What can light scattering spectroscopy do for membrane-active peptide studies

Highly charged peptides are important components of the immune system and belong to an important family of antibiotics. Although their therapeutic activity is known, most of the molecular level mechanisms are controversial. A wide variety of different approaches are usually applied to understand their mechanisms, but light scattering techniques are frequently overlooked. Yet, light scattering is a noninvasive technique that allows insights both on the peptide mechanism of action as well as on the development of new antibiotics. Dynamic light scattering (DLS) and static light scattering (SLS) are used to measure the aggregation process of lipid vesicles upon addition of peptides and molecular properties (shape, molecular weight). The high charge of these peptides allows electrostatic attraction toward charged lipid vesicles, which is studied by zeta potential (zeta-potential) measurements. Copyright (c) 2008 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.

Dillapiole as Antileishmanial Agent: Discovery, Cytotoxic Activity and Preliminary SAR Studies of Dillapiole Analogues

In this paper, the isolation of dillapiole (1) from Piper aduncum was reported as well as the semi-synthesis of two phenylpropanoid derivatives [di-hydrodillapiole (2), isodillapiole (3)], via reduction and isomerization reactions. Also, the compounds' molecular properties (structural, electronic, hydrophobic, and steric) were calculated and investigated to establish some preliminary structureactivity relationships (SAR). Compounds were evaluated for in vitro antileishmanial activity and cytotoxic effects on fibroblast cells. Compound 1 presented inhibitory activity against Leishmania amazonensis (IC50?=?69.3 mu M) and Leishmania brasiliensis (IC50?=?59.4 mu M) and induced cytotoxic effects on fibroblast cells mainly in high concentrations. Compounds 2 (IC50?=?99.9 mu M for L. amazonensis and IC50?=?90.5 mu M for L. braziliensis) and 3 (IC50?=?122.9 mu M for L. amazonensis and IC50?=?109.8 mu M for L. brasiliensis) were less active than dillapiole (1). Regarding the molecular properties, the conformational arrangement of the side chain, electronic features, and the hydrophilic/hydrophobic balance seem to be relevant for explaining the antileishmanial activity of dillapiole and its analogues.

Theoretical models for the antitrypanosomal activity of thiosemicarbazone derivatives

Thiosemicarbazones are cruzain inhibitors which have been identified as potential antitrypanosomal agents. In this work, several molecular properties were calculated at the density functional theory (DFT)/B3LYP/6-311G* level for a set of 44 thiosemicarbazones. Unsupervised and supervised pattern recognition techniques (hierarchical cluster analysis, principal component analysis, kth-nearest neighbors, and soft independent modeling by class analogy) were used to obtain structureactivity relationship models, which are able to classify unknown compounds according to their activities. The chemometric analyses performed here revealed that 12 descriptors can be considered responsible for the discrimination between high and low activity compounds. Classification models were validated with an external test set, showing that predictive classifications were achieved with the selected variable set. The results obtained here are in good agreement with previous findings from the literature, suggesting that our models can be useful on further investigations on the molecular determinants for the antichagasic activity. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Spin-Restricted Coupled-Cluster-Theorie fuer offenschalige Zustaende

Spin-Restricted Coupled-Cluster-Theorie fuer offenschaligeZustaende Die Berechnung von Energien und Eigenschaften offenschaligerAtome undMolekuele mit Hilfe der hochgenauenCoupled-Cluster-(CC)-Theoriewar bisher mit einem - im Vergleich zur BerechnunggeschlossenschaligerZustaende - erhoehten Rechenaufwand und der sogenannten'Spinkontamination' behaftet. Um diesen Problemenentgegenzuwirken,stellten P.G.Szalay und J.Gauss die 'Spin-RestrictedCoupled-Cluster-Theorie' vor. Im Rahmen dieser Arbeit wird die urspruenglich aufDublett-Zustaendebeschraenkte Theorie so verallgemeinert, dass jederbeliebige Spinzustandmit einem einheitlichen Satz von Gleichungen beschriebenwerden kann. Dadie Moller-Plesset-(MP)-Stoerungstheorie bei der BerechnungoffenschaligerZustaende mit aehnlichen Problemen behaftet ist, wirddarueberhinaus dieSpin-Restricted-(SR)-MP-Stoerungstheorie zweiter und dritterOrdnungeingefuehrt. Um Molekueleigenschaften berechnen zu koennen,werdenanalytische Ableitungen der Energie sowohl fuer den SR-CC-als auch denSR-MP-Ansatz hergeleitet. Bei den folgenden Testrechnungenstellt sichheraus, dass sowohl SR-CC- als auch SR-MP-Ansaetze diegleiche Genauigkeitbieten wie konventionelle CC- und MP-Ansaetze. Dabei sinddieSpinerwartungswerte der SR-CC-Wellenfunktionen identisch mitdem exaktenWert. Im Rahmen der Testrechnungen stellt sich heraus, dassder SR-CC-Ansatz nicht 'size-konsistent', der numerische Fehler abervernachlaessigbar klein ist. Abschliessend werden dieHintergruende derfehlenden 'Size-Konsistenz' diskutiert.

