<p>In the present work, the structural, electronic properties, thermodynamic stability and adatom surface movements of oxygen and sulfur adsorption on the Fe surface were studied based on the ab initio method.</p><p>Firstly, the oxygen adsorbed on the iron (100) surface is investigated at the three adsorption sites top, bridge and hollow sites, respectively. Adsorption energy, work function and surface geometries were calculated, the hollow site was found to be the most stable adsorption site, Which is in agreement with the experiments. In addition, the difference charge density of the different adsorption systems was calculated to analyze the interaction and bonding properties between Fe and O. It can be found out that the charge redistribution was related to the geometry relaxation.</p><p>Secondly, the sulfur coverage is considered from a quarter of one monolayer (1ML) to a full monolayer. Our calculated results indicate that the most likely site for S adsorption is the hollow site on Fe (100). We find that the work function and its change Df increased with S coverage, in very good agreement with experiments. Due to a recent discussion regarding the influence of charge transfer on Df, we show that the increase in Df can be explained by the increasing surface dipole moment as a function of S coverage. In addition, the Fe-S bonding was analyzed. Finally, the thermodynamic stabilities of the different structures were evaluated as a function the sulfur chemical potential.</p><p>Finally, a two dimensional (2D) gas model was proposed to simulate the surface active elements, oxygen and sulfur atoms, movement on the Fe (100) surface. The average velocity of oxygen and sulfur atoms was found out to be related to the vibration frequencies and energy barrier in the final expression developed. The calculated results were based on the density function and thermodynamics & statistical physics theories. In addition, this 2D gas model can be used to simulate and give an atomic view of the complex interfacial phenomena in the steelmaking refining process.</p>

Title: Bifunctional chelators for selective copper(II) binding Autor: Bc. Monika Paúrová Department: Department of Inorganic Chemistry, Faculty of Science Supervisor: doc. RNDr. Jan Kotek, Ph.D. Supervisor's e-mail: modrej@natur.cuni.cz Abstract: In this Master thesis, cyclam bifunctional derivatives bearing pendant phosphinate groups (4-methyl-11-p-aminobenzyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-1,8- bis(methylenephosphinic acid)) and phosphonate groups (4-methyl-11-p-aminobenzyl- 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-1,8-bis(methylenephosphonic acid)), were prepared and studied as potential ligands for complexation of divalent copper. These ligands are suitable for binding to a macromolecular carrier. Keywords: radiomedicine, copper, cyclam, chelating agent, phosphinate, phosphonate, kinetic inertness, kinetic lability, thermodynamic stability

<p>Für das Verständnis der Strukturbildung bei Proteinen ist es wichtig, allgemein geltende Prinzipien der Stabilität und Faltung zu verstehen. Bisher wurde viel Arbeit in die Erörterung von Gesetzmäßigkeiten zu den Faltungseigenschaften von globulären Proteinen investiert. Die große Proteinklasse der solenoiden Proteine, zu denen z. B. Leucine-Rich Repeat- (LRR-) oder Ankyrin-Proteine gehören, wurde dahingegen noch wenig untersucht. Die Proteine dieser Klasse sind durch einen stapelförmigen Aufbau von sich wiederholenden typischen Sequenzeinheiten gekennzeichnet, was in der Ausbildung einer elongierten Tertiärstruktur resultiert. In der vorliegenden Arbeit sollte versucht werden, die Stabilität und Faltung eines LRR-Proteins mittels verschiedener biophysikalischer Methoden zu charakterisieren. Als Untersuchungsobjekt diente die für die Infektion ausreichende zentrale LRR-Domäne des Invasionsproteins Internalin B (InlB₂₄₁) des Bakteriums <i>Listeria monocytogenes</i>. Des weiteren sollten die Integrität und die Stabilitäts- und Faltungseigenschaften der sogenannten Internalin-Domäne (InlB₃₂₁) untersucht werden. Hierbei handelt es sich um die bei allen Mitgliedern der Internalinfamilie vorkommende Domäne, welche aus einer direkten Fusion des C-terminalen Endes der LRR-Domäne mit einer Immunglobulin (Ig)-ähnlichen Domäne besteht.</p> <p>Von beiden Konstrukten konnte eine vollständige thermodynamische Charakterisierung, mit Hilfe von chemisch- bzw. thermisch-induzierten Faltungs- und Entfaltungsübergängen durchgeführt werden. Sowohl InlB₂₄₁ als auch InlB₃₂₁ zeigen einen reversiblen und kooperativen Verlauf der chemisch-induzierten Gleichgewichtsübergänge, was die Anwendung eines Zweizustandsmodells zur Beschreibung der Daten erlaubte. Die zusätzliche Ig-ähnliche Domäne im InlB₃₂₁ resultierte im Vergleich zum InlB₂₄₁ in einer Erhöhung der freien Enthalpie der Entfaltung (8.8 kcal/mol im Vergleich zu 4.7 kcal/mol). Diese Stabilitätszunahme äußerte sich sowohl in einer Verschiebung des Übergangsmittelpunktes zu höheren Guanidiniumchlorid-Konzentrationen als auch in einer Erhöhung der Kooperativität des Gleichgewichtsübergangs (9.7 kcal/mol/M im Vergleich zu 7.1 kcal/mol/M). Diese Beobachtungen zeigen dass die einzelnen Sequenzeinheiten der LRR-Domäne nicht unabhängig voneinander falten und dass die Ig-ähnliche Domäne, obwohl sie nicht direkt mit dem Wirtszellrezeptor während der Invasion interagiert, eine kritische Rolle für die <i style='mso-bidi-font-style:normal'>in&nbsp;vivo</i> Stabilität des Internalin B spielt. Des weiteren spiegelt die Kooperativität des Übergangs die Integrität der Internalin-Domäne wieder und deutet darauf hin, dass bei beiden Proteinen keine Intermediate vorliegen.