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.

Membrane interactions of S100A12 (calgranulin C)

S100A12 (Calgranulin C) is a small acidic calcium-binding peripheral membrane protein with two EF-hand structural motifs. It is expressed in macrophages and lymphocytes and highly up-regulated in several human inflammatory diseases. In pigs, S100A12 is abundant in the cytosol of granulocytes, where it is believed to be involved in signal modulation of inflammatory process. In this study, we investigated the interaction of the porcine S100A12 with phospholipid bilayers and the effect that ions (Ca2+, Zn2+ or both together) have in modifying protein-lipid interactions. More specifically, we intended to address issues such as: (1) is the protein-membrane interaction modulated by the presence of ions? (2) is the protein overall structure affected by the presence of the ions and membrane models simultaneously? (3) what are the specific conformational changes taking place when ions and membranes are both present? (4) does the protein have any kind of molecular preferences for a specific lipid component? To provide insight into membrane interactions and answer those questions, synchrotron radiation circular dichroism spectroscopy, fluorescence spectroscopy, and surface plasmon resonance were used. The use of these combined techniques demonstrated that this protein was capable of interacting both with lipids and with ions in solution, and enabled examination of changes that occur at different levels of structure organization. The presence of both Ca2+ and Zn2+ ions modify the binding, conformation and thermal stability of the protein in the presence of lipids. Hence, these studies examining molecular interactions of porcine S100A12 in solution complement the previously determined crystal structure information on this family of proteins, enhancing our understanding of its dynamics of interaction with membranes.

Isolation and functional characterization of Hrp65-binding proteins in Chironomus tentans

It is well-established that the organization of nuclear components influences gene expression processes, yet little is known about the mechanisms that contribute to the spatial co-ordination of nuclear activities. The salivary gland cells of Chironomus tentans provide a suitable model system for studying gene expression in situ, as they allow for direct visualization of the synthesis, processing and export of a specific protein-coding transcript, the Balbiani ring (BR) pre-mRNA, in a nuclear environment in which chromatin and non-chromatin structures can easily be distinguished. The RNAbinding protein Hrp65 has been identified in this model system as a protein associated with non-chromatin nucleoplasmic fibers, referred to as connecting fibers (CFs). The CFs associate with BR RNP particles in the nucleoplasm, suggesting that Hrp65 is involved in mRNA biogenesis at the post-transcriptional level. However, the function of Hrp65 is not known, nor is the function or the composition of CFs. In the work described in this thesis, we have identified by yeast two-hybrid screening and characterized different proteins that bind to Hrp65. These proteins include a novel hnRNP protein in C. tentans named Hrp59, various isoforms of Hrp65, the splicing- and mRNA export factor HEL/UAP56, and a RING-domain protein of unknown function. Immuno-electron microscopy experiments showed that Hrp59 and HEL are present in CFs, and in larger structures in the nucleoplasm of C. tentans salivary gland cells. Hrp59 is a C. tentans homologue of human hnRNP M, and it associates cotranscriptionally with a subset of pre-mRNAs, including its own transcript, in a manner that does not depend quantitatively on the amount of synthesized RNA. Hrp59 accompanies the BR pre-mRNA from the gene to the nuclear envelope, and is released from the BR mRNA at the nuclear pore complex. We have identified the preferred RNA targets of Hrp59 in Drosophila cells, and we have shown that Hrp59 binds preferentially to exonic splicing enhancer sequences. Hrp65 self-associates through an evolutionarily conserved domain that can also mediate heterodimerization of Hrp65 homologues. Different isoforms of Hrp65 interact with each other in all possible combinations, and Hrp65 can oligomerize into complexes of at least six molecules. The interaction between different Hrp65 isoforms is crucial for their intracellular localization, and we have discovered a mechanism by which Hrp65-2 is imported into the nucleus through binding to Hrp65-1. Hrp65 binds to HEL/UAP56 in C. tentans cells. We have analyzed the distribution of the two proteins on polytene chromosomes and in the nucleoplasm of salivary gland cells, and our results suggest that Hrp65 and HEL become associated during posttranscriptional gene expression events. HEL binds to the BR pre-mRNP cotranscriptionally, and incorporation of HEL into the pre-mRNP does not depend on the location of introns along the BR pre-mRNA. HEL accompanies the BR mRNP to the nuclear pore and is released from the BR mRNP during translocation into the cytoplasm.

