Spin polarised Heusler compounds

In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt.

Chiroptical properties of bioactive molecules: sensitivity to conformation and solvation

Chiroptical spectroscopies play a fundamental role in pharmaceutical analysis for the stereochemical characterisation of bioactive molecules, due to the close relationship between chirality and optical activity and the increasing evidence of stereoselectivity in the pharmacological and toxicological profiles of chiral drugs. The correlation between chiroptical properties and absolute stereochemistry, however, requires the development of accurate and reliable theoretical models. The present thesis will report the application of theoretical chiroptical spectroscopies in the field of drug analysis, with particular emphasis on the huge influence of conformational flexibility and solvation on chiroptical properties and on the main computational strategies available to describe their effects by means of electronic circular dichroism (ECD) spectroscopy and time-dependent density functional theory (TD-DFT) calculations. The combination of experimental chiroptical spectroscopies with state-of-the-art computational methods proved to be very efficient at predicting the absolute configuration of a wide range of bioactive molecules (fluorinated 2-arylpropionic acids, β-lactam derivatives, difenoconazole, fenoterol, mycoleptones, austdiol). The results obtained for the investigated systems showed that great care must be taken in describing the molecular system in the most accurate fashion, since chiroptical properties are very sensitive to small electronic and conformational perturbations. In the future, the improvement of theoretical models and methods, such as ab initio molecular dynamics, will benefit pharmaceutical analysis in the investigation of non-trivial effects on the chiroptical properties of solvated systems and in the characterisation of the stereochemistry of complex chiral drugs.

Röntgenabsorptionsspektroskopie und magnetischer Röntgenzirkulardichroismus an dünnen Heusler-Filmen

Verbindungen aus nicht ferromagnetischen Bestandteilen, die ferromagnetische Eigenschaf-ten zeigen, sind seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannt und werden nach ihrem Entdecker als Heusler-Verbindungen bezeichnet. Seitdem haben sie nichts von ihrer Faszination eingebüßt, besitzen sie doch eine Fülle besonderer Eigenschaften mit Anwendungen z.B. in der Spintronik.rnAuf der Suche nach geeigneten Legierungen ist es wünschenswert, zunächst grundlegende Eigenschaften wie das magnetische Moment elementspezifisch bestimmen zu können. Hierfür sind Methoden wie Röntgenabsorptionsspektroskopie und magnetischer Röntgenzirkulardichroismus (XAS/XMCD) prädestiniert.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur entwickelt, mit deren Hilfe XAS- und XMCD-Messungen an dünnen Heusler-Filmen durchgeführt werden können. Da Grenzflächeneigenschaften von besonderem Interesse sind, wurde der experimentelle Aufbau so gewählt, dass gleichzeitig Volumen und Oberflächeneigenschaften untersucht werden können. Durch Vergleich dieser Messdaten erhält man Zugang zu den Grenzflächeneigenschaften.rnSo konnte mit XAS-Messungen nachgewiesen werden, dass sich die chemischen Eigenschaften an der Grenzfläche mancher Filme von denen im Volumen des Films unterscheiden (Oxidation bzw. Interdiffusion der Abdeckschicht). Auch stöchiometrische Unterschiede zwischen Oberfläche und Volumen konnten so identifiziert werden.rnMit Hilfe von XMCD-Messungen wurden elementspezifische magnetische Momente bestimmt und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Auch hierbei konnten Oberflächen- und Volumenmomente miteinander verglichen werden. So wurde z.B. unter Verwendung einer Schichtserie die Anzahl magnetischer Totlagen an beiden Grenzflächen bestimmt. Diese Informationen sind wichtig, um die Qualität dünner Filme steigern zu können.rnDes Weiteren war es auch möglich, temperaturabhängige Änderungen in der Ni2MnGa Zustandsdichte, die von der Theorie vorhergesagt wurden, in den XAS-Spektren nachzuweisen. Schließlich wurde noch eine Methode entwickelt, die es erlaubt, unter bestimmten Voraussetzungen auf die partielle unbesetzte Zustandsdichte (PDOS) zu schließen. Dies liefert wichtige Hinweise auf Lage und Breite der bisher nur theoretisch vorhergesagten Bandlücke. Es ist mit der hier vorgestellten Methode nicht möglich, die gesamte PDOS für alle Elemente zu vermessen, doch können so relativ leicht vielversprechende Kandidaten für weitere Untersuchungen gefunden werden.rn

