Einzelmolekülspektroskopische Studien an Farbstoff-markierten Chlorophyll-a/b-Lichtsammlerkomplexen und Untersuchungen zur Integration der Komplexe in elektrochemische Solarzellen

Die zentrale Funktion des Hauptlichtsammlerkomplexes des Photosystems II, LHCII, besteht in der Absorption von Sonnenlicht und der Bereitstellung von Energie für die photosynthetische Ladungstrennung im Reaktionszentrum des Photosystems. Auch in der Regulation der Photosynthese spielt der LHCII eine wichtige Rolle, da die Energieverteilung zwischen Photosystem I und Photosystem II im Rahmen des sog. „State Transition“-Prozesses über die Verteilung der Lichtsammlerkomplexe zwischen den beiden Photosystemen gesteuert wird. Im Blickfeld des ersten Teils dieser Arbeit stand die konformative Dynamik der N-terminalen Domäne des LHCII, die wahrscheinlich in die Regulation der Lichtsammlung involviert ist. Gemeinsam mit Mitarbeitern des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart wurde an der Etablierung einer Methode zur einzelmolekülspektroskopischen Untersuchung der Dynamik des N-Terminus gearbeitet. Als Messgröße diente der Energietransfer zwischen einem Fluoreszenzfarbstoff, der an die N-terminale Domäne gekoppelt war, und den Chlorophyllen des Komplexes. Die Funktion des LHCII als effiziente Lichtantenne bildete die Grundlage für den zweiten Teil dieser Arbeit. Hier wurde untersucht, in wie weit LHCII als Lichtsammler in eine elektrochemische Solarzelle integriert werden kann. In der potentiellen Solarzelle sollte die Anregungsenergie des LHCII auf Akzeptorfarbstoffe übertragen werden, die in der Folge Elektronen in das Leitungsband einer aus Titandioxid oder Zinndioxid bestehenden porösen Halbleiterelektrode injizierten, auf der Komplexe und Farbstoffe immobilisiert waren.

