Magnetic and optical investigation of 40SiO(2)center dot 30Na(2)O center dot 1Al(2)O(3)center dot(29-x) B2O3 center dot xFe(2)O(3) glass matrix

Samples of 40SiO(2)center dot 30Na(2)O center dot 1Al(2)O(3)center dot(29 - x)B2O3 center dot xFe(2)O(3) (mol%), with 0.0 <= x <= 17.5, were prepared by the fusion method and investigated by electron paramagnetic resonance (EPR), optical absorption (OA) and Mossbauer spectroscopy (MS). The EPR spectra of the as-synthesized samples exhibit two well-defined EPR signals around g = 4.27 and g = 2.01 and a visible EPR shoulder around g = 6.4, assigned to isolated Fe3+ ion complexes (g = 4.27 and g = 6.4) and Fe3+-based clusters (g = 2.01). Analyses of both EPR line intensity and line width support the model picture of Fe3+-based clusters built in from two sources of isolated ions, namely Fe2+ and Fe3+; the ferrous ion being used to build in iron-based clusters at lower x-content (below about x = 2.5%) whereas the ferric ion is used to build in iron-based clusters at higher x-content (above about x = 2.5%). The presence of Fe2+ ions incorporated within the glass template is supported by OA data with a strong band around 1100 nm due to the spin-allowed E-5(g)-T-5(2g) transition in an octahedral coordination with oxygen. Additionally, Mossbauer data (isomer shift and quadrupole splitting) confirm incorporation of both Fe2+ and Fe3+ ions within the template, more likely in tetrahedral-like environments. We hypothesize that ferrous ions are incorporated within the glass template as FeO4 complex resulting from replacing silicon in non-bridging oxygen (SiO3O-) sites whereas ferric ions are incorporated as FeO4 complex resulting from replacing silicon in bridging-like oxygen silicate groups (SiO4). (C) 2012 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

CeO2 nanoparticles synthesized by a microwave-assisted hydrothermal method: evolution from nanospheres to nanorods

Ceria (CeO2) plays a vital role in emerging technologies for environmental and energy-related applications. The catalytic efficiency of ceria nanoparticles depends on its morphology. In this study, CeO2 nanoparticles were synthesized by a microwave-assisted hydrothermal method under different synthesis temperatures. The samples were characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, Raman scattering spectroscopy, electron paramagnetic resonance spectroscopy and by the Brunauer-Emmett-Teller method. The X-ray diffraction and Raman scattering results indicated that all the synthesized samples had a pure cubic CeO2 structure. Rietveld analysis and Raman scattering also revealed the presence of structural defects due to an associated reduction in the valence of the Ce4+ ions to Ce3+ ions caused by an increasing molar fraction of oxygen vacancies. The morphology of the samples was controlled by varying the synthesis temperature. The TEM images show that samples synthesized at 80 degrees C consisted of spherical particles of about 5 nm, while those synthesized at 120 degrees C presented a mix of spherical and rod-like nanoparticles and the sample synthesized at 160 degrees C consisted of nanorods with 10 nm average diameter and 70 nm length. The microwave-assisted method proved to be highly efficient for the synthesis of CeO2 nanoparticles with different morphologies.

Structural XANES characterization of Ca0.99Sm0.01TiO3 perovskite and correlation with photoluminescence emission

In this work, CaTiO3:Sm (CT:Sm) were prepared by a soft chemical processing at different annealing temperatures starting with a disordered structure and reaching an ordered one, with the propose to understand the relationship between structural order-disorder and photoluminescence emission. The samples were characterized by titanium K-edge, Titanium L-II and L-III-edge XANES, electron paramagnetic resonance (EPR) and photoluminescence (PL) measurements. XANES results clearly point the presence of local distortion in [TiO6] octahedral clusters until the crystallization was completed. The interactions of the network clusters that form the CT:Sm structures provides favorable structural and electronic conditions for the appearance of PL phenomena. (C) 2012 Published by Elsevier B.V.

