alpha-Aminoisobutyric acid modified protected analogues of beta-amyloid residue 17-20: a change from sheet to helix

The strong intermolecular interactions mediated by short hydrophobic sequences (e.g., 17-20, -L-Leu-L-Val-L-Phe-L-Phe-) in the middle of A beta are known to play a crucial role in the neuropathology of Alzheimer's disease. FTIR, TEM and Congo red binding studies indicated that a series of L-Ala substituted terminally protected peptides related to the sequence 17-20 of the beta-amyloid peptide, adopted D-sheet conformations. However, the Aib-modified analogues disrupt the D-sheet structure and switch over to a 310 helix with increasing number of Aib residues. X-ray crystallography shed some light on the change from sheet to helix at atomic resolution. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Conformational heterogeneity of tripeptides containing Boc-Leu-Aib as corner residues in the solid state

A critical analysis of single crystal X-ray diffraction studies on a series of terminally protected tripeptides containing a centrally positioned Aib (alpha-aminoisobutyric acid) residue has been reported. For the tripeptide series containing Boc-Ala-Aib as corner residues, all the reported peptides formed distorted type II beta-turn structures. Moreover, a series of Phe substituted analogues ( tripeptides with Boc-Phe-Aib) have also shown different beta-turn conformations. However, the Leu-modified analogues (tripeptides with Boc-Leu-Aib) disrupt the concept of beta-turn formation and adopt various conformations in the solid state. X-ray crystallography sheds some light on the conformational heterogeneity at atomic resolution. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Structure determination of an intercalating ruthenium dipyridophenazine complex which kinks DNA by semiintercalation of a tetraazaphenanthrene ligand

We describe a crystal structure, at atomic resolution (1.1 Å, 100 K), of a ruthenium polypyridyl complex bound to duplex DNA, in which one ligand acts as a wedge in the minor groove, resulting in the 51° kinking of the double helix. The complex cation Λ-[Ru(1,4,5,8-tetraazaphenanthrene)2(dipyridophenazine)]2+ crystallizes in a 1∶1 ratio with the oligonucleotide d(TCGGCGCCGA) in the presence of barium ions. Each complex binds to one duplex by intercalation of the dipyridophenazine ligand and also by semiintercalation of one of the orthogonal tetraazaphenanthrene ligands into a second symmetrically equivalent duplex. The result is noncovalent cross-linking and marked kinking of DNA.

Preferred orientation in an angled intercalation site of a chloro-substituted lambda- [Ru(TAP)2(dppz)]2+ complex bound to d(TCGGCGCCGA)2

The crystal structure of the ruthenium DNA ‘light-switch’ complex -[Ru(TAP)2(11-Cl-dppz)]2+ (TAP = tetraazaphenanthrene, dppz = dipyrido[3,2-a':2',3'-c]phenazine)) bound to the oligonucleotide duplex d(TCGGCGCCGA)2 is reported. The synthesis of the racemic ruthenium complex is described for the first time, and the racemate was used in this study. The crystal structure, at atomic resolution (1.0 Å), shows one ligand as a wedge in the minor groove, resulting in the 51 kinking of the double helix, as with the parent lambda-[Ru(TAP)2(dppz)]2+. Each complex binds to one duplex by intercalation of the dppz ligand and also by semi-intercalation of one of the orthogonal TAP ligands into a second symmetrically equivalent duplex. The 11-Cl substituent binds with the major component (66%) oriented with the 11-chloro substituent on the purine side of the terminal step of the duplex.

X‑ray crystal structure of rac-[Ru(phen)2dppz]2+ with d(ATGCAT)2 shows enantiomer orientations and water ordering

We report an atomic resolution X-ray crystal structure containing both enantiomers of rac-[Ru(phen)2dppz]2+ with the d-(ATGCAT)2 DNA duplex (phen = phenanthroline; dppz = dipyridophenazine). The first example of any enantiomeric pair crystallized with a DNA duplex shows different orientations of the Λ and Δ binding sites, separated by a clearly defined structured water monolayer. Job plots show that the same species is present in solution. Each enantiomer is bound at a TG/CA step and shows intercalation from the minor groove. One water molecule is directly located on one phenazine N atom in the Δ-enantiomer only.