Ursachen der unterschiedlichen Oligomerisierung von Lichtsammelproteinen

Die verschiedenen Lichtsammelproteine (Lhc-Proteine) höherer Pflanzen unterscheiden sich im Oligomerisierungsverhalten. Im Photosystem II existieren 6 Lhc-Proteine, die entweder die monomeren Lichtsammelkomplexe (LHC) CP24 (Lhcb6), CP26 (Lhcb5) und CP29 (Lhcb4) oder den trimeren LHCII (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3) bilden. Im Photosystem I sind laut Kristallstruktur vier Lhc-Proteine lokalisiert, die als Heterodimere organisiert vorliegen. Der schwerpunktmäßig untersuchte LHCI-730 setzt sich aus Lhca1 und Lhca4 zusammen, während der LHCI-680 aus Lhca2 und Lhca3 besteht. Das Ziel der Arbeit bestand in der Identifizierung der für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten verantwortlichen Proteinbereiche und Aminosäuren. Die für diese Arbeit generierten Consensussequenzalignments verschiedener Lhca- und Lhcb-Proteine vieler Arten unterstützen die Folgerungen aus Strukturdaten und anderen Sequenzalignments, dass den LHCs eine gemeinsame Monomerstruktur zu Grunde liegt. Die Helices 1 und 3 weisen weitgehend sehr hohe Sequenzidentitäten auf, während die N- und C-Termini, die zwei Schleifenregionen und die Helix 2 nur schwach konserviert sind. Falls die Bereiche mit hoher Sequenzübereinstimmung für das Zustandekommen ähnlicher monomerer LHC-Strukturen verantwortlich sind, könnten in den schwach konservierten Domänen die Ursachen für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten lokalisiert sein. Aufgrund dessen wurden die schwach konservierten Domänen des monomerisierenden Lhcb4, des mit dem Lhca1 dimerisierenden Lhca4 und des Trimere bildenden Lhcb1 gegen die entsprechenden Domänen der anderen Proteine ausgetauscht und bezüglich ihres Oligomerisierungsverhaltens untersucht. Im Lhca4 konnten mit der Helix 2 und der stromalen Schleife zwei für eine Heterodimerisierung essentielle Domänen gefunden werden. Im Lhcb1 waren neben dem N-Terminus auch die 2. Helix und die stromale Schleifendomäne unentbehrlich für eine Trimerisierung. Zusätzlich waren Dimerisierung und Trimerisierung bei Austausch der luminalen Schleife beeinträchtigt. Ein geringer Beitrag zur Lhcb1-Trimerisierung konnte auch für den C-Terminus belegt werden. Ein zusätzliches Ziel der Arbeit sollte der Transfer der Oligomerisierungseigenschaften durch umfangreichen Domänentausch von einem auf ein anderes Protein sein. Der Transfer der Fähigkeit zur Dimerbildung durch Substitution gegen essentielle Lhca4-Domänen (50% luminale Schleife, 100% Helix 2 und 100% stromale Schleife) gelang beim Lhcb4, nicht aber beim Lhcb1. Der Transfer der Trimerisierungsfähigkeit auf Lhca4 und Lhcb4 scheiterte. Eine Lhca1-Mutante mit allen für eine Dimerisierung essentiellen Lhca4-Domänen, die durch Interaktion einzelner Moleküle untereinander multimere LHCs bilden sollte, war bereits in ihrer Monomerbildung beeinträchtigt. Eine Übertragung der Oligomerisierungsfähigkeit auf andere Proteine durch massiven Domänentransfer gestaltete sich somit schwierig, da vermutlich im mutierten Protein immer noch ursprüngliche Tertiärstrukturanteile enthalten waren, die nicht mit den transferierten Proteinbestandteilen kompatibel sind. Bei zukünftigen Experimenten zur Klärung der Transferierbarkeit der Oligomerisierungseigenschaft sollten deswegen neben dem unberücksichtigten 1. Teil der luminalen Schleife auch wenig konservierte Aminosäuren in der 1. und 3. Helix Beachtung finden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die LHCI-730-Dimerisierung im Detail zu untersuchen. Mutationsanalysen bestätigten den von früheren Untersuchungen bekannten Einfluss des Isoleucins 103 und Histidins 99. Letzteres geht möglicherweise durch sein gebundenes Chlorophyll eine Interaktion mit dem Lhca1 ein. Das Phenylalanin 95 stellte sich ebenfalls als ein wichtiger Interaktionspartner heraus und könnte in Wechselwirkung mit einem zwischen Lhca1 und Lhca4 lokalisierten Phosphatidylglycerin treten. Das ebenfalls an der Dimerbildung beteiligte Serin 88 des Lhca4 könnte auf Grund der räumlichen Nähe bei Modellierungen direkt mit dem am C-Terminus des Lhca1 lokalisierten Glycin 190 interagieren. Darüber hinaus wurde ein in der luminalen Lhca4-Schleife lokalisiertes Phenylalanin 84 als Interaktionspartner des Tryptophans 185 im C-Terminus von Lhca1 identifiziert. Der simultane Austausch des Isoleucins 109 und Lysins 110 in der stromalen Schleife des Lhca4, konnte deren Einfluss auf die Dimerisierung belegen. Nachdem bislang an der Dimerbildung beteiligte Aminosäuren am N- und C-Terminus des Lhca1 und Lhca4 identifiziert werden konnten, wurden in dieser Arbeit viele an einer Dimerbildung beteiligten Proteinbereiche und Aminosäuren in der Helix 2 und den Schleifenregionen des Lhca4 identifiziert. Um alle an der Lhca1-Lhca4-Interaktion beteiligten Aminosäuren aufzuklären, müssten durch Mutationsanalysen die in der stromalen Lhca4-Schleife vermuteten Interaktionspartner des für die Dimerisierung wichtigen Tryptophans 4 am N-Terminus von Lhca1 identifiziert, und die in der Helix 3 des Lhca1 vermuteten Interaktionspartner der Helix 2 des Lhca4 ermittelt werden.