Human skeletal muscle and erythrocyte proteins involved in acid-base homeostasis: adaptations to chronic hypoxia

[EN] Chronic hypoxia is accompanied by changes in blood and skeletal muscle acid-base control. We hypothesized that the underlying mechanisms include altered protein expression of transport systems and the enzymes involved in lactate, HCO3- and H+ fluxes in skeletal muscle and erythrocytes. Immunoblotting was used to quantify densities of the transport systems and enzymes. Muscle and erythrocyte samples were obtained from eight Danish lowlanders at sea level and after 2 and 8 weeks at 4100 m (Bolivia). For comparison, samples were obtained from eight Bolivian natives. In muscle membranes there were no changes in fibre-type distribution, lactate dehydrogenase isoforms, Na+,K+-pump subunits or in the lactate-H+ co-transporters MCT1 and MCT4. The Na+-H+ exchanger protein NHE1 was elevated by 39 % in natives compared to lowlanders. The Na+-HCO3- co-transporter density in muscle was elevated by 47-69 % after 2 and 8 weeks at altitude. The membrane-bound carbonic anhydrase (CA) IV in muscle increased in the lowlanders by 39 %, whereas CA XIV decreased by 23-47 %. Levels of cytosolic CA II and III in muscle and CA I and II in erythrocytes were unchanged. The erythrocyte lactate-H+ co-transporter MCT1 increased by 230-405 % in lowlanders and was 324 % higher in natives. The erythrocyte inorganic anion exchanger (Cl--HCO3- exchanger AE1) was increased by 149-228 %. In conclusion, chronic hypoxia induces dramatic changes in erythrocyte proteins, but only moderate changes in muscle proteins involved in acid-base control. Together, these changes suggest a hypoxia-induced increase in the capacity for lactate, HCO3- and H+ fluxes from muscle to blood and from blood to erythrocytes.

p300/CBP tyrosine phosphorylation in response to dna damage activated by c-Abl tyrosine kinase

The nuclear signaling that is triggered in response to DNA damage entails the recruitment and assembly of repair proteins and the induction of genes involved in the activation of cell cycle checkpoint, apoptosis or senescence. The extensive changes in chromatin structure underlying these processes suggest that chromatin-modifying enzymes could be relevant targets of DNA damage-activated signaling. The acetyltransferases p300 and CBP participate in DNA damage-activated responses, including local histone hyperacetylation, cell cycle regulation, and co-activation of DNA damage activated proteins, such as p53, p73 and BRCA1. However, the link between DNA damage and p300/CBP activation has not been identified.We have detected p300 tyrosine phosphorylation in response to DNA damage. We show that the DNA damage-activated cAbl tyrosine kinase enters the nuclei of cells exposed to genotoxic agents and phosphorylates p300 on a tyrosine residue within the bromodomain that is conserved in p300, CBP and many other bromodomain-containing proteins. Antibodies against tyrosine phosphorylated p300/CBP show a DNA damage-inducible nuclear staining, suggesting that p300 tyrosine phosphorylation is an event linking DNA damage and chromatin modifications.

Bedeutung N- und C-terminaler Aminosäuren für die Monomer- und Dimerbildung von Lichtsammelproteinen des Photosystems I