Discotic materials for organic electronics

Die Kontrolle der ausgeprägten Aggregationsfähigkeit von alkylsubstituierten Hexa-peri-hexabenzocoronenen (HBC) wurde durch die Reduktion der intermolekularen Wechselwirkungen erreicht. Sterisch anspruchsvolle, verzweigte Alkylketten, mit einem Verzweigungspunkt naher des aromatischen Kerns, wurden in die Corona der aromatischen Scheiben eingebracht und verleihen den Derivaten Schmelzbarkeit ohne thermische Zersetzung. Dies erlaubte eine kostengünstige Verarbeitungstechniken direkt aus der Schmelze wie z.B. Zonenschmelzen, um uniaxial organisierte makroskopische Filme zu erhalten. Abhängig von dem sterischen Anspruch, der durch die Seitenkette erzeugt wird, wurden unterschiedliche molekulare Orientierungen auf Oberflächen erhalten, was eine wichtige Voraussetzung ist, um diskotische Materialien in elektronische Bauteile zu implementieren. Eine weitere Voraussetzung sind hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten und Ladungsträgerlebenszeiten in den Halbleitermaterialien, die mit time-resolved pulse-radiolysis microwave conductivity (TR-PRMC) und time-of-flight (TOF) auch für die synthetisieren Materialien bestimmt wurden. Die neuen Materialien zeigten bereits in organischen Solarzellen gute Leistungen. Den Einfluss des Perimeters auf die elektronischen Eigenschaften der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs) wurde theoretisch vorhergesagt und in dieser Arbeit durch die Synthese einer homologe Serie von PAKs experimentell bestätigt. Geht man von der „arm-chair“ Peripherie des HBC sukzessive zu einer partiellen „zickzack“ Peripherie, so findet man eine Abhängigkeit der elektronischen Banden von Symmetrie und Größe des aromatischen Systems. Die spontan ausgebildete Überstruktur dieser Derivate zeigte eine Abhängigkeit von Substitutionsmuster und der Natur der Alkylketten. Zusammenfassend wurden neben der Synthese von neuartigen Materialien für den Einsatz in der organischen Elektronik Synthesen entwickelt, die eine vereinfachte Funktionalisierung von ausgedehnten PAKs ermöglicht. Diese Konzepte erlauben eine Justierung der molekularen und supramolekularen Eigenschaften, eines der wichtigsten Voraussetzungen für den Einsatz von Materialien in elektronischen Bauelementen.

Untersuchung der DNA-bindenden Eigenschaften neuer Nukleobasen-gekoppelter Pyrrolcarboxamide, Combilexine und Hetaren[a]carbazol-Derivate: Validierung und Etablierung von in-vitro- und in-silico-Methoden