Formation of DNA complexes in aqueous and organic solvents

From a physical-chemical point of view, it is challenging to form complexes with polyelectrolytes, consisting of only molecule of the largest component, i.e. the component with the highest number of charges. In this study, complexes are formed with DNA because of its potential applications as an artificial vector for gene delivery. The aim of this work is to prepare complexes in aqueous solutions as well as in organic solvents containing only one DNA molecule. For this purpose, the topology, equilibrium and conformation of complexes between a supercoiled DNA pUC19 (2686 base pairs) and spermine containing hydrophilic and/or hydrophobic moieties or a polylysine with a hydrophilic block are determined by means of dynamic (DLS) and static light scattering (SLS), atomic force microscopy (AFM), and circular dichroism (CD) spectroscopy. It is demonstrated that all of these complexes consisted of only one molecule of the polyanion. Only the polylysine-b-polyethylene glycol copolymer satisfied the conditions: 1) 100% neutralization of DNA charges and with a small excess of the cation (lower than 30%) and 2) form stable complexes at every charge ratio. rnDNA complex formation is also investigated in organic solvents. Precipitation is induced by neutralizing the charge of the supercoiled DNA pUC19 with the surfactants dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB) and tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB). After isolation and drying of the solids, the complexes are dissolved in organic solvents. DNA-TTA complexes are only soluble in methanol and DNA-DTA in DMF. The complexes again consisted of only one DNA molecule. The final topology of the complexes is different in methanol than in DMF. In the former case, DNA seems to be compacted whereas in the latter case, the DNA-DTA complexes seem to have an expanded conformation. Upon complex formation with polycations in organic solvents (with polyvilylpyridine brush (b-PVP) in methanol and with a protected polylysine in DMF), DNA aggregates and precipitates. rnDNA is linearized with an enzyme (SmaI) to investigate the influence of the initial topology of the polyanion on the final conformation of the complexes in organic solvents. Two main differences are evidenced: 1. Complexes in organic solvents formed with linear DNA have in general a more expanded conformation and a higher tendency to aggregate. 2. If a polycation, i.e. the b-PVP, is added to the linear DNA-TTA complexes in methanol, complexes with the polycation are formed at a higher charge ratio. In DMF, the addition of the same b-PVP and of b-PLL did not lead to the formation of complexes.rn

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

Synthesis and dynamic study of atropisomeric compounds containing boron-carbon bond

In this thesis we studied the stereodynamic behavior of 1,2-azaborines variously substituted on boron (7a, 7b, 13). Depending on the hindrance of the asymmetric aryl substituent the resulting conformations could be stereolabile or configurationally stable. Through dynamic NMR and lineshape simulation, the energy rotational barriers of the different conformers are obtained. When the barrier is higher than 22-23 kcal/mol stable atropisomers that are fisically separable could be obtained (case of compound 13) and the free activation energy barrier is determinable by kinetic analysis. Absolute configuration of two atropisomers were assigned by comparison between computational calculations and experimental ECD. Isosteric compound 21 is then synthesized in order to compare the rotational barrier around B-Caryl with the one around Cnaphth-Caryl bond.