The structural effect of Methyl substitution on the binding of Polypyridyl Ru-dppz Complexes to DNA

ABSTRACT: Polypyridyl ruthenium complexes have been intensively studied and possess photophysical properties which are both interesting and useful. They can act as probes for DNA, with a substantial enhancement in emission when bound, and can induce DNA damage upon photoirradiation and therefore, the synthesis and characterization of DNA binding of new complexes is an area of intense research activity. Whilst knowledge of how the binding of derivatives compares to the parent compound is highly desirable, this information can be difficult to obtain. Here we report the synthesis of three new methylated complexes, [Ru(TAP)2(dppz-10-Me).2Cl, [Ru(TAP)2(dppz-10,12-Me2)].2Cl and [Ru(TAP)2(dppz-11-Me)].2Cl, and examine the consequences for DNA binding through the use of atomic resolution X-ray crystallography. We find that the methyl groups are located in discrete positions with a complete directional preference. This may help to explain the quenching behavior which is found in solution for analogous [Ru(phen)2(dppz)]2+ derivatives.

Controlled dehydration of a ruthenium complex-DNA crystal induces reversible DNA kinking

Hydration-dependent DNA deformation has been known since Rosalind Franklin recognised that the relative humidity of the sample had to be maintained to observe a single conformation in DNA fibre diffraction. We now report for the first time the crystal structure, at the atomic level, of a dehydrated form of a DNA duplex and demonstrate the reversible interconversion to the hydrated form at room temperature. This system, containing d(TCGGCGCCGA) in the presence of Λ-[Ru(TAP)2(dppz)]2+ (TAP = 1,4,5,8-tetraazaphenanthrene, dppz = dipyridophenazine), undergoes a partial transition from an A/B hybrid to the A-DNA conformation, at 84-79% relative humidity. This is accompanied by an increase in kink at the central step from 22° to 51°, with a large movement of the terminal bases forming the intercalation site. This transition is reversible on rehydration. Seven datasets, collected from one crystal at room temperature, show the consequences of dehydration at near-atomic resolution. This result highlights that crystals, traditionally thought of as static systems, are still dynamic and therefore can be the subject of further experimentation.

Combined Crystallographic and Solution Molecular Dynamics Study of Allosteric Effects in Ester and Ketone p-tert-Butylcalix[4]arene Derivatives and Their Complexes with Acetonitrile, Cd(II), and Pb(II)

We describe here a procedure to bridge the gap in the field of calixarene physicochemistry between solid-state atomic-resolution structural information and the liquid-state low-resolution thermodynamics and spectroscopic data. We use MD simulations to study the kinetics and energetics involved in the complexation of lower rim calix[4]arene derivatives (L), containing bidentate ester (1) and ketone (2) pendant groups, with acetonitrile molecule (MeCN) and Cd2+ and Pb2+ ions (M2+) in acetonitrile solution. On one hand, we found that the prior inclusion of MeCN into the calix to form a L(MeCN) adduct has only a weak effect in preorganizing the hydrophilic cavity toward metal ion binding. On the other hand, the strong ion-hydrophilic cavity interaction produces a wide open calix which enhances the binding of one MeCN molecule (allosteric effect) to stabilize the whole (M2+)1(MeCN) bifunctional complex. We reach two major conclusions: (i) the MD results for the (M2+)1(MeCN) binding are in close agreement with the ""endo"", fully encapsulated, metal complex found by X-ray diffraction and in vacuo MD calculations, and (ii) the MD structure for the more flexible 2 ligand, however, differs from the also endo solid-state molecule. In fact, it shows strong solvation effects at the calixarene lower bore by competing MeCN molecules that share the metal coordination sphere with the four C=O oxygens of an ""exo"" (M2+)2(MeCN) complex.

Dinâmica não linear, caos, e controle na microscopia de força atômica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Kryoelektronenmikroskopie von Proteinen: 3D-Struktur (12 A) des Hämocyanins der Schnecke Haliotis