Der LHCI-730 ist ein heterodimerer, Chlorophyll a/b-bindender Lichtsammelkomplex (LHC) des Photosystem I in höheren Pflanzen. Mit Hilfe rekombinanter, modifizierter Proteine wurde untersucht, welche terminalen Bereiche der Untereinheiten Lhca1 und Lhca4 für die Bildung von monomeren und dimeren Lichtsammelproteinen relevant sind. Durch PCR-Mutagenese modifizierte Apoproteine wurden in vitro mit Gesamtpigmentextrakt rekonstituiert und auf ihre Fähigkeit mono- bzw. dimere LHCs zu bilden untersucht.Für die Monomerbildung sind der extrinsische N-Terminus und die der amphipathischen vierten Helix folgenden Aminosäuren beider Proteine für die Faltung stabiler monomerer Pigmentproteinkomplexe nicht notwendig. Die Aminosäuren, mit deren Deletion die Monomerbildung an N- und C-Terminus verhindert wurde, verfügten über geladene (Glu, Asp), aromatische (Trp) oder neutrale Seitenketten (Leu).Die Untersuchungen zur Dimerbildung des LHCI-730 zeigten, daß am N-Terminus des Lhca1 nur bis zu einer Entfernung von drei Aminosäuren (Trp) eine Assemblierung der Untereinheiten möglich ist. Nur Phe (anstatt Trp) war in Substitutionsexperimenten im Vollängenprotein in der Lage, Dimere zu bilden. Das Ausbleiben der Dimerbildung der bis einschließlich zum Trp-39 und Ile-168 verkürzten Deletionsmutanten des Lhca4 ist vermutlich auf die Instabilität dieser Lhca4-Mutanten zurückzuführen. Die Deletion von Trp-185 am C-Terminus des Lhca1 führt zu einem Ausbleiben der Dimerbildung, die aber offensichtlich durch weitere, zuvor schon deletierte Aminosäuren beeinträchtigt wurde.

Molekularzytogenetische Untersuchungen an Nierenzelltumoren des Menschen

Nierenkarzinome (NZK) des Erwachsenenalters weisen nebenhistologisch-zytologischen Merkmalen typische genetischeCharakteristika auf, die mit dem biologischen Verhalten derTumorzellen korrelieren. Der Nachweis genomischerVeränderungen wird zur Diagnostik und Prognoseeinschätzungvon Tumoren herangezogen. Für die untersuchtenNierentumorerkrankungen wurden lediglich das vonHippel-Lindau Tumorsuppressorgen (VHL) auf Chromosom 3 oderdas MET Proto-Onkogen auf Chromosom 7 als gesichertepathogenetische Faktoren in der Entstehung von NZKidentifiziert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitragzur molekularen Charakterisierung derNierentumor-Pathogenese. Die gewählten Ansätze umfassen: (A)Die Analyse 91 primärer Nierentumoren mit CGH (comparativegenomic hybridization), (B) die Untersuchung chromosomalerBruchpunkte eines komplex rearrangierten, familiärenNZK-Falles und (C) die Charakterisierung umschriebenerGenomveränderungen im Bereich des VHL-Lokus auf Chromosom 3p25 .(A) Chromosomen-Aberrationen wurden identifiziert undeingegrenzt. Das Auftreten spezifischer chromosomalerAberrationen konnte mit dem dokumentierten Krankheitsverlaufassoziiert werden. Die als progressionsassoziiert oderprognoserelevant identifizierten Chromosomen(bereiche)5(q22-qter), 4, 10, 14q, 17, 6, 8, 9, 12 können alsAusgangspunkte für eine Suche nach subtypspezifischen,relevanten Tumorgenen dienen. (B) Chromosomenanalysen einerFamilie mit Veranlagung für das klarzellige NZK belegteneine Translokation zwischen den Chromosomen 3 und 8 imperipheren Patientenblut. Weitere molekularzytogenetischeUntersuchungen deckten ein komplexes chromosomalesRearrangement t(3;8)(q13.1;p21.1) auf. (C) DieFeinkartierung der Region um den VHL-Genlokus istinsbesondere bei Tumoren ohne molekulargenetischnachzuweisenden VHL-Verlust erforderlich. Zur Identifikationweiterer in dieser Region kartierender, evtl. ko-deletierterTumorsuppressor-Kandidatengene, wurden genomische(PAC)-Sonden isoliert, charakterisiert und zurDeletionskartierung eingesetzt.

