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Experimentelle Untersuchungen zur Dynamik an Protein-Lösungsmittel-Systemen

Demuth, Dominik (2020):
Experimentelle Untersuchungen zur Dynamik an Protein-Lösungsmittel-Systemen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011351,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchungen zur Dynamik an Protein-Lösungsmittel-Systemen
Language: German
Abstract:

Proteindynamik ist eine grundsätzliche Notwendigkeit für ihre Funktionalität und ermöglicht Leben. Die Umgebung eines Proteins spielt eine entscheidende Rolle dabei, die Beweglichkeit von Proteinen zu ermöglichen. Obwohl diese Auffassung kaum bestritten wird, sind die mikroskopischen Ursachen der Wechselwirkungen zwischen einem Protein und dem umgebenden Lösungsmittel noch nicht vollständig geklärt. In dieser Arbeit wurden sowohl das Protein als auch das Lösungsmittel variiert, um sich dieser Problematik zu nähern. Im Speziellen wurden die strukturell höchst unterschiedlichen Proteine Elastin und Lysozym verwendet. Es wurden verschiedene Lösungsmittelsysteme untersucht um die Eigenschaften der Lösungsmittelhülle zu verändern. Zu diesem Zweck wurden Wasser, Glycerin und binäre Wasser-Glycerin-Mischung in Verbindung mit Elastin sowie binäre Wasser-Dimethylsulfoxid-Mischungen zusammen mit Lysozym untersucht. Eine Kombination aus quasielastischer Neutronenstreuung, dielektrischer Spektroskopie und Kernspinresonanzspektroskopie wurde über einen großen Temperaturbereich angewendet, um die Stärken der einzelnen Methoden zu nutzen. An Elastin in reinem Glycerin wurde die Abhängigkeit der Proteindynamik vom Solvatationsgrad untersucht. Die untere Grenze für großamplitudige Fluktuationen des Proteinrückgrats liegt bei Umgebungstemperatur durch einen Solvatationsgrand 0,6 g/g, während kleinamplitudige Fluktuationen bereits bei einem niedrigeren Solvatationsgrad von 0,2g/g aktiviert werden. Alle Systeme zeigen eine enge Kopplung der Proteindynamik an das Lösungsmittel. In binären Mischungen weist Elastindynamik eine starke Abhängigkeit von der Lösungsmittelzusammensetzung und damit von der Viskosität des Lösungsmittel auf. Im Gegensatz dazu hängt die Lösungsmitteldynamik an der Proteinoberfläche nur schwach von der Zusammensetzung ab, es konnte aber eine starke Abhängigkeit vom Solvatationsgrad beobachtet werden. Glycerindynamik in den binären Mischungssystemen ist bei niedrigen Solvatationsgraden, d.h. bei Abwesenheit großamplitudiger Proteinfluktuationen, im Vergleich zum entsprechenden Bulksystem verlangsamt und stärker Arrhenius-förmig. Bei höheren Solvatationsgraden findet die Lösungsmitteldynamik auf einer zum entsprechenden Bulksystem vergleichbaren Zeitskala statt. Sie ist jedoch symmetrisch verbreitert und weist Kennzeichen auf, die mit sekundären Relaxationsprozessen verknüpft werden. Das mittlere Verschiebungsquadrat hydratisierten Elastins, das mit Hilfe von Neutronenstreuung gewonnen wurde, zeigt auf der Nanosekundenzeitskala zwei Übergänge in der Temperaturabhängigkeit, die durch Hydratation ermöglicht werden: Ein Übergang der Proteindynamik bei 320 K tritt aufgrund des Glasübergang des Proteinsystems auf. Es konnte gezeigt werden, dass der zweite Übergang bei 200 K nur schwach von der Wahl des Proteins abhängt. Die Ursache dieses Übergangs ist verbunden mit einem dem Glasübergang ähnlichen Arrest eines sekundären Proteinprozesses. Dieser ist möglicherweise mit kleinwinkligen Fluktuationen des Proteinrückgrats verknüpft, die in früheren Untersuchungen beobachtet wurden. Erklärungsansätze zur Beschreibung von Protein-Lösungsmittel-Wechselwirkungen werden vor dem Hintergrund der experimentelle Befunde gegenübergestellt. Keines der diskutierten Modelle ist in der Lage, alle experimentellen Ergebnisse zufriedenstellend zu erklären, was den Bedarf für genauere Modellanschauungen zeigt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Protein dynamics are basic necessities of their functionality and therefore of life. The environment of a protein plays a crucial role to enable protein mobility. Although this view is largely uncontested, the interactions between protein and its surrounding solvent are still not understood on a microscopic level. To approach this issue both protein and solvent were varied. In particular, the structurally highly different proteins elastin and lysozyme were used. Various solvents were studied to alter the properties of the solvent shell. For this purpose, water, glycerol, and binary mixtures of water-glycerol were used in conjunction with elastin; binary mixtures of water-dimethyl sulfoxide together with lysozyme. A combination of quasielastic neutron scattering, dielectric spectroscopy, and nuclear magnetic resonance spectroscopy were applied over a wide temperature range in order to take advantage of these methods’ respective strengths. For elastin in pure glycerol, the dependence of protein dynamics on solvation was investigated. Larger-scale fluctuations of the protein backbone require a minimum glycerol concentration of 0.6 g/g at ambient temperature, while smaller-scale fluctuations are activated at lower solvation levels of 0.2 g/g. In all systems an intimate coupling of protein dynamics to the solvent can be found. In the case of binary solvents, elastin dynamics exhibit a strong dependence on solvent composition and, thus, solvent viscosity. In contrast, the solvent’s dependence on composition is reduced at protein surfaces. However, a strong dependence on solvation can be observed for glycerol. In the absence of large-scale protein fluctuations, i.e. at low solvation levels, glycerol dynamics are retarded and more Arrhenius-like compared to the respective bulk dynamics. For higher solvation levels, solvation dynamics take place on a comparable timescale as its bulk counterpart but are symmetrically broadened and show signs more closely associated with secondary relaxation processes. The mean squared displacement of hydrated elastin, observed via neutron scattering, exhibits two dynamic transition of protein dynamics that are enabled by hydration: One located at 320 K appears as a result of the protein’s glass transition. It is shown that the second transition at 200 K is largely independent of the kind of protein. The origin of this transition is connected with a glass-like arrest of a secondary relaxation protein process and may be linked with the onset of small-angle backbone fluctuation found in previous studies. Theoretical models of protein-solvent interaction are juxtaposed against the background of the experimental findings. None of the discussed models is able to satisfactorily explain all experimental results proofing the need for more refined descriptions.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Molekulare Dynamik in kondensierter Materie
Date Deposited: 17 Jan 2020 15:02
Last Modified: 17 Jan 2020 15:02
DOI: 10.25534/tuprints-00011351
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113510
Referees: Vogel, Prof. Dr. Michael and Stühn, Prof. Dr. Bernd
Refereed: 9 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11351
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