Probing chiral interfaces by infrared spectroscopic methods

Biological homochirality on earth and its tremendous consequences for pharmaceutical science and technology has led to an ever increasing interest in the selective production, the resolution and the detection of enantiomers of a chiral compound. Chiral surfaces and interfaces that can distinguish between enantiomers play a key role in this respect as enantioselective catalysts as well as for separation purposes. Despite the impressive progress in these areas in the last decade, molecular-level understanding of the interactions that are at the origin of enantiodiscrimination are lagging behind due to the lack of powerful experimental techniques to spot these interactions selectively with high sensitivity. In this article, techniques based on infrared spectroscopy are highlighted that are able to selectively target the chiral properties of interfaces. In particular, these methods are the combination of Attenuated Total Reflection InfraRed (ATR-IR) with Modulation Excitation Spectroscopy (MES) to probe enantiodiscriminating interactions at chiral solid-liquid interfaces and Vibrational Circular Dichroism (VCD), which is used to probe the structure of chirally-modified metal nanoparticles. The former technique aims at suppressing signals arising from non-selective interactions, which may completely hide the signals of interest due to enantiodiscriminating interactions. Recently, this method was successfully applied to investigate enantiodiscrimination at self-assembled monolayers of chiral thiols on gold surfaces. The nanometer size analogues of the latter--gold nanoparticles protected by a monolayer of a chiral thiol--are amenable to VCD spectroscopy. It is shown that this technique yields detailed structural information on the adsorption mode and the conformation of the adsorbed thiol. This may also turn out to be useful to clarify how chirality can be bestowed onto the metal core itself and the nature of the chirality of the latter, which is manifested in the metal-based circular dichroism activity of these nanoparticles.

Synthesis and properties of isobicyclo-DNA

We present the synthesis of the isobicyclo-DNA building blocks with the nucleobases A, C, G and T, as well as biophysical and biological properties of oligonucleotides derived thereof. The synthesis of the sugar part was achieved in 5 steps starting from a known intermediate of the tricyclo-DNA synthesis. Dodecamers containing single isobicyclo-thymidine incorporations, fully modified A- and T-containing sequences, and fully modified oligonucleotides containing all four bases were synthesized and characterized. Isobicyclo-DNA forms stable duplexes with natural nucleic acids with a pronounced preference for DNA over RNA as complements. The most stable duplexes, however, arise by self-pairing. Isobicyclo-DNA forms preferentially B-DNA-like duplexes with DNA and A-like duplexes with complementary RNA as determined by circular dichroism (CD) spectroscopy. Self-paired duplexes show a yet unknown structure, as judged from CD spectroscopy. Biochemical tests revealed that isobicyclo-DNA is stable in fetal bovine serum and does not elicit RNaseH activity.

Denaturation and unfolding of human anaphylatoxin C3a: an unusually low covalent stability of its native disulfide bonds.

The complement C3a anaphylatoxin is a major molecular mediator of innate immunity. It is a potent activator of mast cells, basophils and eosinophils and causes smooth muscle contraction. Structurally, C3a is a relatively small protein (77 amino acids) comprising a N-terminal domain connected by 3 native disulfide bonds and a helical C-terminal segment. The structural stability of C3a has been investigated here using three different methods: Disulfide scrambling; Differential CD spectroscopy; and Reductive unfolding. Two uncommon features regarding the stability of C3a and the structure of denatured C3a have been observed in this study. (a) There is an unusual disconnection between the conformational stability of C3a and the covalent stability of its three native disulfide bonds that is not seen with other disulfide proteins. As measured by both methods of disulfide scrambling and differential CD spectroscopy, the native C3a exhibits a global conformational stability that is comparable to numerous proteins with similar size and disulfide content, all with mid-point denaturation of [GdmCl](1/2) at 3.4-5M. These proteins include hirudin, tick anticoagulant protein and leech carboxypeptidase inhibitor. However, the native disulfide bonds of C3a is 150-1000 fold less stable than those proteins as evaluated by the method of reductive unfolding. The 3 native disulfide bonds of C3a can be collectively and quantitatively reduced with as low as 1mM of dithiothreitol within 5 min. The fragility of the native disulfide bonds of C3a has not yet been observed with other native disulfide proteins. (b) Using the method of disulfide scrambling, denatured C3a was shown to consist of diverse isomers adopting varied extent of unfolding. Among them, the most extensively unfolded isomer of denatured C3a is found to assume beads-form disulfide pattern, comprising Cys(36)-Cys(49) and two disulfide bonds formed by two pair of consecutive cysteines, Cys(22)-Cys(23) and Cys(56)-Cys(57), a unique disulfide structure of polypeptide that has not been documented previously.