</p> <p>Kinetische Messungen über Tryptophanfluoreszenz und Fern-UV<span style='color:red'> </span>Circulardichroismus deuteten auf die Existenz eines relativ stabilen Intermediates auf dem Faltungsweg der LRR-Domäne hin. Faltungskinetiken aus einem in pH&nbsp;2 denaturierten Zustand zeigten ein reversibles Verhalten und verliefen über ein Intermediat. Eine Erhöhung der Salzkonzentration des sauer-denaturierten Proteins führte zu einer Kompaktierung der entfalteten Struktur und resultierte im Übergang zu einem alternativ gefalteten Zustand. Bei der Internalin-Domäne deuteten kinetische Messungen des Fluoreszenz- und Fern-UV Circulardichroismus-Signals während der Entfaltung möglicherweise auf die Präsenz von zwei Prozessen hin. Der erste langsame Entfaltungsprozess kurz nach dem Übergangsmittelpunkt zeigte eine starke Abhängigkeit von der Temperatur, während der zweite schnellere Prozess der Entfaltung stärker von der Guanidiniumchlorid-Konzentration abhing. Renaturierungskinetiken zeigten das Auftreten von mindestens einem Faltungsintermediat. Kinetische Daten aus Doppelsprungexperimenten lieferten für die Erklärung der langsamen Faltungsphase zunächst keinen Hinweis auf dass Vorliegen einer Prolinisomerisierungsreaktion. Die vollständige Amplitude während der Renaturierung konnte nicht detektiert werden, weswegen von einer zweiten schnellen Phase im Submillisekundenbereich ausgegangen werden kann.</p> <p>Die Ergebnisse der Faltungskinetiken zeigen, dass die InlB-Konstrukte als Modelle für die Untersuchung der Faltung von Solenoidproteinen verwendet werden können.<span lang=EN-GB style='mso-ansi-language: EN-GB'><o:p></o:p></span></p> / <p class=MsoBodyText><span lang=EN-GB style='mso-ansi-language:EN-GB'>To understand the processes of protein structure formation, it is necessary to investigate protein stability and protein folding kinetics. The focus of many folding studies has been directed at small, globular proteins. The larger class of solenoid proteins, including leucine-rich repeat (LRR) and ankyrin proteins, has not been extensively investigated. These proteins contain tandem repeat motifs, and their tertiary structure consists of a regular linear array of modules that stack to form non-globular elongated or supercoiled structures. In the present work, the folding and stability of the central LRR domain of the invasion protein internalin B (InlB₂₄₁) from the bacterium <i>Listeria monocytogenes</i> was characterized using different biophysical techniques. In addition, the integrity, stability and folding behavior of the so-called internalin-domain (InlB₃₂₁) was investigated. In this single domain, which is found in all members of the internalin-family, an immunoglobulin (Ig)-like domain is directly fused to the C-terminal end of the LRR domain.<span style='color:red'><o:p></o:p></span></span></p> <p class=MsoBodyText><span lang=EN-GB style='mso-ansi-language:EN-GB'>A complete thermodynamic characterization of the stability of both constructs was performed, using chemical- and temperature-induced folding and unfolding transitions. The reversible and cooperative equilibrium transition of InlB₂₄₁ and InlB₃₂₁ allowed the use of a two-state model for the description of the data points. The additional Ig-like domain present in InlB₃₂₁ resulted in an increase of the unfolding free energy (8.8 kcal/mol compared to 4.7 kcal/mol). This resulted both, from a shift of the transition midpoint to higher denaturant concentration, and from an increase in the <i>m</i>-value, the denaturant dependence of the unfolding free energy (9.7 kcal/mol/M compared to 7.1 kcal/mol/M). These observations suggest that the unravelling of the individual structural repeats in the LRR region is a cooperative process and that the tight fusion with the Ig-like domain leads to a dramatically increased stability <i>in vivo</i> without interfering with the functionality of the protein. In addition, the cooperativity of the equilibrium transition reflects the integrity of the internalin-domain, and suggests that both InlB fragments unfold without significantly populated equilibrium intermediates.<o:p></o:p></span></p> <p class=MsoBodyText><span lang=EN-GB style='mso-ansi-language:EN-GB'>Kinetic measurements with tryptophan fluorescence and far-UV circular dichroism are indicative for the existence of a relative stable intermediate on the folding pathway of the LRR domain. Refolding kinetics from an acid-denatured state showed a reversible behavior and passes off an intermediate. An increase in the salt concentration of the acid-denatured protein results in a transition of the unfolded structure to a compact and alternatively folded state. Unfolding kinetics of the internalin-domain measured by fluorescence and far-UV circular dichroism are indicative for the possible presence of two processes. The first slow unfolding process after the transition midpoint showed a strong dependence on temperature, whereas the second and faster unfolding process showed a stronger dependence on the denaturant concentration. Renaturation kinetics indicated the existence of at least one folding intermediate. Preliminary double-mixing experiments revealed no evidence for a rate-limiting proline isomerization reaction. It was not possible to detect the complete amplitude of the renaturation reaction, suggesting existence of a second faster phase occuring in the submillisecond range.<o:p></o:p></span></p> <p class=MsoBodyText><span lang=EN-GB style='mso-ansi-language:EN-GB'>The results on folding kinetics prove the InlB constructs to be suitable models for the investigation of solenoid protein folding by techniques of high structural resolution.<o:p></o:p></span></p>