Magnetic susceptibility study of Ce3+ in PbCeA (A=Te, Se, S)

The magnetic susceptibility of Pb(1-x)Ce(x)A (A=S, Se and Te) crystals with Ce3+ concentrations 0.006 <= x <= 0.036 was investigated in the temperature range from 2 K to 300 K. The magnetic susceptibility data was found to be consistent with a E-2(5/2) lowest manifold for Ce3+ ions with a crystal-field splitting Delta=E(Gamma(8))-E(Gamma(7)) of about 340 K, 440 K and 540 K for Pb1-xCexTe, Pb1-xCexSe, and Pb1-xCexS, respectively. For all the three compounds the doublet Gamma(7) lies below the Gamma(8) quadruplet which confirms the substitution of Pb2+ by Ce3+ ions in the host crystals. The observed values for the crystal-field splitting are in good agreement with the calculated ones based on the point-charge model. Moreover, the effective Lande factors were determined by X-band (similar to 9.5 GHz), electron paramagnetic measurements (EPR) to be g=1.333, 1.364, and 1.402 for Ce ions in PbA, A = S. Se and Te, respectively. The small difference with the predicted Lande factor g of 10/7 for the Gamma(7) (J=5/2) ground state was attributed to crystal-field admixture. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Interaction of miltefosine with intercellular membranes of stratum corneum and biomimetic lipid vesicles

Miltefosine (MT) is an alkylphospholipid approved for breast cancer metastasis and visceral leishmaniasis treatments, although the respective action mechanisms at the molecular level remain poorly understood. In this work, the interaction of miltefosine with the lipid component of stratum corneum (SC), the uppermost skin layer, was studied by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy of several fatty acid spin-labels. In addition, the effect of miltefosine on (i) spherical lipid vesicles of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC) and (ii) lipids extracted from SC was also investigated, by EPR and time-resolved polarized fluorescence methods. In SC of neonatal Wistar rats, 4% (w/w) miltefosine give rise to a large increase of the fluidity of the intercellular membranes, in the temperature range from 6 to about 50 degrees C. This effect becomes negligible at temperatures higher that ca. 60 degrees C. In large unilamelar vesicles of DPPC no significant changes could be observed with a miltefosine concentration 25% molar, in close analogy with the behavior of biomimetic vesicles prepared with bovine brain ceramide, behenic acid and cholesterol. In these last samples, a 25 mol% molar concentration of miltefosine produced only a modest decrease in the bilayer fluidity. Although miltefosine is not a feasible skin permeation enhancer due to its toxicity, the information provided in this work could be of utility in the development of a MT topical treatment of cutaneous leishmaniasis. Published by Elsevier B.V.

Structure and peroxidase activity of ferric Streptomyces clavuligerus orf10-encoded protein P450CLA: UV-visible, CD, MCD and EPR spectroscopic characterization

The present study reports the spectroscopic characterization by UV-visible absorption spectroscopy, magnetic circular dichroism (MCD) and electron paramagnetic resonance (EPR) of the recombinant orf10-encoded P450-camphor like protein (P450CLA)of Streptomyces clavuligerus expressed in Escherichia coli Rosetta in the native form and associated to external ligands containing the β-lactam, oxazole and alkylamine-derived (alcohol) moieties of the clavulamic acid. Considering the diversity of potential applications for the enzyme, the reactivity with tert-butylhydroperoxide (tert-BuOOH) was also characterized. P450CLA presents a covalently bound heme group and exhibited the UV-visible, CD and MCD spectral features of P450CAM including the fingerprint Soret band at 450 nm generated by the ferrous CO-complex. P450CLA was converted to high valence species by tert-BuOOH and promoted homolytic scission of the O-O bond. The radical profile of the reaction was tert-butyloxyl as primary and methyl and butylperoxyl as secondary radicals. The secondary methyl and butylperoxyl radicals resulted respectively from the β-scission of the alkoxyl radical and from the reaction of methyl radical with molecular oxygen.

Recycling of the high valence states of heme proteins by cysteine residues of thimet-oligopeptidase

The peptidolytic enzyme THIMET-oligopeptidase (TOP) is able to act as a reducing agent in the peroxidase cycle of myoglobin (Mb) and horseradish peroxidase (HRP). The TOP-promoted recycling of the high valence states of the peroxidases to the respective resting form was accompanied by a significant decrease in the thiol content of the peptidolytic enzyme. EPR (electron paramagnetic resonance) analysis using DBNBS spin trapping revealed that TOP also prevented the formation of tryptophanyl radical in Mb challenged by H2O2. The oxidation of TOP thiol groups by peroxidases did not promote the inactivating oligomerization observed in the oxidation promoted by the enzyme aging. These findings are discussed towards a possible occurrence of these reactions in cells.