Zusammenfassung:Die Quartärstruktur des respiratorischen Proteins Hämocyanin (Isoform HtH1) aus der marinen Schnecke Haliotis tuberculata wurde vermittels Kryoelektronen-mikroskopie und 3D-Rekonstruktion untersucht. Das Molekül ist zylinderförmig, hat einen Durchmesser von ca. 35 nm und besteht aus einer Zylinderwand und einem internen Kragenkomplex. Dieser wiederum besteht aus einem Collar und einem Arc.Die kryoelektronenmikroskopischen Aufnahmen von in glasartigem Eis fixierten HtH1-Molekülen brachte eine enorme Verbesserung der Anzahl der zur Verfügung stehenden Ansichtswinkel gegenüber den negativkontrastierten Molekülen, die auf Karbonfilm präpariert waren.Die 3D-Rekonstruktion des HtH1 mittels Aufnahmen bei drei verschiedenen Defo-kuswerten verbesserte die Auflösung noch einmal deutlich gegenüber den Rekon-struktionen, die aus Aufnahmen bei einem festen Defokuswert gemacht wurden, und zwar auf 12 Å. Das Molekül besitzt eine D5-Symmetrie.Aus dieser bisher genausten Rekonstruktion eines Molluskenhämocyanins aus EM-Bildern ließen sich folgende neue Strukturdetails ableiten:· Ein Untereinheitendimer konnte als Repeating Unit im Dekamer des HtH1 beschrieben werden.· Das Untereinheitendimer konnte aus der 3D-Dichtekarte isoliert werden. Es be-steht eindeutig aus 16 Massen, die funktionellen Domänen entsprechen. Zwei dieser Massen bilden den Collar, zwei den Arc und 12 das Wandsegment.· Die gegenläufige Anordnung der beiden Untereinheiten innerhalb dieses Unte-reinheitendimers konnten bestätigt und auf zwei Möglichkeiten eingeschränkt werden.· Die Zahl der alternativen Anordnungen der 16 funktionellen Domänen (HtH1-a bis HtH1-h) im Untereinheitendimer konnten von 80 auf 2 eingeengt werden.· Es konnte über molekulares Modellieren mithilfe einer publizierten Kristallstruk-tur eine 3D-Struktur fastatomarer Auflösung der funktionellen Domäne HtH1-g berechnet werden.· Die funktionelle Domäne HtH1-g konnte als Domänenpaar plausibel in die 3D?Dichtekarte des Untereinheitendimers eingepasst werden, und zwar in die beiden Massen des Arc.Aus der elektronenmikroskopisch gewonnenen Dichtekarte wurde mit Hilfe des

Strukturelle, enzymkinetische und thermodynamische Untersuchungen am KLH, dem Hämocyanin der Schlüssellochschnecke Megathura crenulata

Hämocyanine sind große, kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine, die bei zahlreichen Schnecken extrazellulär in der Hämolymphe vorkommen. Das Keyhole Limpet-Hämocyanin (KLH) der Schlüssellochschnecke Megathura crenulata dient aufgrund seiner immunstimu-latorischen Eigenschaften seit vielen Jahren als Modellprotein in der Immunologie. In der Klinik wird es als Hapten- und Vakzincarrier sowie als Medikament gegen oberflächliche Harnblasenkarnzinome eingesetzt. Die Quartärstruktur des KLH besteht aus einem Hohl-zylinder mit einer Molekülmasse von 8 MDa und einem Durchmesser von 35 nm. Dieses sogenannte Didekamer setzt sich aus 20 Untereinheiten mit jeweils 400 kDa zusammen. Jede Untereinheit lässt sich weiter in acht funktionelle Einheiten a bis h (engl. Functional Units = FU) mit ~ 50 kDa unterteilen. Die FUs a bis f bilden die Wandregion des Moleküls, während der Kragen aus den FUs g und h geformt wird. Die Struktur der Wandregion sowie der FU-g konnte bisher bereits durch Röntgenstrukturanalysen aufgeklärt werden. Bezüglich der Struktur der FU-h, die sich durch eine spezielle C-terminale Verlängerung von ~ 100 Amino-säuren auszeichnet, sind allerdings noch keine Informationen verfügbar. Um die Architektur des Kragens zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zunächst Strategien entwickelt, diese spezielle FU in großer Menge und Reinheit zu isolieren. Anschließend konnten Bedingungen gefunden werden, die zur Ausbildung 0,2 mm großer, hexagonaler Kristalle führten. Diese ergaben am Synchrotron eine Auflösung von 4 Å. Durch Auswertung der Röntgenstrukturdaten konnte für die C-terminale Zusatzdomäne der FU-h eine Cupredoxin-ähnliche Typ I-Kupferfaltung ermittelt werden. Der Nachweis eines zusätzlichen Kupfer-atoms innerhalb dieser Domäne bedarf allerdings einer höheren Auflösung der Kristall-struktur. Hämocyanine lassen sich aufgrund ihrer evolutionären Verwandtschaft zu Phenol-oxidasen mit Hilfe verschiedener in vitro-Aktivatoren zur Catecholoxidase und teilweise auch zur Tyrosinase aktivieren. Beim KLH konnte in dieser Arbeit eine eindeutige Diphenolase- und sogar eine schwache Monophenolase-Aktivität der FUs-a und -f nach SDS-Aktivierung nachgewiesen werden. Zudem konnte eine geringfügige intrinsische Diphenolase-Aktivität dieser FUs belegt werden. Die enzymatischen Reaktionen waren sowohl von der gewählten Puffersubstanz, als auch der Anwesenheit bivalenter Kationen abhängig. Tris wirkt vermutlich als allosterischer Effektor und steigerte den Substrat-Umsatz, während Mg2+-Ionen zu einer starken Inhibition der katalytischen Aktivität führten. Die Klärung einer möglichen physiologischen Funktion der Phenoloxidase-Aktivität des KLH sowie potenziellen in vivo-Aktivatoren steht noch aus. Studien zur thermischen Stabilität des KLH resultierten in einer irreversiblen Denaturierung des Proteins. Die Schmelzpunkte deuteten auf eine hohe Tempe-raturstabilität des KLH, vor allem in Anwesenheit bivalenter Kationen. Eine Hämocyanin-typische Abhängigkeit der Hitzeresistenz vom Oligomerisierungsgrad ließ sich nicht feststellen, da sowohl bei der FU-h als auch den KLH-Didekameren eine vergleichbar hohe thermische Stabilität, bei einer nach wie vor vorhandenen Oxygenierung beobachtet wurde.