Structural and functional analysis of the hepatitis C virus non-structural protein 5A

Das Hepatitis C Virus (HCV) ist ein umhülltes RNA Virus aus der Familie der Flaviviridae. Sein Genom kodiert für ein ca. 3000 Aminosäuren langes Polyprotein, welches co- und posttranslational in seine funktionellen Einheiten gespalten wird. Eines dieser viralen Proteine ist NS5A. Es handelt sich hierbei um ein stark phosphoryliertes Protein, das eine amphipatische α-Helix im Amino-Terminus trägt, welche für die Membran-Assoziation von NS5A verantwortlich ist. Welche Rolle die Phosphorylierung für die Funktion des Proteins spielt, bzw. welche Funktion NS5A überhaupt ausübt, ist zur Zeit noch unklar. Beobachtungen lassen Vermutungen über eine Funktion von NS5A bei der Resistenz infizierter Zellen gegenüber Interferon-alpha zu. Weiterhin wird vermutet, das NS5A als Komponente des membranständigen HCV Replikasekomplexes an der RNA Replikation beteiligt ist. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Funktion von NS5A für die RNA Replikation zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde eine Serie von Phosphorylierungsstellen-Mutanten generiert, die auf Ihre Replikationsfähigkeit und den Phosphorylierungsstatus hin untersucht wurden. Wir fanden, dass bestimmte Serin-Substitutionen im Zentrum von NS5A zu einer gesteigerten RNA Replikation führten, bei gleichzeitig reduzierter NS5A Hyperphosphorylierung. Weiterhin studierten wir den Einfluß von Mutationen in der Amino-terminalen amphipatischen α-Helix von NS5A auf die RNA-Replikation, sowie Phosphorylierung und subzelluläre Lokalisation des Proteins. Wir fanden, dass geringfügige strukturelle Veränderungen der amphipatischen Helix zu einer veränderten subzellulären Lokalisation von NS5A führten, was mit einer reduzierten oder komplett inhibierten RNA Replikation einherging. Zudem interferierten die strukturellen Veränderungen mit der Hyperphosphorylierung des Proteins, was den Schluß nahe legt, dass die amphipatische Helix eine wichtige strukturelle Komponente des Proteins darstellt, die für die korrekte Faltung und Phosphorylierung des Proteins essentiell ist. Als weitere Aspekte wurden die Trans-Komplementationsfähigkeit der verschiedenen viralen Komponenten des HCV Replikasekomplexes untersucht, sowie zelluläre Interaktionspartner von NS5A identifiziert. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit, dass NS5A eine wichtige Rolle bei der RNA-Replikation spielt. Diese Funktion wird wahrscheinlich über den Phosphorylierungszustand des Proteins reguliert.

Structural and functional characterization of Group B Streptococcus class C sortases

In Group B Streptococcus (GBS) three structurally distinct types of pili have been discovered as potential virulence factors and vaccine candidates. The pilus-forming proteins are assembled into high-molecular weight polymers via a transpeptidation mechanism mediated by specific class C sortases. Using a multidisciplinary approach including bioinformatics, structural and biochemical studies and in vivo mutagenesis we performed a broad characterization of GBS sortase C. The high resolution X-ray structure of the enzymes revealed that the active site, located into the β-barrel core of the enzyme, is made of the catalytic triad His157-Cys219-Arg228 and covered by a loop, known as the “lid”. We show that the catalytic triad and the predicted N- and C-terminal trans-membrane regions are required for the enzyme activity. Interestingly, by in vivo complementation mutagenesis studies we found that the deletion of the entire lid loop or mutations in specific lid key residues had no effect on catalytic activity of the enzyme. In addition, kinetic characterizations of recombinant enzymes indicate that the lid mutants can still recognize and cleave the substrate-mimicking peptide at least as well as the wild type protein.