Studies on the interaction of surfactants and neutral cyclodextrins by capillary electrophoresis. Application to chiral analysis

In the present study, mixed systems composed of SDS in the presence of neutral cyclodextrins were considered. Firstly, the effect of the CDs on the CMC of the surfactant was evaluated by CE experiments. Furthermore, a new CE approach based on electric current measurement was developed for the estimation of the stoichiometry as well as of the binding constants of SDS-CDs complexes. The results of these investigations were compared to those obtained with a different technique, electronic paramagnetic resonance (EPR). The obtained results suggested that methylated CDs, in particular (2,6-di-O-methyl)-beta-cyclodextrin (DM-beta-CD), strongly affect the micellization of SDS in comparison to the other studied CDs. This effect also paralleled the chiral CD-MEKC performance, as indicated by the enantioresolution of (+/-)-Catechin, which was firstly selected as a model compound representative of important chiral phytomarkers. Then a CD-MEKC system, composed of sodium dodecyl sulfate as surfactant (90 mM) and hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (25 mM) as chiral selector, under acidic conditions (25 mM borate – phosphate buffer, pH 2.5) was applied to study the thermal epimerisation of epi-structured catechins, (-)-Epicatechin and (-)-Epigallocatechin, to non epi-structured (-)-Catechin and (-)-Gallocatechin. The latter compounds, being non-native molecules, were for the first time regarded as useful phytomarkers of tea sample degradation. The proposed method was applied to the analysis of more than twenty tea samples of different geographical origins (China, Japan, Ceylon), having undergone different storage conditions and manufacturing processes.

Surface-functionalized latex particles as additives in the mineralization of zinc oxide

Polystyrene latex particles modified at the surface with different hydrophilic functional groups were prepared by miniemulsion polymerization and applied to control the crystallization of zinc oxide in aqueous medium. The effects of both latex structure and concentration on the crystal growth, morphology, crystalline structure, and properties of the resulting zinc oxide were analyzed. Depending on the latex additive used, micro- and submicrosized crystals with a broad variety of morphologies were obtained. Among the studied latexes, the carboxyl-derived particles were shown to be a convenient system for further quantitative investigations. In this case, as the additive concentration increases, the aspect ratio of the crystals decreases systematically. Latex particles are assumed to adsorb preferentially onto the fast growing {001} faces of ZnO, interacting with the growth centers and reducing the growth rate in [001]. When zinc oxide is precipitated in the presence of latex, the polymer particles become incorporated into the growing crystals and polymer–inorganic hybrid materials are obtained. These materials are composed of an inorganic and largely undisturbed crystalline matrix in which organic latex particles are embedded. Increasing amounts of latex become incorporated into the growing crystals at increasing overall concentration in the crystallizing system. Photoluminescence (PL) spectra were measured to obtain information on defect centers. Emission spectra of all samples showed a narrow UV peak and a broad band in the green-yellow spectral region. The former emission is attributed to exciton recombination, whereas the latter seems to be related with deep-level donors. Latex appears to be a quencher of the visible emission of zinc oxide. Thus, compared to pure zincite, ZnO–latex hybrid materials show a significantly lower PL intensity in the visible range of the spectrum. Under continuous photoexcitation, a noticeable dynamic behavior of the PL is observed, which can be related to a photodesorption of adsorbed oxygen. These surface-adsorbed oxygen species seem to play a crucial role for the optical properties of the materials and may mediate the tunneling of electrons from the conduction band to preexisting deep-level traps, probably related to intrinsic defects (oxygen vacancies or interstitial zinc). The polymer particles can block the sites where oxygen adsorbs, and the disappearance of the “electron-shuttle” species leads to the observed quenching of the visible emission. Electron paramagnetic resonance (EPR) provided additional information about crystal defects with unpaired electrons. Spectra of all samples exhibit a single signal at g ≈ 1.96, typical for shallow donors. Contrary to the results of other authors, no correlation was possible between the EPR signal and the visible range of PL spectra, which suggests that centers responsible for the visible emission and the EPR signal are different.