Da maligne Neoplasien durch Mutationen in Proto-Onko- und/oder Tumorsuppressorgenen ausgelöst werden, stellt die DNA eines der wichtigsten Targets für die Entwicklung neuer Zytostatika dar. Auch bei den im Arbeitskreis Pindur designten und synthetisier-ten Verbindungen der Nukleobasen-gekoppelten Pyrrolcarboxamid-, der Hetaren[a]carbazol- und der Combilexin-Reihe handelt es sich um DNA-Liganden mit potentiell antitumoraktiven Eigenschaf-ten. Die einen dualen Bindemodus aufweisenden Combilexine bestehen aus einem Interkalator (u. a. Naphthalimid, Acridon), der über einen Linker variabler Kettenlänge mit einer rinnenbin-denden, von Netropsin abgeleiteten Bispyrrol-, oder einer bioisosteren Imidazol-, Thiazol- oder Thiophen-pyrrolcarboxamid-struktur verknüpft ist. Das N-terminale Ende der Combilexine wird von einer N,N-Dimethylaminopropyl- oder -ethyl-Seitenkette gebildet. Die DNA-Affinitäten der Liganden wurden mittels Tm-Wert-Messung-en bestimmt. Diese Denaturierungsexperimente wurden sowohl mit poly(dAdT)2- als auch mit Thymus-DNA (~42% GC-Anteil) durchge-führt, um Aussagen zur Stärke und zur Sequenzselektivität der DNA-Bindung machen zu können. Des Weiteren wurden die Bindekon-stanten einiger ausgewählter Vertreter mit Hilfe des Ethidium-bromid-Verdrängungsassays ermittelt; einige Testverbindungen wurden zudem auf potentiell vorhandene, TOPO I-inhibierende Eigenschaften untersucht. Diese biochemischen und biophysika-lischen Tests wurden durch Molecular Modelling-Studien ergänzt, die die Berechnung von molekularen Eigenschaften, die Durch-führung von Konformerenanalysen und die Simulation von DNA-Ligand-Komplexen (Docking) umfassten. Durch Korrelation der in vitro-Befunde mit den in silico-Daten gelang es, vor allem für die Substanzklasse der Combilexine einige richtungweisende Struktur-Wirkungsbeziehungen aufzustellen. So konnte gezeigt werden, dass die Einführung eines Imidazol-Rings in die rinnen-bindende Hetaren-pyrrolcarboxamid-Struktur der Combilexine aufgrund der H-Brücken-Akzeptor-Funktion des sp2-hybridisierten N-Atoms eine Verschiebung der Sequenzselektivität der DNA-Bindung von AT- zu GC-reichen Arealen der DNA bedingt. Zudem erwies sich ein C3-Linker für die Verknüpfung des Naphthalimids mit dem rinnenbindenden Strukturelement als am besten geeignet, während bei den Acridon-Derivaten die Verbindungen mit einem N-terminalen Buttersäure-Linker die höchste DNA-Affinität aufwiesen. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die im Vergleich zum Naphthalimid-Molekül geringere y-Achsen-Ausdehnung (bzgl. eines x/y-Koordinatensystems) des Acridons zurückzuführen. Die ermittelten Struktur-Wirkungsbeziehungen können dazu herangezogen werden, das rationale Design neuer DNA-Liganden mit potentiell stärkerer DNA-Bindung zu optimieren.

New developments in state-specific multireference coupled-cluster theory

Coupled-cluster theory in its single-reference formulation represents one of the most successful approaches in quantum chemistry for the description of atoms and molecules. To extend the applicability of single-reference coupled-cluster theory to systems with degenerate or near-degenerate electronic configurations, multireference coupled-cluster methods have been suggested. One of the most promising formulations of multireference coupled cluster theory is the state-specific variant suggested by Mukherjee and co-workers (Mk-MRCC). Unlike other multireference coupled-cluster approaches, Mk-MRCC is a size-extensive theory and results obtained so far indicate that it has the potential to develop to a standard tool for high-accuracy quantum-chemical treatments. This work deals with developments to overcome the limitations in the applicability of the Mk-MRCC method. Therefore, an efficient Mk-MRCC algorithm has been implemented in the CFOUR program package to perform energy calculations within the singles and doubles (Mk-MRCCSD) and singles, doubles, and triples (Mk-MRCCSDT) approximations. This implementation exploits the special structure of the Mk-MRCC working equations that allows to adapt existing efficient single-reference coupled-cluster codes. The algorithm has the correct computational scaling of d*N^6 for Mk-MRCCSD and d*N^8 for Mk-MRCCSDT, where N denotes the system size and d the number of reference determinants. For the determination of molecular properties as the equilibrium geometry, the theory of analytic first derivatives of the energy for the Mk-MRCC method has been developed using a Lagrange formalism. The Mk-MRCC gradients within the CCSD and CCSDT approximation have been implemented and their applicability has been demonstrated for various compounds such as 2,6-pyridyne, the 2,6-pyridyne cation, m-benzyne, ozone and cyclobutadiene. The development of analytic gradients for Mk-MRCC offers the possibility of routinely locating minima and transition states on the potential energy surface. It can be considered as a key step towards routine investigation of multireference systems and calculation of their properties. As the full inclusion of triple excitations in Mk-MRCC energy calculations is computational demanding, a parallel implementation is presented in order to circumvent limitations due to the required execution time. The proposed scheme is based on the adaption of a highly efficient serial Mk-MRCCSDT code by parallelizing the time-determining steps. A first application to 2,6-pyridyne is presented to demonstrate the efficiency of the current implementation.

Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Analytische Ableitungen der Energie für den "Equation-of-Motion-Coupled-Cluster"-Ansatz zur Berechnung von Ionisationspotentialen

In der vorliegenden Arbeit wird die Theorie der analytischen zweiten Ableitungen für die EOMIP-CCSD-Methode formuliert sowie die durchgeführte Implementierung im Quantenchemieprogramm CFOUR beschrieben. Diese Ableitungen sind von Bedeutung bei der Bestimmung statischer Polarisierbarkeiten und harmonischer Schwingungsfrequenzen und in dieser Arbeit wird die Genauigkeit des EOMIP-CCSD-Ansatzes bei der Berechnung dieser Eigenschaften für verschiedene radikalische Systeme untersucht. Des Weiteren können mit Hilfe der ersten und zweiten Ableitungen vibronische Kopplungsparameter berechnet werden, welche zur Simulation von Molekülspektren in Kombination mit dem Köppel-Domcke-Cederbaum (KDC)-Modell - in der Arbeit am Beispiel des Formyloxyl (HCO2)-Radikals demonstriert - benötigt werden.rnrnDer konzeptionell einfache EOMIP-CC-Ansatz wurde gewählt, da hier die Wellenfunktion eines Radikalsystems ausgehend von einem stabilen geschlossenschaligen Zustand durch die Entfernung eines Elektrons gebildet wird und somit die Problematik der Symmetriebrechung umgangen werden kann. Im Rahmen der Implementierung wurden neue Programmteile zur Lösung der erforderlichen Gleichungen für die gestörten EOMIP-CC-Amplituden und die gestörten Lagrange-Multiplikatoren zeta zum Quantenchemieprogramm CFOUR hinzugefügt. Die unter Verwendung des Programms bestimmten Eigenschaften werden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit im Vergleich zu etablierten Methoden wie z.B. CCSD(T) untersucht. Bei der Berechnung von Polarisierbarkeiten und harmonischen Schwingungsfrequenzen liefert die EOMIP-CCSD-Theorie meist gute Resultate, welche nur wenig von den CCSD(T)-Ergebnissen abweichen. Einzig bei der Betrachtung von Radikalen, für die die entsprechenden Anionen nicht stabil sind (z.B. NH2⁻ und CH3⁻), liefert der EOMIP-CCSD-Ansatz aufgrund methodischer Nachteile keine aussagekräftige Beschreibung. rnrnDie Ableitungen der EOMIP-CCSD-Energie lassen sich auch zur Simulation vibronischer Kopplungen innerhalb des KDC-Modells einsetzen.rnZur Kopplung verschiedener radikalischer Zustände in einem solchen Modellpotential spielen vor allem die Ableitungen von Übergangsmatrixelementen eine wichtige Rolle. Diese sogenannten Kopplungskonstanten können in der EOMIP-CC-Theorie besonders leicht definiert und berechnet werden. Bei der Betrachtung des Photoelektronenspektrums von HCO2⁻ werden zwei Alternativen untersucht: Die vertikale Bestimmung an der Gleichgewichtsgeometrie des HCO2⁻-Anions und die Ermittlung adiabatischer Kraftkonstanten an den Gleichgewichtsgeometrien des Radikals. Lediglich das adiabatische Modell liefert bei Beschränkung auf harmonische Kraftkonstanten eine qualitativ sinnvolle Beschreibung des Spektrums. Erweitert man beide Modelle um kubische und quartische Kraftkonstanten, so nähern sich diese einander an und ermöglichen eine vollständige Zuordnung des gemessenen Spektrums innerhalb der ersten 1500 cm⁻¹. Die adiabatische Darstellung erreicht dabei nahezu quantitative Genauigkeit.