Struktur- und Funktionsuntersuchungen des C 4-Dicarboxylat-Sensors DcuS von Escherichia coli

Das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert die Expression der Gene der anaeroben Fumaratatmung in E. coli in Abhängigkeit von externen C4-Dicarbonsäuren. Die membranständige Histidinkinase DcuS detektiert den Reiz und leitet ihn über die Membran an den Responseregulaor DcuR weiter, der die Aktivität der Zielgene reguliert. Das Substratspektrum von DcuS wurde näher untersucht und strukturelle Eigenschaften der Substrate sowie ihre Affinität zu DcuS bestimmt. Es wird vermutet, dass Histidinkinasen im aktiven Zustand als Dimere oder höhere Oligomere vorliegen. Der Oligomerisierungszustand von DcuS in der Membran wurde mittels EPR-Spektroskopie untersucht. Es wurden funktionelle Cysteinmutanten von DcuS hergestellt, die nur an bestimmten Positionen der periplasmatischen Domäne Cysteinreste, aber sonst keine weiteren Cysteinreste, enthielten. Die Proteine wurden isoliert, über die Cysteinreste mit Nitroxiden markiert und in Liposomen rekonstituiert. Erste EPR-Messungen zeigten, dass rekonstituiertes DcuS in einem geordneten Zustand in der Membran vorliegt, der diskrete Abstände zwischen den Monomeren aufweist. Die Struktur von rekonstituiertem DcuS in der Membran soll durch Festkörper-NMR aufgeklärt werden. Ein geeignetes C-terminal verkürztes Konstrukt, DcuS-PD/PAS wurde zu diesem Zweck hergestellt. Das Protein ließ sich in hoher Reinheit isolieren und konnte wieder in Liposomen rekonstituiert werden. Vorbereitende NMR-Messungen zeigten, dass eine Strukturaufklärung an diesem Protein möglich ist. Weitere Strukturuntersuchungen werden zur Zeit durchgeführt.

Analyse der Transportfunktion und Proteinexpression des kationischen Aminosäure-Transporters hCAT-3 und des verwandten Proteins SLC7A4

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung des humanen kationischen Aminosäure-Transporters 3 (hCAT-3) und mit der Generierung spezifischer Antikörper gegen hCAT-3, mCAT-3 und das verwandte Protein SLC7A4. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass hCAT-3 glykosyliert und in der Plasmamembran lokalisiert ist. Transportstudien an hCAT-3-exprimierenden Xenopus laevis Oozyten demonstrierten einen selektiven Transport von kationischen L-Aminosäuren. Die Transporteigenschaften von hCAT-3 (KM, Vmax, Trans-Stimulation) ähnelten den der Isoform hCAT-2B am meisten. Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zu Untersuchungen an CAT-3 von Maus und Ratte, in denen nur eine geringe CAT-Aktivität gezeigt wurde, die zudem durch neutrale und anionische Aminosäuren und durch D-Arginin hemmbar war. Die höchste Expression von hCAT-3 wurde im Thymus gefunden, was bedeutet, dass er nicht auf neuronale Zellen beschränkt ist. Dieser Befund steht im Gegensatz zur ausschließlich neuronalen Expression von rCAT-3 bzw. mCAT-3. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Generierung spezifischer Antikörper gegen die C-Termini des humanen und murinen CAT-3 und des verwandten Proteins SLC7A4. Dafür wurden Antiseren gegen Fusionsproteine zwischen dem bakteriellen trpE-Protein und den C-Termini der jeweiligen Isoform gewonnen. Zur Aufreinigung der Antikörpern wurden Affinitätssäulen mit Fusionsprotein aus Glutathion S-Transferase und den jeweils gleichen carboxyterminalen Aminosäuren von hCAT-3, SLC7A4 und mCAT-3 hergestellt. Zur Überprüfung der Spezifität der Affinitäts-aufgereinigten Antikörper wurden Western-Blot-Analysen mit Lysaten von X. laevis-Oozyten durchgeführt, die mit cRNA der jeweiligen Isoform injiziert worden waren. Weiterhin wurden humane U373MG Glioblastom-Zellen, in denen die jeweilige Isoform überexprimiert worden war, zur Überprüfung der Antikörper verwendet. Es konnte nachgewiesen werden, dass die neu gewonnenen Antikörper das jeweilige glykosylierte und deglykosylierte CAT-Protein spezifisch erkannten. Die hCAT-3 Antikörper wurden dazu verwendet die endogene Expression in NT2-Teratokarzinom-Zellen nachzuweisen. Hierbei zeigte sich, dass die intrazelluläre Expression höher war als an der Zelloberfläche. Nur etwa 10-20% des hCAT-3-Gesamtproteins wurden an der Zelloberfläche exprimiert. Die gleiche subzelluläre Verteilung zeigte sich in mit hCAT-3.EGFP stabil transfizierten U373MG-Zellen. Um die Auswirkung einer PKC-Aktivierung auf die Aktivität und Expression von hCAT-3 untersuchen zu können, wurden Transportexperimente an Oozyten und Western-Blot Analysen mit biotinylierten Zelloberflächen-Proteinen durchgeführt. Der PKC-Aktivator PMA reduzierte die hCAT-3 Expression um ca. 35% reduziert. Sowohl in X. laevis Oozyten, als auch in U373MG-Zellen war die Verminderung der Transportaktivität von einer Reduktion der Zelloberflächen-Expression von hCAT-3 begleitet. Die Vorbehandlung mit dem PKC-Inhibitor Bisindolylmaleimid I (BIM I) reduzierte beide PMA-Effekt. Es ist daher davon auszugehen, dass die Reduktion der Zelloberflächen-Expression durch PKC vermittelt wurde. Ähnlich wie hCAT-1 scheint auch hCAT-3 durch eine klassische PKC, am wahrscheinlichsten PKC? und PKC?, herunterreguliert zu werden. Durch konfokale Mikroskopie von überexprimierten hCAT-3.GFP-Konstrukten in U373MG-Zellen konnten diese Ergebnisse bestätigt werden. Ähnliche Ergebnisse wurden auch unter Verwendung der selbst hergestellten Antikörper gegen den endogenen hCAT-3 in NT2 Teratokarzinom-Zellen erzielt.