Das homotrimere Tailspikeadhäsin des Bakteriophagen P22 ist ein etabliertes Modellsystem, dessen Faltung, Assemblierung und Stabilität in vivo und in vitro umfassend charakterisiert ist. Das zentrale Strukturmotiv des Proteins ist eine parallele beta-Helix mit 13 Windungen, die von einer N‑terminalen Kapsidbindedomäne und einer C‑terminalen Trimerisierungsdomäne flankiert wird. Jede Windung beinhaltet drei kurze beta-Stränge, die durch turns und loops unterschiedlicher Länge verbunden sind. Durch den sich strukturell wiederholenden, spulenförmigen Aufbau formen beta-Stränge benachbarter Windungen elongierte beta-Faltblätter. Das Lumen der beta-Helix beinhaltet größtenteils hydrophobe Seitenketten, welche linear und sehr regelmäßig entlang der Längsachse gestapelt sind. Eine hoch repetitive Struktur, ausgedehnte beta-Faltblätter und die regelmäßige Anordnung von ähnlichen oder identischen Seitenketten entlang der beta-Faltblattachse sind ebenfalls typische Kennzeichen von Amyloidfibrillen, die bei Proteinfaltungskrankheiten wie Alzheimer, der Creutzfeld-Jakob-Krankheit, Chorea Huntington und Typ-II-Diabetes gebildet werden. Es wird vermutet, dass die hohe Stabilität des Tailspikeproteins und auch die der Amyloidfibrille durch Seitenkettenstapelung, einem geordneten Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen und den rigiden, oligomeren Verbund bedingt ist. Um den Einfluss der Seitenkettenstapelung auf die Stabilität, Faltung und Struktur des P22 Tailspikeproteins zu untersuchen, wurden sieben Valine in einem im Lumen der beta-Helix begrabenen Seitenkettenstapel gegen das kleinere und weniger hydrophobe Alanin und das voluminösere Leucin substituiert. Der Einfluss der Mutationen wurde anhand zweier Tailspikevarianten, dem trimeren, N‑terminal verkürzten TSPdeltaN‑Konstrukt und der monomeren, isolierten beta-Helix Domäne analysiert. Generell wurde in den Experimenten deutlich, dass Mutationen zu Alanin stärkere Effekte auslösen als Mutationen zu Leucin. Die dichte und hydrophobe Packung im Kern der beta-Helix bildet somit die Basis für Stabilität und Faltung des Proteins. Anhand hoch aufgelöster Kristallstrukturen jeweils zweier Alanin‑ und Leucin‑Mutanten konnte verdeutlicht werden, dass das Strukturmotiv der parallelen beta-Helix stark formbar ist und mutationsbedingte Änderungen des Seitenkettenvolumens durch kleine und lokale Verschiebung der Haupt‑ und Seitenketten ausgeglichen werden, sodass mögliche Kavitäten gefüllt und sterische Spannung abgebaut werden können. Viele Mutanten zeigten in vivo und in vitro einen temperatursensitiven Faltungsphänotyp (temperature sensitive for folding, tsf), d.h. bei Temperaturerhöhung waren die Ausbeuten des N‑terminal verkürzten Trimers im Vergleich zum Wildtyp deutlich verringert. Weiterführende Experimente zeigten, dass der tsf‑Phänotyp durch die Beeinflussung unterschiedlicher Stadien des Reifungsprozesses oder auch durch die Verminderung der kinetischen Stabilität des nativen Trimers ausgelöst wurde. Durch Untersuchungen am vollständigen und am N‑terminal verkürzten Wildtypprotein wurde gezeigt, dass die Entfaltungsreaktion des Tailspiketrimers komplex ist. Die Verläufe der Kinetiken folgen zwar einem apparenten Zweizustandsverhalten, jedoch sind bei Darstellung der Entfaltungsäste im Chevronplot die Abhängigkeiten der Geschwindigkeitskonstanten vom Denaturierungsmittel nicht linear, sondern in unterschiedliche Richtungen gewölbt. Dieses Verhalten könnte durch ein hoch energetisches Entfaltungsintermediat, einen breiten Übergangsbereich oder parallele Entfaltungswege hervorgerufen sein. Mit Hilfe der monomeren, isolierten beta-Helix Domäne, bei der die N‑terminale Capsidbindedomäne und die C‑terminale Trimerisierungsdomäne deletiert sind und welche als unabhängige Faltungseinheit fungiert, wurde gezeigt, dass alle Mutanten im Harnstoff‑induzierten Gleichgewicht analog zum Wildtypprotein einem Zweizustandsverhalten mit vergleichbaren Kooperativitäten folgen. Die konformationellen Stabilitäten von in der beta-Helix zentral gelegenen Alanin‑ und Leucin‑Mutanten sind stark vermindert, während Mutationen in äußeren Bereichen der Domäne keinen Einfluss auf die Stabilität der beta-Helix haben. Bei Verlängerung der Inkubationszeiten der Gleichgewichtsexperimente konnte die langsame Bildung von Aggregaten im Übergangsbereich der destabilisierten Mutanten detektiert werden. Die in der Arbeit erlangten Erkenntnisse lassen vermuten, dass die isolierte beta-Helix einem für die Reifung des Tailspikeproteins entscheidenden thermolabilen Faltungsintermediat auf Monomerebene sehr ähnlich ist. Im Intermediat ist ein zentraler Kern, der die Windungen 4 bis 7 und die „Rückenflosse“ beinhaltet, stabilitätsbestimmend. Dieser Kern könnte als Faltungsnukleus dienen, an den sich sequenziell weitere Helixwindungen anlagern und im Zuge der „Monomerreifung“ kompaktieren. / The homotrimeric tailspike adhesin of bacteriophage P22 is a widely used model system for studying different aspects of multi-domain protein folding, assembly and stability, both in vivo and in vitro. The central domain of the tailspike protein is a 13-turn right-handed parallel beta-helix, flanked by an N-terminal capsid-binding domain and a C-terminal trimerization domain. In the beta-helix motif the polypeptide backbone winds up to form a right-handed helix, with each coil consisting of three short beta-strands connected by turns and loops of varying lengths. Due to this repetitive and solenoidal structure, beta-strands of adjacent coils participate in building up three elongated beta-sheets. The internal lumen of the beta-helix is tightly packed and contains mostly hydrophobic side-chains, which are stacked along the helical axis in a linear and very regular manner. A highly repetitive structure, elongated beta-sheets and stacking of similar or identical side chains along the beta-sheet axis are also typical characteristics of amyloid fibrils, which are associated with protein folding diseases such as Alzheimer’s disease, Creutzfeldt-Jacob disease, Huntington’s disease and type II diabetes. It is assumed that the high stability of both, the tailspike protein and amyloid fibrils, is determined by side chain stacking, a well‑ordered network of H-bonds and the rigid, oligomeric state. To systematically investigate the influence of side chain stacking for stability, folding and structure of the P22 tailspike protein, a hydrophobic stack located in the lumen of the beta-helix domain was subjected to site-directed mutagenesis. Each of seven valine residues, distributed over the whole length of the beta-helix domain, was substituted by the smaller and less hydrophobic alanine and the bulkier leucine. The influence of these substitutions was investigated with the help of two tailspike