Aspects and Applications of Pulse Sequence Design for Solution-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

NMR spectroscopy enables the study of biomolecules from peptides and carbohydrates to proteins at atomic resolution. The technique uniquely allows for structure determination of molecules in solution-state. It also gives insights into dynamics and intermolecular interactions important for determining biological function. Detailed molecular information is entangled in the nuclear spin states. The information can be extracted by pulse sequences designed to measure the desired molecular parameters. Advancement of pulse sequence methodology therefore plays a key role in the development of biomolecular NMR spectroscopy. A range of novel pulse sequences for solution-state NMR spectroscopy are presented in this thesis. The pulse sequences are described in relation to the molecular information they provide. The pulse sequence experiments represent several advances in NMR spectroscopy with particular emphasis on applications for proteins. Some of the novel methods are focusing on methyl-containing amino acids which are pivotal for structure determination. Methyl-specific assignment schemes are introduced for increasing the size range of 13C,15N labeled proteins amenable to structure determination without resolving to more elaborate labeling schemes. Furthermore, cost-effective means are presented for monitoring amide and methyl correlations simultaneously. Residual dipolar couplings can be applied for structure refinement as well as for studying dynamics. Accurate methods for measuring residual dipolar couplings in small proteins are devised along with special techniques applicable when proteins require high pH or high temperature solvent conditions. Finally, a new technique is demonstrated to diminish strong-coupling induced artifacts in HMBC, a routine experiment for establishing long-range correlations in unlabeled molecules. The presented experiments facilitate structural studies of biomolecules by NMR spectroscopy.

Analysis of forest soil chemistry and hydrology with a dynamic model ACIDIC.

In this study we analyze how the ion concentrations in forest soil solution are determined by hydrological and biogeochemical processes. A dynamic model ACIDIC was developed, including processes common to dynamic soil acidification models. The model treats up to eight interacting layers and simulates soil hydrology, transpiration, root water and nutrient uptake, cation exchange, dissolution and reactions of Al hydroxides in solution, and the formation of carbonic acid and its dissociation products. It includes also a possibility to a simultaneous use of preferential and matrix flow paths, enabling the throughfall water to enter the deeper soil layers in macropores without first reacting with the upper layers. Three different combinations of routing the throughfall water via macro- and micropores through the soil profile is presented. The large vertical gradient in the observed total charge was simulated succesfully. According to the simulations, gradient is mostly caused by differences in the intensity of water uptake, sulfate adsorption and organic anion retention at the various depths. The temporal variations in Ca and Mg concentrations were simulated fairly well in all soil layers. For H+, Al and K there were much more variation in the observed than in the simulated concentrations. Flow in macropores is a possible explanation for the apparent disequilibrium of the cation exchange for H+ and K, as the solution H+ and K concentrations have great vertical gradients in soil. The amount of exchangeable H+ increased in the O and E horizons and decreased in the Bs1 and Bs2 horizons, the net change in whole soil profile being a decrease. A large part of the decrease of the exchangeable H+ in the illuvial B horizon was caused by sulfate adsorption. The model produces soil water amounts and solution ion concentrations which are comparable to the measured values, and it can be used in both hydrological and chemical studies of soils.

The effect of structure on the dilute solution properties of branched polysaccharides studied with SEC and AsFlFFF

Cereal arabinoxylans, guar galactomannans, and dextrans produced by lactic acid bacteria(LAB) are a structurally diverse group of branched polysaccharides with nutritional and industrial functions. In this thesis, the effect of the chemical structure on the dilute solution properties of these polysaccharides was investigated using size-exclusion chromatography(SEC) and asymmetric flow field-flow fractionation (AsFlFFF) with multiple-detection. The chemical structures of arabinoxylans were determined, whereas galactomannan and dextran structures were studied in previous investigations. Characterization of arabinoxylans revealed differences in the chemical structures of cereal arabinoxylans. Although arabinoxylans from wheat, rye, and barley fiber contained similar amounts of arabinose side units, the substitution pattern of arabinoxylans from different cereals varied. Arabinoxylans from barley husks and commercial low-viscosity wheat arabinoxylan contained a lower number of arabinose side units. Structurally different dextrans were obtained from different LAB. The structural effects on the solution properties could be studied in detail by modifying pure wheat and rye arabinoxylans and guar galactomannan with specific enzymes. The solution characterization of arabinoxylans, enzymatically modified galactomannans, and dextrans revealed the presence of aggregates in aqueous polysaccharide solutions. In the case of arabinoxylans and dextrans, the comparison of molar mass data from aqueous and organic SEC analyses was essential in confirming aggregation, which could not be observed only from the peak or molar mass distribution shapes obtained with aqueous SEC. The AsFlFFF analyses gave further evidence of aggregation. Comparison of molar mass and intrinsic viscosity data of unmodified and partially debranched guar galactomannan, on the other hand, revealed the aggregation of native galactomannan. The arabinoxylan and galactomannan samples with low or enzymatically extensively decreased side unit content behaved similarly in aqueous solution: lower molar mass samples stayed in solution but formed large aggregates, whereas the water solubility of the higher-molar-mass samples decreased significantly. Due to the restricted solubility of galactomannans in organic solvents, only aqueous galactomannan solutions were studied. The SEC and AsFlFFF results differed for the wheat arabinoxylan and dextran samples. Column matrix effects and possible differences in the separation parameters are discussed, and a problem related to the non-established relationship between the separation parameters of the two separation techniques is highlighted. This thesis shows that complementary approaches in the solution characterization of chemically heterogeneous polysaccharides are needed to comprehensively investigate macromolecular behavior in solution. These results may also be valuable when characterizing other branched polysaccharides.