Chiral Templating Activity of Tris(bipyridine)ruthenium(II) Cation in the Design of Three-Dimensional (3D) Optically Active Oxalate-Bridged {[Ru(bpy) 3 ][Cu 2 x Ni 2(1 - x ) (C 2 O 4 ) 3 ]} n (0 ≤ x ≤ 1; bpy = 2,2‘-bipyridine): Structural, Optical, and Magnetic Studies

Three-dimensional oxalate-based {[Ru(bpy)3][Cu2xNi2(1-x)(ox)3]}n (0≤ x ≤ 1, ox = C2O42-, bpy = 2,2‘bipyridine) were synthesized. The structure was determined for x = 1 by X-ray diffraction on single crystal. The compound crystallizes in the cubic space group P4132. It shows a three-dimensional 10-gon 3-connected (10,3) anionic network where copper(II) has an unusual tris(bischelated) environment. X-ray powder diffraction patterns and their Rietveld refinement show that all the compounds along the series are isostructural and single-phased. According to X-ray absorption spectroscopy, copper(II) and nickel(II) have an octahedral environment, respectively elongated and trigonally distorted. As shown by natural circular dichroism, the optically active forms of {[Ru(bpy)3][CuxNi2(1-x)(ox)3]}n are obtained starting from resolved Δ- or Λ-[Ru(bpy)3]2+. The Curie−Weiss temperatures range between −55 (x = 1) and −150 K (x = 0). The antiferromagnetic exchange interaction thus decreases when the copper contents increases in agreement with the crystallographic structure of the compounds and the electronic structure of the metal ions. At low temperature, the compounds exhibit complex long-range ordered magnetic behavior.

Excited state interactions between the chiral Au 38 L 24 cluster and covalently attached porphyrin

A protected S-acetylthio porphyrin was synthesized and attached to the Au38(2-phenylethanethiolate)24 cluster in a ligand exchange reaction. Chiral high performance liquid chromatography of the functionalized cluster yielded enantiomeric pairs of clusters probably differing in the binding site of the porphyrin. As proven by circular dichroism, the chirality was maintained. Exciton coupling between the cluster and the chromophore is observed. Zinc can be incorporated into the porphyrin attached to the cluster, as evidenced by absorption and fluorescence spectroscopy, however, the reaction is slow. Quenching of the chromophore fluorescence is observed, which can be explained by energy transfer from the porphyrin to the cluster. Transient absorption spectra of Au38(2-phenylethanethiolate)24 and the functionalized cluster probe the bleach of the gold cluster due to ground state absorption and the characteristic excited state absorption signals. Zinc incorporation does not have a pronounced effect on the photophysical behaviour. Decay times are typical for the molecular behaviour of small monolayer protected gold clusters.

Contribution of transmembrane and cytoplasmic domains to membrane protein association

Membrane proteins are critical to every aspect of cell physiology, with their association mediating important biological functions. The transmembrane and cytoplasmic domains are known to be important for their association. In order to characterize their role in detail, we have applied different biophysical techniques in detergent micelles to two model systems. The first study involves FcRγ, a single transmembrane domain protein existing as a disulfide linked homodimer. We investigated the role of a conserved transmembrane polar residue and the cytoplasmic tail in FcRγ homo-interactions. Our results by various biophysical techniques including SDS-PAGE, circular dichroism and sedimentation equilibrium in detergent micelles indicate importance of both the transmembrane polar residue and cytoplasmic tail in maintaining proper conformation for FcRγ homo-interactions. A contrasting second study was on L-selectin, another single transmembrane domain protein with a large extracellular domain and a short cytoplasmic tail. Previous cross-linking experiments indicate its possible dimerization. However, the purified fragment of L-selectin and corresponding mutants did not dimerize when analyzed by TOXCAT assay, sedimentation equilibrium and fluorescence resonance energy transfer. It was likely that the presence of juxtamembrane positively charged residues led to decreased migrational rates in SDS PAGE. In conclusion, complementary biophysical techniques should be used with care when studying membrane protein association in detergent micelles. As an extension to our study on L-selectin, we also investigated its interaction with Calmodulin (CaM) in detergent micelles. CaM was found to interact with different detergents. We applied fluorescence and NMR spectroscopy to characterize the interaction of both the apo and Ca 2+ bound form of CaM, with commonly used detergents, below and above their respective critical micelle concentrations. The interaction of apo-CaM with detergents was found to vary with the nature of the detergent head group, whereas Ca2+-CaM interacted with individual detergent molecules irrespective of the nature of their head group. NMR titration experiments of CaM with detergents indicated involvement of specific residues from the N-lobe, linker and C-lobe of CaM. ^