protein constructs, namely the N-terminally shortened TSPdeltaN construct and the isolated, monomeric BHX construct. In general, almost all experiments showed that alanine mutations cause a stronger effect than leucine mutations, which demonstrates that the tight and hydrophobic packing in the lumen of the beta-helix domain is the basis for stability and folding of the tailspike protein. High-resolution crystal structures of two alanine and two leucine mutants revealed that the parallel beta-helix motif shows considerable plasticity. Small and local adjustments of side chains and the polypeptide backbone compensate for changes induced by the mutations, herewith potential cavities are filled and steric strain is released. Compared to the wild type, many mutations lead to a temperature sensitive for folding (tsf) phenotype in vivo and in vitro, i.e. mutations reduce folding yields of TSPdeltaN at high temperatures, but had little effect at low temperatures. Our experiments have elucidated that the tsf phenotype was caused either by an impact on different stages of the maturation process or by a reduction of the kinetic stability of the native trimer. Using TSPdeltaN and the complete wild type protein, it was shown that the tailspike trimer unfolds in a complex manner. Although unfolding kinetics exhibit a two-state behaviour, analysis of the apparent rate constants of unfolding in a Chevron plot revealed their non-linear denaturant-dependence. Typically, the natural logarithm of the apparent rate constants depend linearly on the denaturant concentration. However, in case of TSPdeltaN and the complete wild type protein, unfolding branches of the Chevron plot are curved. Such a behaviour could arise from a high energy intermediate on the unfolding pathway, a broad activation barrier or parallel unfolding pathways. The monomeric BHX construct lacks both the N-terminal and C-terminal domain. It folds into a conformation very similar to that of the -helix domain in the tailspike trimer and acts as an independent folding unit. Unfolding and refolding equilibrium transitions of mutant and wild type BHX constructs are reversible and follow a two-state behaviour with comparable cooperativities. However, conformational stabilities of alanine and leucine mutations located in the central part of the beta-helix domain are highly reduced, whereas mutations at the ends of the domain show a wild type-like stability. Furthermore, these destabilizing mutations tend to form aggregates around the transition midpoint when equilibrium experiments were incubated for longer time periods. Taken together, the results suggest that the structure of the isolated beta-helix seems to be similar to an essential, monomeric intermediate during tailspike folding. In this intermediate, a central core including coils 4 to 7 and the dorsal fin determines the stability of the whole folding unit. This core may act as a nucleus on which beta-helix coils can associate in a sequential manner and compact during maturation of the monomer.

Pektatlyase (Pel-15) aus dem alkalophilen Bodenbakterium Bacillus spec. KSM-P15 ist mit 197 Aminosäuren eines der kleinsten, bekannten β-3-Solenoidproteine. Sie spaltet Polygalakturonsäurederivate in einem Ca2+-abhängigen β-Eliminierungsprozess. Wie bei allen Proteinen dieser Enzymfamilie ist auch die Polypeptidkette von Pel-15 zu einer einsträngigen, rechtsgängigen, parallelen β-Helix aufgewunden. In diesem Strukturmotiv enthält jede Windung drei β-Stränge, die jeweils durch flexible Schleifenbereiche miteinander verbunden sind. Insgesamt acht Windungen stapeln sich in Pel-15 übereinander und bilden entlang der Helixachse flächige, parallele β-Faltblätter aus. Im Bereich dieser β-Faltblätter existiert ein ausgedehntes Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen, durch das der hydrophobe Kern, der sich im Inneren der β-Helix befindet, vom umgebenden Lösungsmittel abgeschirmt wird. Besondere Abschlussstrukturen an beiden Enden der β-Helix, wie sie typischerweise bei anderen Ver-tretern dieser Strukturklasse ausgeprägt werden, sind in Pel-15 nicht zu beobachten. Stattdessen sind die terminalen Bereiche der β-Helix über Salzbrücken und hydrophobe Seitenkettenkontakte stabilisiert. In der vorliegenden Dissertation wurde die Pektatlyase Pel-15 hinsichtlich ihres Faltungsgleichgewichtes, ihrer enzymatischen Aktivität und der Kinetik ihrer Strukturbildung charakterisiert. In eine evolutionär konservierte Helixwindung wurden destabilisierende Mutationen eingeführt, und deren Auswirkungen mittels spektroskopischer Methoden analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Pel-15 in Gegenwart des Denaturierungsmittels Guanidiniumhydrochlorid einen hyperfluoreszenten Gleichgewichtsustand (HF) populiert, der nach Messungen von Faltungs- und Entfaltungskinetiken ein konformationelles Ensemble aus den Zuständen HFslow und HFfast darstellt. Diese HF-Zustände sind durch eine hohe Aktivierungsbarriere voneinander getrennt. In Rückfaltungsexperimenten populieren nur etwa 80 % der faltenden Moleküle den Zwischenzustand HFslow, der mit einer Zeitkonstante von ca. 100 s zu HFfast weiterreagiert. Die Denaturierungsmittelabhängigkeit dieser Reaktion ist sehr gering, was eine trans-/cis-Prolylisomerisierung als geschwindigkeitslimitierenden Schritt nahelegt. Die Existenz eines cis-Peptides in der nativen Struktur macht es erforderlich, den denaturierten Zustand als ein Ensemble kinetisch separierter Konformationen, kurz: DSE, zu betrachten, das durch die Spezies Ufast und Uslow populiert wird. Nach dem in dieser Arbeit aufgestellten „Minimalmodell der Pel-15 Faltung“ stehen die HF-Spezies (HFslow, HFfast) mit den Konformationen des DSE in einem thermodynamischen Kreisprozess. Das Modell positioniert HFfast und die native Konformation N auf die „native Seite“ der Aktivierungsbarriere und trägt damit der Tatsache Rechnung, dass die Gleichgewichtseinstellung zwischen diesen Spezies zu schnell ist, um mit manuellen Techniken erfasst zu werden. Die hochaffine Bindung von Ca2+ (Kd = 10 