3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

MULTISCALE EXAMINATION AND MODELING OF ELECTRON TRANSPORT IN NANOSCALE MATERIALS AND DEVICES

For half a century the integrated circuits (ICs) that make up the heart of electronic devices have been steadily improving by shrinking at an exponential rate. However, as the current crop of ICs get smaller and the insulating layers involved become thinner, electrons leak through due to quantum mechanical tunneling. This is one of several issues which will bring an end to this incredible streak of exponential improvement of this type of transistor device, after which future improvements will have to come from employing fundamentally different transistor architecture rather than fine tuning and miniaturizing the metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) in use today. Several new transistor designs, some designed and built here at Michigan Tech, involve electrons tunneling their way through arrays of nanoparticles. We use a multi-scale approach to model these devices and study their behavior. For investigating the tunneling characteristics of the individual junctions, we use a first-principles approach to model conduction between sub-nanometer gold particles. To estimate the change in energy due to the movement of individual electrons, we use the finite element method to calculate electrostatic capacitances. The kinetic Monte Carlo method allows us to use our knowledge of these details to simulate the dynamics of an entire device— sometimes consisting of hundreds of individual particles—and watch as a device ‘turns on’ and starts conducting an electric current. Scanning tunneling microscopy (STM) and the closely related scanning tunneling spectroscopy (STS) are a family of powerful experimental techniques that allow for the probing and imaging of surfaces and molecules at atomic resolution. However, interpretation of the results often requires comparison with theoretical and computational models. We have developed a new method for calculating STM topographs and STS spectra. This method combines an established method for approximating the geometric variation of the electronic density of states, with a modern method for calculating spin-dependent tunneling currents, offering a unique balance between accuracy and accessibility.

A new tool based on two micromanipulators facilitates the handling of ultrathin cryosection ribbons

A close to native structure of bulk biological specimens can be imaged by cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). In some cases structural information can be combined with X-ray data leading to atomic resolution in situ. However, CEMOVIS is not routinely used. The two critical steps consist of producing a frozen section ribbon of a few millimeters in length and transferring the ribbon onto an electron microscopy grid. During these steps, the first sections of the ribbon are wrapped around an eyelash (unwrapping is frequent). When a ribbon is sufficiently attached to the eyelash, the operator must guide the nascent ribbon. Steady hands are required. Shaking or overstretching may break the ribbon. In turn, the ribbon immediately wraps around itself or flies away and thereby becomes unusable. Micromanipulators for eyelashes and grids as well as ionizers to attach section ribbons to grids were proposed. The rate of successful ribbon collection, however, remained low for most operators. Here we present a setup composed of two micromanipulators. One of the micromanipulators guides an electrically conductive fiber to which the ribbon sticks with unprecedented efficiency in comparison to a not conductive eyelash. The second micromanipulator positions the grid beneath the newly formed section ribbon and with the help of an ionizer the ribbon is attached to the grid. Although manipulations are greatly facilitated, sectioning artifacts remain but the likelihood to investigate high quality sections is significantly increased due to the large number of sections that can be produced with the reported tool.

Two-Dimensional Crystallisation of Membrane Proteins and Structural Assessment

Two-dimensional (2D) crystallisation of Membrane proteins reconstitutes them into their native environment, the lipid bilayer. Electron crystallography allows the structural analysis of these regular protein–lipid arrays up to atomic resolution. The crystal quality depends on the protein purity, ist stability and on the crystallisation conditions. The basics of 2D crystallisation and different recent advances are reviewed and electron crystallography approaches summarised. Progress in 2D crystallisation, sample preparation, image detectors and automation of the data acquisition and processing pipeline makes 2D electron crystallography particularly attractive for the structural analysis of membrane proteins that are too small for single-particle analyses and too unstable to form three-dimensional (3D) crystals.