Structural analysis of a UAV wing through image processing and FEM

Analisi strutturale dell’ala di un UAV (velivolo senza pilota a bordo), sviluppata usando varie metodologie: misurazioni sperimentali statiche e dinamiche, e simulazioni numeriche con l’utilizzo di programmi agli elementi finiti. L’analisi statica è stata a sua volta portata avanti seguendo due differenti metodi: la classica e diretta determinazione degli spostamenti mediante l’utilizzo di un catetometro e un metodo visivo, basato sull’elaborazione di immagini e sviluppato appositamente a tale scopo in ambiente Matlab. Oltre a ciò è stata svolta anche una analisi FEM volta a valutare l’errore che si ottiene affrontando il problema con uno studio numerico. Su tale modello FEM è stata svolta anche una analisi di tipo dinamico con lo scopo di confrontare tali dati con i dati derivanti da un test dinamico sperimentale per ottenere informazioni utili per una seguente possibile analisi aeroelastica.

Light harvesting and orbital tuning : perylene monoimides and diimides for photovoltaic purposes

Die vorliegende Dissertation beschaftigt sich mit der Steuerung der Absorption und Orbitalenergien von Perylenmonoimiden und Perylendiimiden fur die Anwendung in organischer Photovoltaik (OPV). Eine breite Absorption spielt hier eine wichtige Rolle, um moglichst viel Licht zu ernten, das dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Um sicher zu stellen, dass die Zelle ezient arbeiten kann, ist die Abstimmung von Orbitalenergien eine zweite wichtige Voraussetzung. Es werden drei neue Design-Konzepte fur Perylenmonoimid-Sensibilatoren fur Festk orper-Farbstosolarzellen (solid-state dye-sensitised solar cells - sDSSCs) untersucht. Die Synthese, die optischen und elektronischen Eigenschaften der neuen Sensibilisator- Verbindungen sowie ihre Leistungsdaten in sDSSCs werden beschrieben und diskutiert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte reichen von der Einfuhrung von - Abstandhaltern uber neue Funktionalisierungen bis hin zur Erweiterung der Perylenmonimid Grundkorper. Der Push-Pull-Charakter der Systeme variiert von starker Kopplung bis zu kompletter Entkopplung des Donors vom Akzeptor. Dies hat einen starken Ein uss sowohl auf die Absorptionseigenschaften, als auch auf die HOMO/LUMO Energie-Niveaus der Verbindungen. Einige der Konzepte konnen auf Perylendiimide ubertragen werden. Ein Beispiel von Perylendiimid (PDI)-Farbsteuerung wird an einer Reihe von drei Terthiophen-PDIs gezeigt

Structural analysis of Heschl's gyrus in schizophrenia patients with auditory hallucinations

Heschl's gyrus (HG) is functionally involved in the genesis of auditory verbal hallucinations (AVH). This dysfunction seems to be structurally facilitated. The aim of the study was to analyze macrostructural features of HG in a group of patients reporting AVH who demonstrated white matter diffusion tensor imaging abnormalities reported previously.

Structural Analysis of alpha-Fetoprotein (AFP)-like Peptides with Anti-Breast-Cancer Properties

The abundance of alpha-fetoprotein (AFP), a natural protein produced by the fetal yolk sac during pregnancy, correlates with lower incidence of estrogen receptor positive (ER+) breast cancer. The pharmacophore region of AFP has been narrowed down to a four amino acid (AA) region in the third domain of the 591 AA peptide. Our computational study focuses on a 4-mer segment consisting of the amino acids threonine-proline-valine-asparagine (TPVN). We have run replica exchange molecular dynamics (REMD) simulations and used 120 configurational snapshots from the total trajectory as starting configurations for quantum chemical calculations. We optimized structures using semiempirical (PM3, PM6, PM6-D2, PM6-H2, PM6-DH+, PM6-DH2) and density functional methods (TPSS, PBE0, M06-2X). By comparing the accuracy of these methods against RI-MP2 benchmarks, we devised a protocol for calculating the lowest energy conformers of these peptides accurately and efficiently. This protocol screens out high-energy conformers using lower levels of theory and outlines a general method for predicting small peptide structures.

