo zur Messung der Korrelationsfunktion der langsamen Bewegung, und dieser experimentelle Ansatz lieferte die zuverlässigsten, präzisesten und wichtigsten Ergebnisse des gesamten Projekts. Wir haben ein Protokoll vorgeschlagen, das die Kompensation von Verzerrungen in der Korrelationsfunktion ermöglicht, die mit dem stimulierten Echo-Experiment erhalten wurden. Wir haben gezeigt, dass 15N-Backbone-Kerne und Seitenketten- Methyldeuteronen die gleiche langsame Bewegung erfahren. Zusätzlich zu der Proteinprobe haben wir auch 2H-Experimente mit stimuliertem Echo an mikrokristallinen Tripeptiden und einer Aminosäure (L-Alanin) durchgeführt. Überraschenderweise beobachten wir bei diesen Proben eine langsame Bewegung in praktisch demselben Zeitbereich wie bei der Proteinprobe. Darüber hinaus wurde in allen drei Proben fast keine Temperaturabhängigkeit beobachtet. Dies und die Unabhängigkeit der Zeitskala der Bewegung von der Größe der Moleküle veranlasste uns zu dem Schluss, dass es sich bei dieser langsamen Bewegung tatsächlich um Ultraschallphononen handelt, die allen starren biologischen Festkörpern eigen sein sollten. Der früher verwendete Begriff „Schaukeln“ spiegelt also nicht die physikalische Natur dieser Bewegung wider, da es sich nicht um eine unabhängige Neuausrichtung von Molekülen innerhalb einer festen Matrix handelt, sondern um eine korrelierte Biegung/Verdrehung Deutsche Forschungsgemeinschaft von Molekülstrukturen, die zu makroskopischen elastischen Schwingungen der gesamten starren Probe führt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Relaxation-induced dipolar exchange with recoupling (RIDER) distortions in CODEX experiments. Magnetic Resonance, 1(2), 247-259.
Krushelnitsky, Alexey & Saalwächter, Kay
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Rocking motion in solid proteins studied by the 15N proton-decoupled R1ρ relaxometry. Physical Chemistry Chemical Physics, 25(23), 15885-15896.
Krushelnitsky, Alexey; Hempel, Günter; Jurack, Hannes & Ferreira, Tiago Mendes
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Slow global motions in biosolids studied by the deuteron stimulated echo NMR experiment. The Journal of Chemical Physics, 161(18).
Krushelnitsky, Alexey; Shahsavan, Farhad; Hempel, Günter & Fatkullin, Nail