Expressions- und Funktionsanalysen von "Tetraspan Vesicle Membrane Proteins" in Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind ubiquitäre Komponenten von Transportvesikeln. Bei den Säugetieren unterscheidet man drei Familien, die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins). Ihre Funktion ist weitgehend unbekannt, es wird jedoch vermutet, dass sie eine Rolle bei der Vesikelbildung und der Vesikelrezirkulierung spielen. In Caenorhabditis elegans existiert von jeder Familie jeweils nur ein einziges Polypeptid: für die Physine Synaptophysin (SPH-1), für die Gyrine Synaptogyrin (SNG-1) und für die SCAMPs SCAMP (SCM-1). Ziel der Arbeit war es die Verteilung der C. elegans TVPs zu untersuchen und ihre Funktion unter besonderer Berücksichtigung der vesikelvermittelten synaptischen Kopplung zu bestimmen. Wenn die C. elegans TVPs in humanen Epithelzellen synthetisiert werden, lokalisieren sie in zytoplasmatischen Vesikeln. In Kotransfektionsexperimenten wurde gezeigt, dass sie größtenteils in den gleichen Strukturen enthalten sind. In C. elegans synthetisierte TVP-Reporterkonstrukte können in unterschiedlichen Geweben nachgewiesen werden. Dabei ist SNG-1 fast ausschließlich in Neuronen zu finden. SPH-1 und SCM-1 hingegen weisen komplexe und teilweise überlappende Verteilungsmuster auf. Während für SPH-1 eine starke Fluoreszenz im Pharynx, auf der apikalen Seite der Darmzellen oberhalb des sog. terminal webs und in adluminalen Regionen von exkretorischen Geweben gefunden wurde, war SCM-1 stark in der Muskulatur und den Coelomozyten vertreten. Die Expression von SCM-1 in Pharynx und Darm war deutlich schwächer. Die C. elegans TVPs werden früh in der Entwicklung ab der Gastrulation (SPH-1 und SCM-1) bzw. ab der Neurulation im sog. Komma-Stadium (SNG-1) produziert. Um die Funktion der TVPs in C. elegans zu untersuchen, wurden TVP-Mutanten analysiert. Durch Kombination aller drei TVP-Gen-Mutanten wurden TVP-Dreifachmutanten generiert. Diese wiesen keinen offensichtlichen Defekt im Bewegungsmuster auf, entwickelten sich normal und bildeten ein normales Nervensystem aus. Auch auf unterschiedliche chemische und physikalische Reize in sensorischen Tests reagierten die TVP-Dreifachmutanten in gleicher Weise wie Wildtyptiere. Ebenso zeigen die TVP-Dreifachmutanten elektrophysiologisch unter normalen Bedingungen keine anormalen Reaktionsmuster. In ultrastrukturellen Untersuchungen wurde lediglich eine signifikant erhöhte Anzahl Clathrin-ummantelter Vesikel in cholinergen Synapsen gefunden. Erst unter Stressbedingungen, hervorgerufen durch den GABA-Antagonisten Pentylentetrazol (PTZ), wiesen sowohl die TVP-Dreifach- als auch die TVP-Einzelmutanten eine deutlich erhöhte Krampfbereitschaft auf. Zusammengenommen zeigen die Analysen, dass TVPs zwar für grundlegende neuronale Prozesse nicht notwendig sind, dass sie aber auf der anderen Seite vermutlich an alternativen redundanten Wegen der Neurotransmitterfreisetzung beteiligt sind.