Reconstitution of mitochondrial ATP synthase into lipid bilayers for structural analysis

Mitochondrial F(1)F(o)-ATP synthase is a molecular motor that couples the energy generated by oxidative metabolism to the synthesis of ATP. Direct visualization of the rotary action of the bacterial ATP synthase has been well characterized. However, direct observation of rotation of the mitochondrial enzyme has not been reported yet. Here, we describe two methods to reconstitute mitochondrial F(1)F(o)-ATP synthase into lipid bilayers suitable for structure analysis by electron and atomic force microscopy (AFM). Proteoliposomes densely packed with bovine heart mitochondria F(1)F(o)-ATP synthase were obtained upon detergent removal from ternary mixtures (lipid, detergent and protein). Two-dimensional crystals of recombinant hexahistidine-tagged yeast F(1)F(o)-ATP synthase were grown using the supported monolayer technique. Because the hexahistidine-tag is located at the F(1) catalytic subcomplex, ATP synthases were oriented unidirectionally in such two-dimensional crystals, exposing F(1) to the lipid monolayer and the F(o) membrane region to the bulk solution. This configuration opens a new avenue for the determination of the c-ring stoichiometry of unknown hexahistidine-tagged ATP synthases and the organization of the membrane intrinsic subunits within F(o) by electron microscopy and AFM.

GH mutant (R77C) in a pedigree presenting with the delay of growth and pubertal development: structural analysis of the mutant and evaluation of the biological activity

A heterozygous missense mutation in the GH-1 gene converting codon 77 from arginine (R) to cysteine (C), which was previously reported to have some GH antagonistic effect, was identified in a Syrian family. The index patient, a boy, was referred for assessment of his short stature (-2.5 SDS) at the age of 6 years. His mother and grandfather were also carrying the same mutation, but did not differ in adult height from the other unaffected family members. Hormonal examination in all affected subjects revealed increased basal GH, low IGF-I concentrations, and subnormal IGF-I response in generation test leading to the diagnosis of partial GH insensitivity. However, GH receptor gene (GHR) sequencing demonstrated no abnormalities. As other family members carrying the GH-R77C form showed similar alterations at the hormonal level, but presented with normal final height, no GH therapy was given to the boy, but he was followed through his pubertal development which was delayed. At the age of 20 years he reached his final height, which was normal within his parental target height. Functional characterization of the GH-R77C, assessed through activation of Jak2/Stat5 pathway, revealed no differences in the bioactivity between wild-type-GH (wt-GH) and GH-R77C. Detailed structural analysis indicated that the structure of GH-R77C, in terms of disulfide bond formation, is almost identical to that of the wt-GH despite the introduced mutation (Cys77). Previous studies from our group demonstrated a reduced capability of GH-R77C to induce GHR/GH-binding protein (GHBP) gene transcription rate when compared with wt-GH. Therefore, reduced GHR/GHBP expression might well be the possible cause for the partial GH insensitivity found in our patients. In addition, this group of patients deserve further attention because they could represent a distinct clinical entity underlining that an altered GH peptide may also have a direct impact on GHR/GHBP gene expression causing partial GH insensitivity. This might be responsible for the delay of growth and pubertal development. Finally, we clearly demonstrate that GH-R77C is not invariably associated with short stature, but that great care needs to be taken in ascribing growth failure to various heterozygous mutations affecting the GH-IGF axis and that careful functional studies are mandatory.

Structural analysis of B-Box 2 from MuRF1: identification of a novel self-association pattern in a RING-like fold

The B-box motif is the defining feature of the TRIM family of proteins, characterized by a RING finger-B-box-coiled coil tripartite fold. We have elucidated the crystal structure of B-box 2 (B2) from MuRF1, a TRIM protein that supports a wide variety of protein interactions in the sarcomere and regulates the trophic state of striated muscle tissue. MuRF1 B2 coordinates two zinc ions through a cross-brace alpha/beta-topology typical of members of the RING finger superfamily. However, it self-associates into dimers with high affinity. The dimerization pattern is mediated by the helical component of this fold and is unique among RING-like folds. This B2 reveals a long shallow groove that encircles the C-terminal metal binding site ZnII and appears as the defining protein-protein interaction feature of this domain. A cluster of conserved hydrophobic residues in this groove and, in particular, a highly conserved aromatic residue (Y133 in MuRF1 B2) is likely to be central to this role. We expect these findings to aid the future exploration of the cellular function and therapeutic potential of MuRF1.