EPR-Spektroskopie zur Untersuchung von Struktur und Dynamik in Polymer-Ton-Nanokompositen

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von Struktur und Dynamik in Polymer-Ton-Nanokompositen mittels EPR-Spektroskopie; damit sollten ein Beitrag zur Analyse der Tensidschicht in solchen Systemen geleistet und die Ergebnisse anderer Messmethoden ergänzt werden. Die Tensidschicht in Polymer-Ton-Nanokompositen nimmt großen Einfluss auf das System, denn sie bestimmt die Wechselwirkung zwischen Ton und Polymer: Damit hydrophiler Ton gut mit hydrophobem Polymer (hier Polystyrol) mischbar ist, muss das Schichtsilikat zunächst mit Tensiden organisch-modifiziert werden; dies geschieht durch Kationenaustausch der Natriumionen im Ton gegen Tenside. Um mit Hilfe der EPR einen Einblick in die Tensidschicht zu gewinnen, muss etwa 1% der zur Tonmodifizierung eingesetzten Amphiphile spinmarkiert sein. So gelang es im Rahmen dieser Arbeit, Tenside mit verschiedenen Kopfgruppen, nämlich Trimethylammonium- bzw. Trimethylphosphoniumtenside, zu synthetisieren und sie an verschiedenen Positionen ihrer hydrophoben Alkylkette mit einem Nitroxidradikal zu markieren. Das Nitroxidradikal diente als Spinsonde für die EPR-Experimente. Neben der Synthese verschiedener, spinmarkierter Amphiphile, der anschließenden Darstellung organisch-modifizierten Tons (Kationenaustausch) und verschiedener Polymer-Ton-Nanokomposite (Schmelzinterkalation) wurden alle Proben mittels EPR-Spektroskopie untersucht; dabei wurden sowohl cw- als auch gepulste Messtechniken eingesetzt. Aus cw-Experimenten ging hervor, dass die Dynamik der gesamten Tensidschicht mit der Temperatur zunimmt und die Mobilität der hydrophoben Tensidalkylkette mit wachsendem Abstand zu ihrer Kopfgruppe wächst. Zugabe von Polymer behindert bei steigender Temperatur das Anschwellen des Tons bei Aufschmelzen der Tensidschicht; die Dynamik des Systems ist eingeschränkt. Mit Hilfe gepulster EPR-Messungen (ENDOR und ESEEM), die Informationen über Abstände bzw. Kontakt in den untersuchten Systemen lieferten, ließ sich ein Strukturmodell der Polymer-Ton-Nanokomposite skizzieren, das Vorstellungen anderer, älterer Methoden unterstützt: Hierbei richten sich die Tenside in Multischichten unterschiedlicher Mobilität parallel zur Tonoberfläche aus.

Synthesis and characterization of structurally well-defined polymer-layered silicate nanocomposites

