NMR-Spektroskopische Untersuchungen der Struktur und Dynamik zweier Modellpeptide

Die hohe Dynamik von Biomakromolekülen und ihrer Solvathülle sind miteinander gekoppelt und stehen in direktem Zusammenhang mit ihrer Funktion. Diese Arbeit untersucht den Einfluss makromolekularer Enge (Crowding) auf die Dynamik eines Elastin-ähnlichen Peptids (ELP) und die Dynamik der Solvathülle eines Heptapeptids. Um die molekularen Bewegungen in einem weiten Zeit- und Längenbereich zu erfassen, wurden komplementäre Messmethoden kombiniert.

Die Synthese des ELPs, GVG(VPGVG)_3, mittels Festphasenpeptidsynthese bildete die Grundlage für eine umfassende Untersuchung seiner strukturellen und dynamischen Eigenschaften. Die erwartete Strukturierung der Aminosäurekette mit steigender Temperatur aufgrund des inversen Temperaturübergangs (ITT) als besondere Eigenschaft der von Elastin abgeleiteten Peptide konnte in FT-IR-Spektren gezeigt werden. Die in Gegenwart des Crowders Ficoll beobachteten destabilisierenden Effekte auf Sekundärstrukturelemente des ELPs bestätigen, dass Ficoll einen über den Volumenausschluss hinausgehenden einen Einfluss auf Struktur und Dynamik hat. Die mittels NMR-Spektroskopie gemessenen 1H- und 13C-T1-Relaxationszeitkonstanten konnten durch erfolgreiche Zuordnung der NMR-Signale auch sequenzaufgelöst analysiert werden. Es wurde eine durch Temperatur dominierte Dynamik des ELPs und Unterschiede entlang der Aminosäurekette beobachtet. Die mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) bestimmte und durch den Gyrationsradius beschriebene Größe des Peptids deutet auf eine temperatur- und konzentrationsabhängige Aggregation hin. Die Kombination von hochauflösender und statischer Feldgradienten-NMR-Spektroskopie wurde zur Messung der translatorischen Diffusion eingesetzt. Es wurde beobachtet, dass die Wasserviskosität die temperaturabhängige Diffusion dominiert, während kein Einfluss von Aggregationseffekten beobachtet wurde. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der NMR- und SANS-Messungen und der unterschiedlichen Prinzipien der verwendeten Messmethoden wurde schließlich ein hochdynamischer Aggregationsmechanismus auf der Basis schwacher Wechselwirkungen vorgeschlagen, der eine nahezu freie Diffusion des Peptids ermöglicht und erst bei hohen Konzentrationen verlangsamt wird. Diese Erkenntnisse tragen zum Verständnis des Diffusionsverhaltens intrinsisch ungeordneter Peptide (IDPs) bei.

Im zweiten Teil wurde die Dynamik der Solvathülle eines Heptapeptids untersucht. Die Triplett-Solvationsdynamik (TSD) wurde erstmals auf ein Biomolekül angewendet. Indol, als funktionelle Gruppe des Tryptophans, diente als TSD-Sonde. Die Methode ermöglichte die Beobachtung der Millisekunden-Dynamik der Solvathülle bei tiefen Temperaturen. Die Dynamik des gebundenen Lösungsmittels war im Vergleich zum Bulk-Wasser stark verzögert. Die Ergebnisse zeigen, dass TSD geeignet ist, lokale Dynamiken in Biomolekülen zu untersuchen und Relaxationsprozesse in der Solvathülle zu analysieren. Diese Arbeit liefert neue Einblicke in die Dynamik von ELPs und Solvathüllen, die für biophysikalische und biomedizinische Anwendungen von Bedeutung sind.

The high dynamics of biomacromolecules and their solvation shells are linked and directly related to their function. This work investigates the influence of macromolecular crowding on the dynamics of an elastin-like peptide (ELP) and the dynamics of the solvation shell of a heptapeptide. Complementary measurement techniques were combined to capture molecular motions over a wide range of time and length scales.

The synthesis of the ELP, GVG(VPGVG)_3, by solid-phase peptide synthesis provided the basis for a comprehensive investigation of its structural and dynamic properties. The expected structuring of the amino acid chain with increasing temperature due to the inverse temperature transition (ITT), a characteristic property of elastin-derived peptides, was demonstrated in FT-IR spectra. The destabilising effects on secondary structural elements of ELP observed in the presence of the crowding agent Ficoll confirm that Ficoll influences the structure and dynamics beyond the excluded volume effect. The 1H and 13C T1 relaxation time constants measured by NMR spectroscopy have been successfully assigned to specific sequences, allowing sequence-resolved analysis. A temperature-dominated dynamic of the ELP and differences along the amino acid chain were observed. The size of the peptide, described by the radius of gyration and determined by small angle neutron scattering (SANS), indicates temperature and concentration dependent aggregation. The combination of high resolution and static field gradient (PFG, SFG) NMR spectroscopy was used to measure translational diffusion. It was observed that water viscosity dominates the temperature dependent diffusion, while no influence of aggregation effects was detected. Considering the results of the NMR and SANS measurements and the different principles of the methods used, a highly dynamic aggregation mechanism based on weak interactions was proposed. This mechanism allows almost free diffusion of the peptide, which is only slowed down at high concentrations. These results contribute to the understanding of the diffusion behaviour of intrinsically disordered peptides (IDPs).

In the second part, the dynamics of the solvation shell of a heptapeptide was investigated. The triplet solvation dynamics (TSD) method was applied to a biomolecule for the first time. Indole, as functional group of tryptophan, served as a TSD probe. The method allowed the millisecond dynamics of the solvation shell to be observed at low temperatures. The dynamics of the bound solvent was significantly delayed compared to bulk water. The results demonstrate that TSD is suitable for studying local dynamics in biomolecules and for analysing relaxation processes in the solvation shell. This work provides new insights into the dynamics of ELPs and solvation shells, which are important for biophysical and biomedical applications.