Analysis of biogenic magnetite nanoparticles

Cobalt doped magnetite (CoxFe3-xO4) nanoparticles have been produced through the microbial reduction of cobalt-iron oxyhydroxide by the bacterium Geobacter sulfurreducens. The materials produced, as measured by SQUID, x-ray magnetic circular dichroism, Mössbauer spectroscopy, etc., show dramatic increases in coercivity with increasing cobalt content without a major decrease in overall saturation magnetization. Structural and magnetization analyses reveal a reduction in particle size to <4 nm at the highest Co content, combined with an increase in the effective anisotropy of the magnetic nanoparticles. The potential use of these biogenic nanoparticles in aqueous suspensions for magnetic hyperthermia applications is demonstrated. Further analysis of the distribution of cations within the ferrite spinel indicates that the cobalt is predominantly incorporated in octahedral coordination, achieved by the substitution of Fe2+ site with Co2+, with up to 17 per cent Co substituted into tetrahedral sites.

Copper binding to the prion protein: Structural implications of four identical cooperative binding sites

Evidence is growing to support a functional role for the prion protein (PrP) in copper metabolism. Copper ions appear to bind to the protein in a highly conserved octapeptide repeat region (sequence PHGGGWGQ) near the N terminus. To delineate the site and mode of binding of Cu(II) to the PrP, the copper-binding properties of peptides of varying lengths corresponding to 2-, 3-, and 4-octarepeat sequences have been probed by using various spectroscopic techniques. A two-octarepeat peptide binds a single Cu(II) ion with Kd ≈ 6 μM whereas a four-octarepeat peptide cooperatively binds four Cu(II) ions. Circular dichroism spectra indicate a distinctive structuring of the octarepeat region on Cu(II) binding. Visible absorption, visible circular dichroism, and electron spin resonance spectra suggest that the coordination sphere of the copper is identical for 2, 3, or 4 octarepeats, consisting of a square-planar geometry with three nitrogen ligands and one oxygen ligand. Consistent with the pH dependence of Cu(II) binding, proton NMR spectroscopy indicates that the histidine residues in each octarepeat are coordinated to the Cu(II) ion. Our working model for the structure of the complex shows the histidine residues in successive octarepeats bridged between two copper ions, with both the Nɛ2 and Nδ1 imidazole nitrogen of each histidine residue coordinated and the remaining coordination sites occupied by a backbone amide nitrogen and a water molecule. This arrangement accounts for the cooperative nature of complex formation and for the apparent evolutionary requirement for four octarepeats in the PrP.

Structural studies of p21Waf1/Cip1/Sdi1 in the free and Cdk2-bound state: conformational disorder mediates binding diversity.

The cyclin-dependent kinase (Cdk) inhibitor p21Waf1/Cip1/Sdi1, important for p53-dependent cell cycle control, mediates G1/S arrest through inhibition of Cdks and possibly through inhibition of DNA replication. Cdk inhibition requires a sequence of approximately 60 amino acids within the p21 NH2 terminus. We show, using proteolytic mapping, circular dichroism spectropolarimetry, and nuclear magnetic resonance spectroscopy, that p21 and NH2-terminal fragments that are active as Cdk inhibitors lack stable secondary or tertiary structure in the free solution state. In sharp contrast to the disordered free state, however, the p21 NH2 terminus adopts an ordered stable conformation when bound to Cdk2, as shown directly by NMR spectroscopy. We have, thus, identified a striking disorder-order transition for p21 upon binding to one of its biological targets, Cdk2. This structural transition has profound implications in light of the ability of p21 to bind and inhibit a diverse family of cyclin-Cdk complexes, including cyclin A-Cdk2, cyclin E-Cdk2, and cyclin D-Cdk4. Our findings suggest that the flexibility, or disorder, of free p21 is associated with binding diversity and offer insights into the role for structural disorder in mediating binding specificity in biological systems. Further, these observations challenge the generally accepted view of proteins that stable secondary and tertiary structure are prerequisites for biological activity and suggest that a broader view of protein structure should be considered in the context of structure-activity relationships.