Infiltrating Lobular Carcinoma of the Breast: Systemic Treatment

Invasive lobular carcinoma (ILC) is the second most common type of breast cancer after invasive ductal carcinoma (IDC). It is characterized by unique clinical, biological and molecular properties. ILC is almost always positive for the estrogen receptor and is typically of a lower grade compared with IDC. We have reviewed selected literature on preoperative (neoadjuvant) and adjuvant systemic therapy of breast cancer focusing on the differential therapy of ILC. Despite the importance of this type of breast cancer, information about its specific treatment is sparse, in particular with regard to adjuvant systemic chemotherapy. ILC has significantly lower rates of response to neoadjuvant chemotherapy compared with IDC; however, the low chemosensitivity seems not to result in a survival disadvantage. Adjuvant hormonal therapy studies do not distinguish between ILC and IDC. Thus, recommendations about endocrine therapies are made using the same criteria as for IDC.

Lipid-dependent topogenesis and function of membrane proteins

Membranes are essential for the integrity and function of the cell. The collective property of the lipid bilayer is critical in providing an optimal functioning environment for membrane proteins. The simple yet well-characterized bacterium Escherichia coli serves an ideal model system to study the function of specific lipids since its lipid content can be easily manipulated. The most abundant lipid in E. coli membrane is phosphatidylethanolamine (PE, 70-80%). A PE-lacking E. coli mutant displays a complex mixture of deficient phenotypes, suggesting a profound role for PE in different aspects of cell function. A novel role of PE as a topological and functional determinant for membrane proteins has been established using lactose permease (LacY) as a model protein. PE is found to be required for energy-dependent uphill transport process of LacY. In PE-lacking membranes, LacY undergoes a dramatic conformational change, and the first half of the protein adopts an inverted topology with respect to the bilayer plane. ^ The work reported here was initiated to understand the molecular properties of lipids that enable their function as topological and functional determinants for membrane proteins. A glycolipid, monoglucosyldiacylglycerol (MGlcDAG) which shares physicochemical similarities with PE, was introduced to PE-lacking E. coli membranes. The introduction of MGlcDAG suppresses many of the PE-deficient phenotypes, and in particular supports the function and native topology of LacY. ^ The lipid-sensitive topogenic signals encoded in the amino acid sequence of LacY were also identified. Native LacY adopts an inverted topology when synthesized without PE, but mutation of specific acidic residues in the cytoplasmic extra-membrane domains can prevent this inversion and supports a native topological organization of LacY in PE-lacking membranes. These results suggest that it is the interplay between the collective charge properties of the lipid bilayer and extra-membrane loops of protein that determines the final orientation of transmembrane domains. By comparing the similarities as well as differences between these two lipids, we established how specific physical and chemical properties of lipids influence various cell functions and elucidated the molecular basis for the novel role of lipids in determining membrane protein topology. ^

DNA alignment and Bayesian trees of partial sequences of COI, COIII and the haemocyanin functional unit f-g of 28 octopod species