Pyrolysis of peptides and proteins. Analytical study and environmental applications

Analytical pyrolysis was used to investigate the formation of diketopiperazines (DKPs) which are cyclic dipeptides formed from the thermal degradation of proteins. A quali/quantitative procedure was developed combining microscale flash pyrolysis at 500 °C with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) of DKPs trapped onto an adsorbent phase. Polar DKPs were silylated prior to GC-MS. Particular attention was paid to the identification of proline (Pro) containing DKPs due to their greater facility of formation. The GC-MS characteristics of more than 80 original and silylated DKPs were collected from the pyrolysis of sixteen linear dipeptides and four model proteins (e.g. bovine serum albumin, BSA). The structure of a novel DKP, cyclo(pyroglutamic-Pro) was established by NMR and ESI-MS analysis, while the structures of other novel DKPs remained tentative. DKPs resulted rather specific markers of amino acid sequence in proteins, even though the thermal degradation of DKPs should be taken into account. Structural information of DKPs gathered from the pyrolysis of model compounds was employed to the identification of these compounds in the pyrolysate of proteinaceous samples, including intrinsecally unfolded protein (IUP). Analysis of the liquid fraction (bio-oil) obtained from the pyrolysis of microalgae Nannochloropsis gaditana, Scenedesmus spp with a bench scale reactor showed that DKPs constituted an important pool of nitrogen-containing compounds. Conversely, the level of DKPs was rather low in the bio-oil of Botryococcus braunii. The developed micropyrolysis procedure was applied in combination with thermogravimetry (TGA) and infrared spectroscopy (FT-IR) to investigate surface interaction between BSA and synthetic chrysotile. The results showed that the thermal behavior of BSA (e.g. DKPs formation) was affected by the different form of doped synthetic chrysotile. The typical DKPs evolved from collagen were quantified in the pyrolysates of archaeological bones from Vicenne Necropolis in order to evaluate their conservation status in combination with TGA, FTIR and XRD analysis.

Vibrational spectroscopic and electrochemical investigations of multi-centered heme proteins in biomimetic membrane architectures