μM) verschiebt sich das Faltungsgleichgewicht bereits in Gegenwart von 1 mM CaCl2 soweit auf die Seite des nativen Zustandes, das HFfast nicht länger nachweisbar ist. Entgegen anfänglicher Vermutungen kommt einer lokalen, evolutionär konservierten Disulfidbrücke im Zentrum der β-Helix eine wichtige Stabilisierungsfunktion zu. Die Disulfidbrücke befindet sich in einem kurzen Schleifenbereich der β-Helix nahe dem aktiven Zentrum. Obwohl ihr Austausch gegen die Reste Val und Ala die freie Stabilisierungsenthalpie des Proteins um ca. 10 kJ/mol reduziert, lässt die Struktur im Bereich der Mutationsstelle keine gravierende Veränderung erkennen. Auch die katalytisch relevante Ca2+-Bindungsaffinität bleibt unbeeinflusst; dennoch zeigen Enzymaktivitätstests für VA-Mutanten eine Reduktion der enzymatischen Aktivität um fast 50 % an. Die evolutionär konservierte Helixwindung im Allgemeinen und die in ihr enthaltene Disulfidbrücke im Besonderen müssen nach den vorliegenden Ergebnissen also eine zentrale Funktion sowohl für die Struktur des katalytischen Zentrums als auch für die Strukturbildung der β-Helix während der Faltungsreaktion besitzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit finden in mehreren Punkten Anklang an Faltungseigenschaften, die für andere β -Helixproteine beschrieben wurden. Vor allem aber prädestinieren sie Pel-15 als ein neues, β-helikales Modellprotein. Aufgrund seiner einfachen Topologie, seiner niedrigen Windungszahl und seiner hohen thermodynamischen Stabilität ist Pel-15 sehr gut geeignet, die Determinanten von Stabilität und Strukturbildung des parallelen β-Helix-Motivs in einer Auflösung zu studieren, die aufgrund der Komplexität bestehender β-helikaler Modellsysteme bislang nicht zur Verfügung stand. / Pectate lyase Pel-15 was isolated from alcaliphlic Bacillus spec. strain KSM-P15. Like all pectate lyases Pel-15 binds and subsequently cleaves polygalacturonic acid, the main pectic compound in plant cell walls and middle lamellae, in a Ca2+ dependent beta-elimination reaction. With 197 amino acids and a molecular mass of only 21 kDa the protein is one of the smallest right-handed parallel beta-helical proteins known today. Polypeptide chains that are classified into this structural family adopt super-helical folds in which each “solenoid stack” consists of three beta-structured regions that are connected by flexible turn segments. Along its longitudinal axis the right-handed parallel beta-helix thus comprises three elongated parallel beta-sheets that are stabilized by an extensive network of hydrogen bonds wrapping around the densely packed hydrophobic core. Together with the shield-like arrangement of hydrogen bonds this hydrophobic core is considered as the main contributor to an exceptionally high stability that is a common feature of all beta-helical proteins. In contrast to most right-handed parallel beta-helices, Pel-15 is devoid of any terminal capping domains and laterally associated secondary structure. Therefore, this protein is considered to be a promising model protein of a pure beta-helix which will help to understand the determinants of both parallel beta-sheet formation and stability. In the dissertation at hand optical spectroscopic methods were used to assess the enzymatic activity, the folding/unfolding equilibrium and the kinetic mechanism of structure formation in neutral buffered solutions. Results indicate that Pel-15 populates a hyper-fluorescent equilibrium intermediate (HF) that is effectively populated in presence of the denaturing agent guanidinium hydrochloride (GdmCl). According to kinetic folding and unfolding experiments HF is not only an essential on-pathway intermediate but has to be considered as a conformational ensemble in which several hyperfluorescent states are in thermodynamic equilibrium with each other. According to their existence in kinetic folding trajectories these different HF-species were termed HFslow and HFfast. The activation energy between both states is remarkably high leading to a time constant of about 100 seconds for the reaction HFslow ⇆ HFfast. Since native Pel-15 contains an energetically disfavoured cis-prolyl peptide between A59 and P60 it is proposed that HFslow and HFfast differ in their prolyl peptide conformations. Two main results emerge from this dissertation. First, an extensive study of the Pel-15 folding- and unfolding behaviour facilitated the proposal of a “minimal folding model”. According to this model the HF-states and the according denatured species Uslow and Ufast are aligned into a thermodynamic circle. This implies that unfolded polypeptide chains reach the HF-ensemble via parallel folding trajectories. Since the native conformation N together with HFfast are on the same side of the activation barrier, it is the reaction HFslow ⇆ HFfast that is the rate limiting step in the folding reaction of Pel-15. Second, the importance of an evolutionarily conserved disulfide bond in the central region of Pel-15 was tested by site directed mutagenesis and subsequent spectroscopic characterization. The exchange of the disulfide against a hydrophobic pair of alanine and valine decreases the folding free energy by about 10 kJ/mol. Although this value is unexpectedly high, structural perturbations around both mutational positions are small as was deduced from X-Ray crystallography. Interestingly, the stability decrease is accompanied by a major loss of enzymatic activity while the Ca2+ binding affinity is not significantly affected. It is therefore concluded that the allosterically relevant disulfide bond stabilizes long-range interactions that stabilize several adjacent solenoid turns near the N-terminus of the protein. Indeed, planar stacking interactions are perturbed and flexibility of N-terminal loops is increased once the disulfide bond is removed. This dissertation establishes Pel-15 as a novel beta-helical model protein and – even more important – smoothes the way for a generally accepted perspective on the formation and stability of parallel beta-sheet proteins.