Zusammenfassung Nanokomposite aus Polymeren und Schichtsilikaten werden zumeist auf der Basis natürlicher Tone wie Montmorillonit hergestellt. Für NMR- und EPR-Untersuchungen der Tensidschicht, die das Silikat mit dem Polymer kompatibilisiert, ist der Eisengehalt natürlicher Tone jedoch abträglich, weil er zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten und zu einer Linienverbreiterung in den Spektren führt. Dieses Problem konnte überwunden werden, indem als Silikatkomponente eisenfreies, strukturell wohldefiniertes Magadiit hydrothermal synthetisiert und für die Kompositbildung eingesetzt wurde. Die Morphologie des Magadiits wurde durch Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und der Interkalationsgrad von schmelzinterkalierten Polymer-Nanokompositen wurde durch Weitwinkelröntgenstreuung bestimmt. Polymere mit Carbonylgruppen scheinen leichter zu interkalieren als solche ohne Carbonylgruppen. Polycaprolacton interkalierte sowohl in Oragnomagadiite auf der Basis von Ammoniumtensiden als auch in solche auf der Basis von Phosphoniumtensiden. Die Dynamik auf einer Nanosekundenzeitskala und die Struktur der Tensidschicht wurden mittels ortsspezifisch spinmarkierter Tensidsonden unter Nutzung von Dauerstrich- (CW) und Puls-Methoden der elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR) untersucht. Zusätzlich wurde die statische 2H-Kernmagnetresonanz (NMR) an spezifisch deuterierten Tensiden angewendet, um die Tensiddynamik auf einer komplementären Zeitskala zwischen Mikrosekunden und Millisekunden zu erfassen. Sowohl die CW-EPR- als auch die 2H-NMR-Ergebnisse zeigen eine Beschleunigung der Tensiddynamik durch Interkalation von Polycaprolacton auf, während sich in den nichtinterkalierten Mikrokompositen mit Polystyrol die Tensiddynamik verlangsamt. Die Rotationskorrelationszeiten und Aktivierungsenergien offenbaren verschiedene Regime der Tensiddynamik. In Polystyrol-Mikrokompositen entspricht die Übergangstemperatur zwischen den Regimen der Glasübergangstemperatur von Polystyrol, während sie in Polycaprolacton-Nanokompositen bei der Schmelztemperatur von Polycaprolacton liegt. Durch die erhebliche Verlängerung der Elektronenspin-Relaxationszeiten bei Verwendung von eisenfreiem Magadiit können Messdaten hoher Qualität mit Puls-EPR-Experimenten erhalten werden. Insebsondere wurden die Vier-Puls-Elektron-Elektron-Doppelresonanz (DEER), die Elektronenspinechoenveloppenmodulation (ESEEM) und die Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) an spinmarkierten sowie spezifisch deuterierten Tensiden angewandt. Die ENDOR-Ergebnisse legen ein Model der Tensidschicht nahe, in dem zusätzlich zu den Oberflächenlagen auf dem Silikat eine wohldefinierte mittlere Lage existiert. Dieses Modell erklärt auch Verdünnungseffekte durch das Polymer in Kompositen mit Polycaprolacton und Polystyrol. Die umfangreiche Information aus den Magnetresonanztechniken ergänzt die Information aus konventionellen Charakterisierungstechniken wie Röntgendiffraktion und Transmissionselektronenmikroskopie und führt so zu einem detaillierteren Bild der Struktur und Dynamik der Tensidschicht in Nanokompositen aus Polymeren und Schichtsilikaten.

The Domon Family of Plant Plasma Membrane B-Type Cytochromes: Heterologous Expression, Biochemical Characterization and Physiological Roles in Vivo

The DOMON domain is a domain widespread in nature, predicted to fold in a β-sandwich structure. In plants, AIR12 is constituted by a single DOMON domain located in the apoplastic space and is GPI-modified for anchoring to the plasma membrane. Arabidopsis thaliana AIR12 has been heterologously expressed as a recombinant protein (recAtAIR12) in Pichia pastoris. Spectrophotometrical analysis of the purified protein showed that recAtAir12 is a cytochrome b. RecAtAIR12 is highly glycosylated, it is reduced by ascorbate, superoxide and naftoquinones, oxidised by monodehydroascorbate and oxygen and insensitive to hydrogen peroxide. The addition of recAtAIR12 to permeabilized plasma membranes containing NADH, FeEDTA and menadione, caused a statistically significant increase in hydroxyl radicals as detected by electron paramagnetic resonance. In these conditions, recAtAIR12 has thus a pro-oxidant role. Interestingly, AIR12 is related to the cytochrome domain of cellobiose dehydrogenase which is involved in lignin degradation, possibly via reactive oxygen species (ROS) production. In Arabidopsis the Air12 promoter is specifically activated at sites where cell separations occur and ROS, including •OH, are involved in cell wall modifications. air12 knock-out plants infected with Botrytis cinerea are more resistant than wild-type and air12 complemented plants. Also during B. cinerea infection, cell wall modifications and ROS are involved. Our results thus suggest that AIR12 could be involved in cell wall modifying reactions by interacting with ROS and ascorbate. CyDOMs are plasma membrane redox proteins of plants that are predicted to contain an apoplastic DOMON fused with a transmembrane cytochrome b561 domain. CyDOMs have never been purified nor characterised. The trans-membrane portion of a soybean CyDOM was expressed in E. coli but purification could not be achieved. The DOMON domain was expressed in P. pastoris and shown to be itself a cytochrome b that could be reduced by ascorbate.