Membrane proteins play a major role in every living cell. They are the key factors in the cell’s metabolism and in other functions, for example in cell-cell interaction, signal transduction, and transport of ions and nutrients. Cytochrome c oxidase (CcO), as one of the membrane proteins of the respiratory chain, plays a significant role in the energy transformation of higher organisms. CcO is a multi centered heme protein, utilizing redox energy to actively transport protons across the mitochondrial membrane. One aim of this dissertation is to investigate single steps in the mechanism of the ion transfer process coupled to electron transfer, which are not fully understood. The protein-tethered bilayer lipid membrane is a general approach to immobilize membrane proteins in an oriented fashion on a planar electrode embedded in a biomimetic membrane. This system enables the combination of electrochemical techniques with surface enhanced resonance Raman (SERRS), surface enhanced reflection absorption infrared (SEIRAS), and surface plasmon spectroscopy to study protein mediated electron and ion transport processes. The orientation of the enzymes within the surface confined architecture can be controlled by specific site-mutations, i.e. the insertion of a poly-histidine tag to different subunits of the enzyme. CcO can, thus, be oriented uniformly with its natural electron pathway entry pointing either towards or away from the electrode surface. The first orientation allows an ultra-fast direct electron transfer(ET) into the protein, not provided by conventional systems, which can be leveraged to study intrinsic charge transfer processes. The second orientation permits to study the interaction with its natural electron donor cytochrome c. Electrochemical and SERR measurements show conclusively that the redox site structure and the activity of the surface confined enzyme are preserved. Therefore, this biomimetic system offers a unique platform to study the kinetics of the ET processes in order to clarify mechanistic properties of the enzyme. Highly sensitive and ultra fast electrochemical techniques allow the separation of ET steps between all four redox centres including the determination of ET rates. Furthermore, proton transfer coupled to ET could be directly measured and discriminated from other ion transfer processes, revealing novel mechanistic information of the proton transfer mechanism of cytochrome c oxidase. In order to study the kinetics of the ET inside the protein, including the catalytic center, time resolved SEIRAS and SERRS measurements were performed to gain more insight into the structural and coordination changes of the heme environment. The electrical behaviour of tethered membrane systems and membrane intrinsic proteins as well as related charge transfer processes were simulated by solving the respective sets of differential equations, utilizing a software package called SPICE. This helps to understand charge transfer processes across membranes and to develop models that can help to elucidate mechanisms of complex enzymatic processes.

Time-resolved surface enhanced resonance Raman spectro-electrochemistry of heme proteins

The membrane protein Cytochrome c Oxidase (CcO) is one of the most important functional bio-molecules. It appears in almost every eukaryotic cell and many bacteria. Although the different species differ in the number of subunits, the functional differences are merely marginal. CcO is the terminal link in the electron transfer pathway of the mitochondrial respiratory chain. Electrons transferred to the catalytic center of the enzyme conduce to the reduction of molecular oxygen to water. Oxygen reduction is coupled to the pumping of protons into the inter-membrane space and hence generates a difference in electrochemical potential of protons across the inner mitochondrial membrane. This potential difference drives the synthesis of adenosine triphosphate (ATP), which is the universal energy carrier within all biological cells. rnrnThe goal of the present work is to contribute to a better understanding of the functional mechanism of CcO by using time-resolved surface enhanced resonance Raman spectroscopy (TR-SERRS). Despite intensive research effort within the last decades, the functional mechanism of CcO is still subject to controversial discussions. It was the primary goal of this dissertation to initiate electron transfer to the redox centers CuA, heme a, heme a3 and CuB electrochemically and to observe the corresponding redox transitions in-situ with a focus on the two heme structures by using SERRS. A measuring cell was developed, which allowed combination of electrochemical excitation with Raman spectroscopy for the purpose of performing the accordant measurements. Cytochrome c was used as a benchmark system to test the new measuring cell and to prove the feasibility of appropriate Raman measurements. In contrast to CcO the heme protein cc contains only a single heme structure. Nevertheless, characteristic Raman bands of the hemes can be observed for both proteins.rnrnIn order to investigate CcO it was immobilized on top of a silver substrate and embedded into an artificial membrane. The catalytic activity of CcO and therefore the complete functional capability of the enzyme within the biomimetic membrane architecture was verified using cyclic voltammetry. Raman spectroscopy was performed using a special nano-structured silver surface, which was developed within the scope of the present work. This new substrate combined two fundamental properties. It facilitated the formation of a protein tethered bilayer lipid membrane (ptBLM) and it allowed obtaining Raman spectra with sufficient high signal-to-noise ratios.rnSpectro-electrochemical investigations showed that at open circuit potential the enzyme exists in a mixed-valence state, with heme a and and heme a3 in the reduced and oxidized state, respectively. This was considered as an intermediate state between the non-activated and the fully activated state of CcO. Time-resolved SERRS measurements revealed that a hampered electron transfer to the redox center heme a3 characterizes this intermediate state.rn