Internalin J (InlJ) gehört zu der Klasse der bakteriellen, cysteinhaltigen (leucine-rich repeat) LRR Proteine. Bei den Internalinen handelt es sich um meist invasions-assoziierte Proteine der Listerien. Die LRR-Domäne von InlJ ist aus 15 regelmäßig wiederkehrenden, stark konservierten Sequenzeinheiten (repeats, 21 Aminosäuren) aufgebaut. Ein interessantes Detail dieses Internalins ist das stark konservierte Cystein innerhalb der repeats. Daraus ergibt sich eine ungewöhnliche Anordnung von 12 Cysteinen in einem Stapel. Die Häufigkeit von Cysteinen in InlJ ist für ein extrazelluläres Protein von L. monocytogenes außergewöhnlich, und die Frage nach ihrer Funktion daher umso brennender. Im Vergleich zum ubiquitären Vorkommen der sogenannten repeat-Proteine in der Natur sind Studien zu ihrer Stabilität und Faltung nicht äquivalent vertreten. Die zentrale Eigenschaft der repeat-Proteine ist ihr modularer Aufbau, der durch einfache Topologie gekennzeichnet ist und auf kurzreichenden Wechselwirkungen basiert. Diese Topologie macht repeat-Proteine zu idealen Modellproteinen, um die stabilitätsrelevanten Wechselwirkungen zu separieren und zuzuordnen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Faltung und Entfaltung von InlJ umfassend charakterisiert und die Relevanz der Cysteine näher beleuchtet. Die spektroskopische Charakterisierung von InlJ zeigte, dass dessen Faltungszustand durch zwei Tryptophane im N- und C-Terminus fluoreszenzspektroskopisch gut zugänglich ist. Die thermodynamische Stabilität wurde mittels fluoreszenz-detektierten, Guanidiniumchlorid-induzierten Gleichgewichtsexperimenten bestimmt. Um die kinetischen Eigenschaften von InlJ zu erfassen, wurden die Faltungs- sowie die Entfaltungsreaktion spektroskopisch untersucht. Die Identifizierung der produktiven Faltungsreaktion war lediglich durch die Anwendung des reversen Doppelsprungexperiments möglich. Die Auswertung erfolgte nach dem Zweizustandsmodell, wonach die Faltung dem „Alles-oder-Nichts“ Prinzip folgt. Die Gültigkeit dieser Annahme wurde durch die kinetische Charakterisierung bestätigt. Es wurde sowohl in den Gleichgewichtsexperimenten als auch in den kinetisch erhaltenen Daten eine hohe freie Stabilisierungsenthalpie festgestellt. Die hohe Stabilität von InlJ geht mit hoher Kooperativität einher. Die kinetischen Daten zeigen zudem, dass die hohe Kooperativität hauptsächlich der Faltungsreaktion entstammt. Der Tanford-Wert von 0.93 impliziert, dass die Oberflächenänderung während der Faltung bereits zum größten Teil erfolgt ist, bevor der Übergangszustand ausgebildet wurde. Direkte strukturelle Informationen über den Übergangszustand wurden mit Hilfe von Mutationsstudien erhalten. Zu diesem Zweck wurden 12 der 14 Cysteine gegen ein Alanin ausgetauscht. Die repeats 1 bis 11 von InlJ beinhalten jeweils ein Cystein, deren Anordnung eine Leiter ergibt. Deren Substitutionen haben einen vergleichbar destabilisierenden Effekt auf InlJ von durchschnittlich 4.8 kJ/mol. Die Verlangsamung der Faltung deutet daraufhin, dass die Interaktionen der repeats 5 bis 11 im Übergangszustand bereits voll ausgebildet sind. Demnach liegt bei InlJ ein zentraler Faltungsnukleus vor. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit wurde eine hohe Stabilität und ein stark-kooperatives Verhalten für das extrazelluläre Protein InlJ beobachtet. Diese Erkenntnisse könnten wichtige Beiträge zur Entwicklung artifizieller repeat-Proteine leisten, deren Verwendung sich stetig ausweitet. / Internalin J (InlJ) is a member of the family of bacterial cysteine-containing leucine-rich repeat (LRR) proteins. Internalins are invasion-associated surface proteins of Listeria monocytogenes. The LRR domain of InlJ consists of 15 repeating units, which are arranged in tandem. The consensus sequence consists of 21 residues. Interestingly, a leucine residue which is highly conserved among the Internalins is replaced by cysteine. This results in a continuous cysteine ladder of 12 repeats. This frequency of cysteines is remarkable for an extracellular protein of L. monocytogenes. Stability and folding of repeat proteins are not equivalently studied considering their ubiquitous distribution in nature. Their modular structure results in simple topology and is dominated by short-range interactions. These characteristic features of repeat proteins facilitate the separation and identification of stabilizing interactions, making repeat proteins to ideal model systems for folding studies. In this work the folding and unfolding of InlJ has been extensively characterized, shedding light on the relevance of the cysteines. Two tryptophans located in the N- and C-terminus allowed monitoring the folding state of the entire protein via fluorescence. Thermodynamic stability was therefore derived by guanidinium chloride induced equilibrium experiments. Furthermore, the chemically induced unfolding and folding reactions were characterized with respect to their kinetics. Interrupted refolding experiments were essential for tracking the productive folding reaction of InlJ. Analysis of the kinetic and equilibrium data leads to the conclusion that the results are compatible with a two-state model. The study presented here reveals high stability of the protein InlJ in conjunction with high cooperativity. Kinetic data disclosed the origin of high cooperativity in the folding reaction; with a Tanford value of about 0.93. This high value implicates that the major change of the accessible surface area occurs before the transition state is formed. Mutational studies provided more detailed structural information about the transition state. 12 of 14 cysteine residues were mutated to alanine for this purpose. The cysteines in repeats 1 to 11 stack over each other and form a ladder of reduced cysteines. The substitution of one of these cysteines has an average destabilizing effect of 4.8 kJ/mol. The deceleration of the folding reaction by the substitution shows that repeats 5 to 11 are already fully structured in the transition state, pointing to a central nucleus in the folding of the LRR-protein InlJ. The extracellular protein InlJ reveals extreme stability and high cooperativity. The insights into the folding of this LRR motif could facilitate the design of further artificial repeat proteins.