Zur Struktur und Funktion der Typ-3-Kupferproteine sowie der Lichtsammlerkomplexe LHCI und LHCII

In der vorliegenden Arbeit wurden die bioinformatischen Methoden der Homologie-Modellierung und Molekularen Modellierung dazu benutzt, die dreidimensionalen Strukturen verschiedenster Proteine vorherzusagen und zu analysieren. Experimentelle Befunde aus Laborversuchen wurden dazu benutzt, die Genauigkeit der Homologie-Modelle zu erhöhen. Die Ergebnisse aus den Modellierungen wurden wiederum dazu benutzt, um neue experimentelle Versuche vorzuschlagen. Anhand der erstellten Modelle und bekannten Kristallstrukturen aus der Protein-Datenbank PDB wurde die Struktur-Funktionsbeziehung verschiedener Tyrosinasen untersucht. Dazu gehörten sowohl die Tyrosinase des Bakteriums Streptomyces als auch die Tyrosinase der Hausmaus. Aus den vergleichenden Strukturanalysen der Tyrosinasen resultierten Mechanismen für die Monophenolhydroxylase-Aktivität der Tyrosinasen sowie für den Import der Kupferionen ins aktive Zentrum. Es konnte der Beweis geführt werden, daß die Blockade des CuA-Zentrums tatsächlich der Grund für die unterschiedliche Aktivität von Tyrosinasen und Catecholoxidasen ist. Zum ersten Mal konnte mit der Maus-Tyrosinase ein vollständiges Strukturmodell einer Säugetier-Tyrosinase erstellt werden, das dazu in der Lage ist, die Mechanismen bekannter Albino-Mutationen auf molekularer Ebene zu erklären. Die auf der Basis des ermittelten 3D-Modells gewonnenen Erkenntnisse über die Wichtigkeit bestimmter Aminosäuren für die Funktion wurde durch gerichtete Mutagenese an der rekombinant hergestellten Maus-Tyrosinase getestet und bestätigt. Weiterhin wurde die Struktur der Tyrosinase des Krebses Palinurus elephas durch eine niedrigaufgelöste 3D-Rekonstruktion aus elektronenmikroskopischen Bildern aufgeklärt. Der zweite große Themenkomplex umfasst die Strukturanalyse der Lichtsammlerkomplexe LHCI-730 und LHCII. Im Falle des LHCII konnte der Oligomerisierungszustand der LHCMoleküle mit diskreten Konformationen des N-Terminus korreliert werden. Auch hier kam eine Kombination von Homologie-Modellierung und einer experimentellen Methode, der Elektronen-Spin-Resonanz-Messung, zum Einsatz. Die Änderung des Oligomerisierungszustands des LHCII kontrolliert den Energiezufluß zu den Photosystemen PS I und PS II. Des Weiteren wurde ein vollständiges Modell des LHCI-730 erstellt, um die Auswirkungen gerichteter Mutagenese auf das Dimerisierungsverhalten zu untersuchen. Auf Basis dieses Modells wurden die Wechselwirkungen zwischen den Monomeren Lhca1 und Lhca4 evaluiert und potentielle Bindungspartner identifiziert.

Untersuchung der Struktur und Assemblierung des Lichtsammelkomplexes II höherer Pflanzen mittels elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR)