Background: Octopods have successfully colonised the world's oceans from the tropics to the poles. Yet, successful persistence in these habitats has required adaptations of their advanced physiological apparatus to compensate impaired oxygen supply. Their oxygen transporter haemocyanin plays a major role in cold tolerance and accordingly has undergone functional modifications to sustain oxygen release at sub-zero temperatures. However, it remains unknown how molecular properties evolved to explain the observed functional adaptations. We thus aimed to assess whether natural selection affected molecular and structural properties of haemocyanin that explains temperature adaptation in octopods. Results: Analysis of 239 partial sequences of the haemocyanin functional units (FU) f and g of 28 octopod species of polar, temperate, subtropical and tropical origin revealed natural selection was acting primarily on charge properties of surface residues. Polar octopods contained haemocyanins with higher net surface charge due to decreased glutamic acid content and higher numbers of basic amino acids. Within the analysed partial sequences, positive selection was present at site 2545, positioned between the active copper binding centre and the FU g surface. At this site, methionine was the dominant amino acid in polar octopods and leucine was dominant in tropical octopods. Sites directly involved in oxygen binding or quaternary interactions were highly conserved within the analysed sequence. Conclusions: This study has provided the first insight into molecular and structural mechanisms that have enabled octopods to sustain oxygen supply from polar to tropical conditions. Our findings imply modulation of oxygen binding via charge-charge interaction at the protein surface, which stabilize quaternary interactions among functional units to reduce detrimental effects of high pH on venous oxygen release. Of the observed partial haemocyanin sequence, residue 2545 formed a close link between the FU g surface and the active centre, suggesting a role as allosteric binding site. The prevalence of methionine at this site in polar octopods, implies regulation of oxygen affinity via increased sensitivity to allosteric metal binding. High sequence conservation of sites directly involved in oxygen binding indicates that functional modifications of octopod haemocyanin rather occur via more subtle mechanisms, as observed in this study.

Force-mediated kinetics of single P-selectin/ligand complexes observed by atomic force microscopy

Leukocytes roll along the endothelium of postcapillary venules in response to inflammatory signals. Rolling under the hydrodynamic drag forces of blood flow is mediated by the interaction between selectins and their ligands across the leukocyte and endothelial cell surfaces. Here we present force-spectroscopy experiments on single complexes of P-selectin and P-selectin glycoprotein ligand-1 by atomic force microscopy to determine the intrinsic molecular properties of this dynamic adhesion process. By modeling intermolecular and intramolecular forces as well as the adhesion probability in atomic force microscopy experiments we gain information on rupture forces, elasticity, and kinetics of the P-selectin/P-selectin glycoprotein ligand-1 interaction. The complexes are able to withstand forces up to 165 pN and show a chain-like elasticity with a molecular spring constant of 5.3 pN nm−1 and a persistence length of 0.35 nm. The dissociation constant (off-rate) varies over three orders of magnitude from 0.02 s−1 under zero force up to 15 s−1 under external applied forces. Rupture force and lifetime of the complexes are not constant, but directly depend on the applied force per unit time, which is a product of the intrinsic molecular elasticity and the external pulling velocity. The high strength of binding combined with force-dependent rate constants and high molecular elasticity are tailored to support physiological leukocyte rolling.

Purification and characterization of acetone carboxylase from Xanthobacter strain Py2

Acetone metabolism in the aerobic bacterium Xanthobacter strain Py2 proceeds by a carboxylation reaction forming acetoacetate as the first detectable product. In this study, acetone carboxylase, the enzyme catalyzing this reaction, has been purified to homogeneity and characterized. Acetone carboxylase was comprised of three polypeptides with molecular weights of 85,300, 78,300, and 19,600 arranged in an α2β2γ2 quaternary structure. The carboxylation of acetone was coupled to the hydrolysis of ATP and formation of 1 mol AMP and 2 mol inorganic phosphate per mol acetoacetate formed. ADP was also formed during the course of acetone consumption, but only accumulated at low, substoichiometric levels (≈10% yield) relative to acetoacetate. Inorganic pyrophosphate could not be detected as an intermediate or product of acetone carboxylation. In the absence of CO2, acetone carboxylase catalyzed the acetone-dependent hydrolysis of ATP to form both ADP and AMP, with ADP accumulating to higher levels than AMP during the course of the assays. Acetone carboxylase did not have inorganic pyrophosphatase activity. Acetone carboxylase exhibited a Vmax for acetone carboxylation of 0.225 μmol acetoacetate formed min−1⋅mg−1 at 30°C and pH 7.6 and apparent Km values of 7.80 μM (acetone), 122 μM (ATP), and 4.17 mM (CO2 plus bicarbonate). These studies reveal molecular properties of the first bacterial acetone-metabolizing enzyme to be isolated and suggest a novel mechanism of acetone carboxylation coupled to ATP hydrolysis and AMP and inorganic phosphate formation.