L’imagerie par résonnance magnétique trouve depuis ces dernières années des applications notables dans le domaine de l’imagerie moléculaire, qui représente un atout considérable pour l’investigation et la compréhension des processus biologiques. Des agents de contraste dits « intelligents » et spécifiques du processus physiologique que l’on souhaite détecter (pH, température, concentration en ion métallique, métabolite, etc.) sont alors développés. Cette thèse se concentre sur le développement et l’étude de nouveaux agents de contraste conçus pour la détection spécifique de l’activité enzymatique. Ces agents consistent en un complexe de lanthanide paramagnétique de type LnDO3A couplés par le biais d’un espaceur (auto-immolable par exemple) au substrat spécifique de l’enzyme ciblée. Après coupure du substrat par l’enzyme, la structure chimique de l’agent de contraste est modifiée entrainant des variations significatives de la relaxivité et des propriétés paraCEST des complexes. La caractérisation physico-chimique de certains complexes de Ln³⁺ et de Mn²⁺ a été réalisée. Les complexes de Gd³⁺ étudiés ont eu des réponses enzymatiques T1 prometteuses et les complexes de Ln³⁺ paramagnétiques étudiés (autres que Gd³⁺) ont montré une possible détection paraCEST de l’activité enzymatique. Les paramètres influençant l’effet CEST (structure moléculaire du complexe, choix du lanthanide, etc.) ont également été mis en évidence. Cependant la coupure enzymatique de certains composés reste encore à améliorer. / Over the past years, Magnetic Resonance Imaging has found significant applications in the field of molecular imaging, which is a considerable asset for investigating and understanding biological processes. Towards this objective, smart or responsive contrast agents (CA) which are specific of the physiological phenomenon that we aim to visualize (pH, temperature, metal ion concentration, metabolites, etc.) have been widely explored. This thesis focuses on the synthesis and the investigation of novel CAs designed for specific detection of enzyme activities. These CAs consist of a DO3A-type lanthanide chelate coupled via a spacer (e.g. a self-immolative linker) to an enzyme-specific substrate. After cleavage of the substrate by the enzyme, the CA’s chemical structure is modified leading to significant variations in the relaxivity or the paraCEST properties of the complexes. In this context, the physical chemical characterization of several Ln³⁺ and Mn²⁺ complexes has been achieved. Some Gd³⁺ complexes showed promising T1 responses while other paramagnetic Ln³⁺ complexes (Ln³⁺ = other than Gd³⁺) exhibited interesting paraCEST properties for enzymatic detection. The parameters affecting CEST properties (e.g. molecular structure of the complex, choice of lanthanide, etc.) have also been widely investigated. Nevertheless, the enzymatic cleavage of some compounds still need to be improved.

In the present work, the structural, electronic properties, thermodynamic stability and adatom surface movements of oxygen and sulfur adsorption on the Fe surface were studied based on the ab initio method. Firstly, the oxygen adsorbed on the iron (100) surface is investigated at the three adsorption sites top, bridge and hollow sites, respectively. Adsorption energy, work function and surface geometries were calculated, the hollow site was found to be the most stable adsorption site, Which is in agreement with the experiments. In addition, the difference charge density of the different adsorption systems was calculated to analyze the interaction and bonding properties between Fe and O. It can be found out that the charge redistribution was related to the geometry relaxation. Secondly, the sulfur coverage is considered from a quarter of one monolayer (1ML) to a full monolayer. Our calculated results indicate that the most likely site for S adsorption is the hollow site on Fe (100). We find that the work function and its change Df increased with S coverage, in very good agreement with experiments. Due to a recent discussion regarding the influence of charge transfer on Df, we show that the increase in Df can be explained by the increasing surface dipole moment as a function of S coverage. In addition, the Fe-S bonding was analyzed. Finally, the thermodynamic stabilities of the different structures were evaluated as a function the sulfur chemical potential. Finally, a two dimensional (2D) gas model was proposed to simulate the surface active elements, oxygen and sulfur atoms, movement on the Fe (100) surface. The average velocity of oxygen and sulfur atoms was found out to be related to the vibration frequencies and energy barrier in the final expression developed. The calculated results were based on the density function and thermodynamics &amp; statistical physics theories. In addition, this 2D gas model can be used to simulate and give an atomic view of the complex interfacial phenomena in the steelmaking refining process.

La modélisation des équilibres thermodynamiques entre phases est essentielle pour le génie des procédés et le génie pétrolier. L’analyse de la stabilité des phases est un problème de la plus haute importance parmi les calculs d’équilibre des phases. Le calcul de stabilité décide si un système se présente dans un état monophasique ou multiphasique ; si le système se sépare en deux ou plusieurs phases, les résultats du calcul de stabilité fournissent une initialisation de qualité pour les calculs de flash (Michelsen, 1982b), et permettent la validation des résultats des calculs de flash multiphasique. Le problème de la stabilité des phases est résolu par une minimisation sans contraintes de la fonction distance au plan tangent à la surface de l’énergie libre de Gibbs (« tangent plane distance », ou TPD). Une phase est considérée comme étant thermodynamiquement stable si la fonction TPD est non- négative pour tous les points stationnaires, tandis qu’une valeur négative indique une phase thermodynamiquement instable. La surface TPD dans l’espace compositionnel est non- convexe et peut être hautement non linéaire, ce qui fait que les calculs de stabilité peuvent être extrêmement difficiles pour certaines conditions, notamment aux voisinages des singularités. On distingue deux types de singularités : (i) au lieu de la limite du test de stabilité (stability test limit locus, ou STLL), et ii) à la spinodale (la limite intrinsèque de la stabilité thermodynamique). Du point de vue géométrique, la surface TPD présente un point selle, correspondant à une solution non triviale (à la STLL) ou triviale (à la spinodale). Dans le voisinage de ces singularités, le nombre d’itérations de toute méthode de minimisation augmente dramatiquement et la divergence peut survenir. Cet inconvénient est bien plus sévère pour la STLL que pour la spinodale. Le présent mémoire est structuré sur trois grandes lignes : (i) après la présentation du critère du plan tangent à la surface de l’énergie libre de Gibbs, plusieurs solutions itératives (gradient et méthodes d’accélération de la convergence, méthodes de second ordre de Newton et méthodes quasi- Newton), du problème de la stabilité des phases sont présentées et analysées, surtout du point de vue de leurs comportement près des singularités; (ii) Suivant l’analyse des valeurs propres, du conditionnement de la matrice Hessienne et de l’échelle du problème, ainsi que la représentation de la surface de la fonction TPD, la résolution du calcul de la stabilité des phases par la minimisation des fonctions coût modifiées est adoptée. Ces fonctions « coût » sont choisies de telle sorte que tout point stationnaire (y compris les points selle) de la fonction TPD soit converti en minimum global; la Hessienne à la STLL est dans ce cas positif définie, et non indéfinie, ce qui mène a une amélioration des propriétés de convergence, comme montré par plusieurs exemples pour des mélanges représentatifs, synthétiques et naturels. Finalement, (iii) les calculs de stabilité sont menés