Der Haupt-Lichtsammelkomplex (LHCII) des Photosyntheseapparates höherer Pflanzen gehört zu den häufigsten Membranproteinen der Erde. Seine Kristallstruktur ist bekannt. Das Apoprotein kann rekombinant in Escherichia coli überexprimiert und somit molekularbiologisch vielfältig verändert werden. In Detergenzlösung besitzt das denaturierte Protein die erstaunliche Fähigkeit, sich spontan zu funktionalen Protein-Pigment-Komplexen zu organisieren, welche strukturell nahezu identisch sind mit nativem LHCII. Der Faltungsprozess findet in vitro im Zeitbereich von Sekunden bis Minuten statt und ist abhängig von der Bindung der Cofaktoren Chlorophyll a und b sowie verschiedenen Carotinoiden.rn Diese Eigenschaften machen LHCII besonders geeignet für Strukturuntersuchungen mittels der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR)-Spektrokopie. Diese setzt eine punktspezifische Spinmarkierung des LHCII voraus, die in dieser Arbeit zunächst optimiert wurde. Einschließlich der Beiträge Anderer stand eine breite Auswahl von über 40 spinmarkierten Mutanten des LHCII bereit, einen N-terminalen „Cys walk“ eingeschlossen. Weder der hierfür notwendige Austausch einzelner Aminosäuren noch die Anknüpfung des Spinmarkers beeinträchtigten die Funktion des LHCII. Zudem konnte ein Protokoll zur Präparation heterogen spinmarkierter LHCII-Trimere entwickelt werden, also von Trimeren, die jeweils nur ein Monomer mit einer Spinmarkierung enthalten.rn Spinmarkierte Proben des Detergenz-solubilisierten LHCII wurden unter Verwendung verschiedener EPR-Techniken strukturell analysiert. Als besonders aussagekräftig erwies sich die Messung der Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen anhand der Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM). In Kombination mit der etablierten Double Electron-Electron Resonance (DEER)-Technik zur Detektion von Abständen zwischen zwei Spinmarkern wurde der membranständige Kernbereich des LHCII in Lösung eingehend untersucht und strukturell der Kristallstruktur für sehr ähnlich befunden. Die Vermessung kristallographisch nicht erfasster Bereiche nahe dem N-Terminus offenbarte die schon früher detektierte Strukturdynamik der Domäne in Abhängigkeit des Oligomerisierungsgrades. Der neue, noch zu vervollständigende Datensatz aus Abstandsverteilungen und ESEEM-Wasserzugänglichkeiten monomerer wie trimerer Proben sollte in naher Zukunft die sehr genaue Modellierung der N-terminalen Domäne des LHCII ermöglichen.rn In einem weiteren Abschnitt der Arbeit wurde die Faltung des LHCII-Apoproteins bei der LHCII-Assemblierung in vitro untersucht. Vorausgegangene fluoreszenzspektroskopi-sche Arbeiten hatten gezeigt, dass die Bindung von Chlorophyll a und b in aufeinanderfolgenden Schritten im Zeitbereich von weniger als einer Minute bzw. mehreren Minuten erfolgten. Sowohl die Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen als auch Spin-Spin-Abstände änderten sich in ähnlichen Zeitbereichen. Die Daten deuten darauf hin, dass die Ausbildung der mittleren Transmembran-Helix mit der schnelleren Chlorophyll-a-Bindung einhergeht, während sich die Superhelix aus den beiden anderen Transmembranhelices erst im langsameren Schritt, zusammen mit der Chlorophyll-b-Bindung, ausbildet.rn

Assessing the functional structure of molecular transporters by EPR spectroscopy

In this thesis, the self-assembled functional structure of a broad range of amphiphilic molecular transporters is studied. By employing paramagnetic probe molecules and ions, continuous-wave and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal information about the local structure of these materials from the perspective of incorporated guest molecules. First, the transport function of human serum albumin for fatty acids is in the focus. As suggested by the crystal structure, the anchor points for the fatty acids are distributed asymmetrically in the protein. In contrast to the crystallographic findings, a remarkably symmetric entry point distribution of the fatty acid binding channels is found, which may facilitate the uptake and release of the guest molecules. Further, the metal binding of 1,2,3-triazole modified star-shaped cholic acid oligomers is studied. These biomimetic molecules are able to include and transport molecules in solvents of different polarity. A pre-arrangement of the triazole groups induces a strong chelate-like binding and close contact between guest molecule and metal ion. In absence of a preordering, each triazole moiety acts as a single entity and the binding affinity for metal ions is strongly decreased. Hydrogels based on N-isopropylacrylamide phase separate from water above a certain temperature. The macroscopic thermal collapse of these hydrogels is utilized as a tool for dynamic nuclear polarization. It is shown that a radical-free hyperpolarized solution can be achieved with a spin-labeled gel as separable matrix. On the nanoscale, these hydrogels form static heterogeneities in both structure and function. Collapsed regions protect the spin probes from a chemical decay while open, water-swollen regions act as catalytic centers. Similarly, thermoresponsive dendronized polymers form structural heterogeneities, which are, however, highly dynamic. At the critical temperature, they trigger the aggregation of the polymer into mesoglobules. The dehydration of these aggregates is a molecularly controlled non-equilibrium process that is facilitated by a hydrophobic dendritic core. Further, a slow heating rate results in a kinetically entrapped non-equilibrium state due to the formation of an impermeable dense polymeric layer at the periphery of the mesoglobule.