Dracocephalum moldavica L. and Melissa officinalis L. : Chemistry and Bioactivities Relevant in Alzheimer’s Disease Therapy

Oksidatiivisen stressin eli liiallisen reaktiivisten happiyhdisteiden määrän soluissa on jo pitkään arveltu olevan tärkeä Alzheimerin taudin kehittymiseen ja etenemiseen vaikuttava tekijä. Tämän vuoksi kiinnostus erilaisten antioksidanttien (yhdisteitä, jotka neutraloivat näitä happiradikaaleja soluissa) mahdollisia terapeuttisia ominaisuuksia Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu laajalti. Tähän mennessä ei kuitenkaan ole vielä onnistuttu löytämään antioksidanttia, joka olisi hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Tämän vuoksi on tärkeää pyrkiä löytämään uusia antioksidanttien lähteitä sekä tutkia niistä löytyviä aktiivisia yhdisteitä. Kiinnostus luonnon antioksidantteja kohtaan on kasvanut voimakkaasti viime aikoina. Huomio on kiinnittynyt erityisesti aromaattisista sekä lääkekasveista löytyviin antioksidantteihin. Lamiaceae- perheeseen kuuluvia tuoksuampiaisyrttiä (Dracocephalum moldavica L.) ja sitruunamelissaa (Melissa officinalis L.) on käytetty Iranissa pitkään sekä ruoanlaitossa että lääkinnässä, minkä vuoksi näiden kasvien uutteiden antioksidanttisisältöä päätettiin analysoida käyttäen useaa erilaista in vitro- menetelmää. Näissä kokeissa ilmeni, että uutteilla oli useita antioksidanttisia vaikutuksia. Näistä antioksidanttisista vaikutuksista vastaavia yhdisteitä pyrittiin tunnistamaan käyttäen HPLC-PDA- tekniikkaa, minkä seurauksena niiden havaittiin sisältävän erilaisia polyfenoleita, kuten hydroksyloituneita bentsoeeni- ja cinnamamidihapon johdannaisia sekä flavonoideja. Kummankin kasvin uutteissa runsaimmin esiintynyt yhdiste oli rosmariinihappo. Sitruunamelissaa (M. officinalis) on käytetty antiikin ajoista alkaen kognitiivisten toimintojen häiriöiden hoidossa. Perustuen tietoon kasvin käytöstä perinteisessä lääkinnässä, sen tehoa Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu viime aikoina kliinisin kokein. Sitruunamelissan todettiinkin olevan hyödyksi lievää ja keskivaikeaa Alzheimeimerin tautia sairastavien potilaiden hoidossa. Väitöskirjan osanan olevasta kooste-artikkelista käy ilmi, että tutkimalla lääkekasvien ominaisuuksia voidaan saada arvokkaita suuntaa-antavia vihjeitä Alzheimerin taudin lääkehoidon kehittämiseen. Tämän perusteella päätettiinkin testatata myös sitruunamelissauutteen kykyä estää asetyylikoliiniesteraasin (AChE) toimintaa, koska tämän entsyymin toiminna estämisen tiedetään olevan hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Uute kykeni estämään AChE:n toimintaa, minkä vuoksi uutteen sisältämiä komponentteja päätettiin tutkia terkemmin. Uute jaettiin erilaisiin fraktioihin käyttäen HPLC-menetelmää, minkä jälkeen testattiin jokaisen fraktion kykyä inhiboida AchE. Suurin osa fraktioista kykeni inhiboimaan AChE:n toimintaa selkeästi tehokkaammin, kuin raakauute. Kaikista tehokkainta fraktiota analysoitiin tarkemmin sen aktiivisten yhdisteiden tunnistamiseksi, minkä seurauksena sen sisältämät yhdisteet tunnistettiin cis ja trans-rosmariinihapoiksi. Tässä tutkimuksessa tunnistettujen yhdisteiden hyödyllisyyttä Alzheimerin taudin hoidossa tulisi seuraavaksi tutkia erilaisissa in vivo-malleissa. Lisäksi jäljellä olevien fraktioiden kemiallinen koostumus tulisi selvittää sekä antioksidanttiaktiivisuuden ja AChE:n toiminnan inhiboinnin välistä mahdollista yhteyttä tulisi tutkia tarkemmin. Tämä tutkimus osoittaa tuoksuampiasyrtin (D. moldavica) sekä sitruunamelissan (M. officinalis) sisältävän monenlaisia aktiivisia antioksidantteja. Lisäksi sitruunamelissan sisältämät yhdisteet kykenivät estämään asetyylikoliiniesteraasin (AchE) toimintaa. Nämä tulokset tukevat osaltaan väitöskirjan osana olevan kooste-artikkelin johtopäätöksiä, joiden mukaan etnofarmakologinen kasvitutkimus voi osoittautua erittäin hyödylliseksi kehitettäessä uutta lääkehoitoa Alzheimerin tautiin. Lisäksi tässä väitöskirjassa kuvattu tutkimus osoittaakin, että perinteisesti lääkekasvina käytettyä sitruunamelissaa voidaan mahdollisesti hyödyntää uusien Alzheimerin taudin hoitoon käytettävien lääkkeiden kehityksessä.