par une méthode d’optimisation globale, dite de Tunneling. La méthode de Tunneling consiste à détruire (en plaçant un pôle) les minima déjà trouvés par une méthode de minimisation locale, et a tunneliser pour trouver un point situé dans une autre vallée de la surface de la fonction coût qui contient un minimum 9 à une valeur plus petite de la fonction coût; le processus continue jusqu'à ce que les critères du minimum global soient remplis. Plusieurs exemples soigneusement choisis montrent la robustesse et l’efficacité de la méthode de Tunneling pour la minimisation de la fonction TPD, ainsi que pour la minimisation des fonctions coût modifiées. / The thermodynamic phase equilibrium modelling is an essential issue for petroleum and process engineering. Phase stability analysis is a highly important problem among phase equilibrium calculations. The stability computation establishes whether a given mixture is in one or several phases. If a mixture splits into two or more phases, the stability calculations provide valuables initialisation sets for the flash calculations, and allow the validation of multiphase flash calculations. The phase stability problem is solved as an unconstrained minimisation of the tangent plan distance (TPD) function to the Gibbs free energy surface. A phase is thermodynamically stable if the TPD function is non-negative at all its stationary points, while a negative value indicates an unstable case. The TPD surface is non-convex and may be highly non-linear in the compositional space; for this reason, phase stability calculation may be extremely difficult for certain conditions, mainly within the vicinity of singularities. One can distinguish two types of singularities: (i) the stability test limit locus (STLL), and (ii) the intrinsic limit of stability (spinodal). Geometrically, the TPD surface exhibits a saddle point, corresponding to a non-trivial (at the STLL) or trivial solution (at the spinodal). In the immediate vicinity of these singularities, the number of iterations of all minimisation methods increases dramatically, and divergence could occur. This inconvenient is more severe for the STLL than for the spinodal. The work presented herein is structured as follow: (i) after the introduction to the concept of tangent plan distance to the Gibbs free energy surface, several iterative methods (gradient, acceleration methods, second-order Newton and quasi-Newton) are presented, and their behaviour analysed, especially near singularities. (ii) following the analysis of Hessian matrix eigenvalues and conditioning, of problem scaling, as well as of the TPD surface representation, the solution of phase stability computation using modified objective functions is adopted. The latter are chosen in such a manner that any stationary point of the TPD function becomes a global minimum of the modified function; at the STLL, the Hessian matrix is no more indefinite, but positive definite. This leads to a better scheme of convergence as will be shown in various examples for synthetic and naturally occurring mixtures. Finally, (iii) the so-called Tunneling global optimization method is used for the stability analysis. This method consists in destroying the minima already found (by placing poles), and to tunnel to another valley of the modified objective function to find a new minimum with a smaller value of the objective function. The process is resumed when criteria for the global minimum are fulfilled. Several carefully chosen examples demonstrate the robustness and the efficiency of the Tunneling method to minimize the TPD function, as well as the modified objective functions.

The present work was initiated to investigate the surface- and interfacial phenomena for iron and slag/iron systems. The aim was to understand the mechanism of the effect of surface active elements on surface and interfacial properties. In the present work, the adsorption of oxygen and sulfur on iron surface as well as adatom surface movements were studied based on the ab initio method. BCC iron melting phenomena and sulfur diffusion in molten iron were investigated by Monte Carlo simulations. The impact of oxygen potential on interfacial mass transfer was carried out by X-ray sessile drop method. Firstly, the structural, electronic and magnetic properties as well as thermodynamic stability were studied by Density functional theory (DFT). The hollow site was found to be the most stable adsorption site both for oxygen and sulfur adsorbed on iron (100) surface, which is in agreement with the experiment. The relaxation geometries and difference charge density of the different adsorption systems were calculated to analyze the interaction and bonding properties between Fe and O/S. It can be found that the charge redistribution was related to the geometry relaxation. In addition, the sulfur coverage is considered from a quarter of one monolayer (1ML) to a full monolayer. It was found that the work function and its change Δφ increased with S coverage, in very good agreement with experiment. Due to a recent discussion regarding the influence of charge transfer on Δφ, it is shown in the present work that the increase in Δφ can be explained by the increasing surface dipole moment as a function of S coverage. S strongly interacts with the surface Fe layer and decreases the surface magnetic moment as the S coverage increases. Secondly, a two dimensional (2D) gas model based on density functional calculations combined with thermodynamics and statistical physics, was proposed to simulate the movement of the surface active elements, viz. oxygen and sulfur atoms on the Fe(100) surface. The average velocity of oxygen and sulfur atoms was found to be related to the vibration frequencies and energy barrier in the final expression developed. The calculated results were based on the density function and thermodynamics &amp; statistical physics theories. In addition, this 2D gas model can be used to simulate and give an atomic view of the complex interfacial phenomena in the steelmaking refining process. A distance dependent atomistic Monte Carlo model was developed for studying the iron melting phenomenon as well as effect of sulfur on molten iron surface. The effect of boundary conditions on the melting process of an ensemble of bcc iron atoms has been investigated using a Lennard-Jones distance dependent pair potential. The stability of melting process was energetically and spatially analyzed under fixed wall and free surface conditions and the effects of short and long-range interactions were discussed. The role of boundary conditions was significantly reduced when long-range interactions were used in the simulation. This model was further developed for investigating the effect of sulfur on molten iron surface. A combination of fixed wall and free surface boundary condition was found to well-represent the molten bath configuration while considering the second nearest neighbor interactions. Calculations concerning the diffusion of sulfur on molten surface were carried out as a function of temperature and sulfur concentration. Our results show that sulfur atoms tended to diffuse away from the surface into the liquid bulk and the diffusion rate increased by increasing temperature. Finally, impact of oxygen potential on sulfur mass transfer at slag/metal interface, was carried out by X-ray sessile drop method. The movement of sulfur at the slag/metal interface was monitored in dynamic mode at temperature 1873 K under non-equilibrium conditions. The experiments were carried out with pure iron and CaO-SiO2-Al2O3-FeO slag (alumina saturated at the experimental temperature) contained in alumina crucibles with well-controlled partial pressures of oxygen and sulfur. As the partial pressure of oxygen increased, it was found that interfacial velocity as well as the oscillation amplitude increased. The thermo-physical and thermo-chemical properties of slag were also found to influence interfacial velocity. / QC 20101123