The de novo design of peptides is a central area of research in chemical biology. Although it is now possible to design helical peptide structures from first principle, designing â-sheets remains a challenge. Significant advances in this area have been made by using molecular scaffolds, which stabilize â-sheets through intramolecular H-bonding involving the scaffold or which direct supramolecular assembly of the conjugate. In my thesis, I have made use of novel strategies, using ferrocene (Fc) as a central scaffold for controlling the secondary structure of peptides. This approach has been highly successful. Four major new strategies are introduced and described in this thesis: <p>a) Cyclization of Fc-peptide conjugates of the type Fc[CO-Xxx-CSA]2 (Xxx = Gly, Ala, Val, Leu) and Fc[CO-Gly-Xxx-CSA]2 (Xxx = Val, Ile; CSA = cysteamine) leads to the clean formation of novel cyclic bioorganometallic conjugates, which exhibit strong intramolecular hydrogen bonding interactions that restrict the mobility of the podand peptide chains. In the latter system, this intermolecular hydrogen bonding interaction was exploited for the design of a novel â-barrel-like structure. For Fc[CO-Gly-Val-CSA]2 and Fc[CO-Gly-Ile-CSA]2 discrete cyclic supramolecular assemblies were formed in which the individual molecules assemble along the rims of the molecules, resulting in the formation of tubular peptide superstructures that possess a central cavity and are filled with water molecules. <p>b) Prior to my work, work by Hirao and Metzler-Nolte clearly showed that the two podand peptide chains in Fc-peptide conjugates are pointing away from each other. This would indicate that extended â-sheets cannot be formed by simply extending the podand peptide chains. In my work, I clearly demonstrate that, in contrast to earlier results, it is possible to use the Fc scaffold to stabilize â-sheet-like interactions in longer peptide chains. Two systems are described in this thesis Fc[CO-Gly-Val-Cys(Bz)-OMe]2 and Fc[CO-Gly-Ile-Cys(Bz)-OMe]2. In both the cases, amino acids are employed that have a high propensity for â-sheet formation. Both Fc-peptide conjugates exhibit strong interstrand hydrogen bonding, resembling that found in â-sheets.<p>c) In this work, I have demonstrated the use of ferrocene amino acid (Fca) to control the structure in peptides. In contrast to previous work by Metzler-Nolte, my work is largely focusing on the design of a repetitive Fca-peptide motif. It is proposed that this repetition will enable strong interactions between the peptide portions of the conjugate, resulting in the formation of an extended structure. To this effect, a series of Fca-conjugates of the type Boc-[Fca-Ala]n-OMe (n = 1-4) was synthesized and fully characterized. All systems display the expected interaction between the Ala residues having a 12-membered hydrogen bonded ring. Such a structural motif resembles that found in naturally occurring â-helical structures of the spike-region of some viral proteins. <p>d) I have also demonstrated the use of a novel Fc-derivative, Fc[NH-Boc]2, to control the structure of podand amino acid chains. Fc-diamine was synthesized by the convenient carbazide route giving this useful scaffold in high yield. This material was converted into its peptide conjugate and the resulting conjugate displays the elusive 14-membered hydrogen bonding ring. <p>Thus, in my work, I have provided a new complementary tool for peptide design that will undoubtedly find applications for the design of de novo proteins in the near future.

The de novo design of peptides is a central area of research in chemical biology. Although it is now possible to design helical peptide structures from first principle, designing â-sheets remains a challenge. Significant advances in this area have been made by using molecular scaffolds, which stabilize â-sheets through intramolecular H-bonding involving the scaffold or which direct supramolecular assembly of the conjugate. In my thesis, I have made use of novel strategies, using ferrocene (Fc) as a central scaffold for controlling the secondary structure of peptides. This approach has been highly successful. Four major new strategies are introduced and described in this thesis: <p>a) Cyclization of Fc-peptide conjugates of the type Fc[CO-Xxx-CSA]2 (Xxx = Gly, Ala, Val, Leu) and Fc[CO-Gly-Xxx-CSA]2 (Xxx = Val, Ile; CSA = cysteamine) leads to the clean formation of novel cyclic bioorganometallic conjugates, which exhibit strong intramolecular hydrogen bonding interactions that restrict the mobility of the podand peptide chains. In the latter system, this intermolecular hydrogen bonding interaction was exploited for the design of a novel â-barrel-like structure. For Fc[CO-Gly-Val-CSA]2 and Fc[CO-Gly-Ile-CSA]2 discrete cyclic supramolecular assemblies were formed in which the individual molecules assemble along the rims of the molecules, resulting in the formation of tubular peptide superstructures that possess a central cavity and are filled with water molecules. <p>b) Prior to my work, work by Hirao and Metzler-Nolte clearly showed that the two podand peptide chains in Fc-peptide conjugates are pointing away from each other. This would indicate that extended â-sheets cannot be formed by simply extending the podand peptide chains. In my work, I clearly demonstrate that, in contrast to earlier results, it is possible to use the Fc scaffold to stabilize â-sheet-like interactions in longer peptide chains. Two systems are described in this thesis Fc[CO-Gly-Val-Cys(Bz)-OMe]2 and Fc[CO-Gly-Ile-Cys(Bz)-OMe]2. In both the cases, amino acids are employed that have a high propensity for â-sheet formation. Both Fc-peptide conjugates exhibit strong interstrand hydrogen bonding, resembling that found in â-sheets.<p>c) In this work, I have demonstrated the use of ferrocene amino acid (Fca) to control the structure in peptides. In contrast to previous work by Metzler-Nolte, my work is largely focusing on the design of a repetitive Fca-peptide motif. It is proposed that this repetition will enable strong interactions between the peptide portions of the conjugate, resulting in the formation of an extended structure. To this effect, a series of Fca-conjugates of the type Boc-[Fca-Ala]n-OMe (n = 1-4) was synthesized and fully characterized. All systems display the expected interaction between the Ala residues having a 12-membered hydrogen bonded ring. Such a structural motif resembles that found in naturally occurring â-helical structures of the spike-region of some viral proteins. <p>d) I have also demonstrated the use of a novel Fc-derivative, Fc[NH-Boc]2, to control the structure of podand amino acid chains. Fc-diamine was synthesized by the convenient carbazide route giving this useful scaffold in high yield. This material was converted into its peptide conjugate and the resulting conjugate displays the elusive 14-membered hydrogen bonding ring. <p>Thus, in my work, I have provided a new complementary tool for peptide design that will undoubtedly find applications for the design of de novo proteins in the near future.

Die Tailspike Proteine (TSP) der Bakteriophagen P22, Sf6 und HK620 dienen der Erkennung von Kohlenhydratstrukturen auf ihren gram-negativen Wirtsbakterien und zeigen, von den ersten 110 Aminosäuren des N-Terminus abgesehen, keine Sequenzübereinstimmung. Mit Röntgenkristallstrukturanalyse konnte gezeigt werden, dass HK620TSP und Sf6TSP ebenfalls zu einer parallelen, rechtsgängigen beta-Helix falten, wie dies schon für P22TSP bekannt war. Die Kohlenhydratbindestelle ist bei Sf6TSP im Vergleich zu P22TSP zwischen die Untereinheiten verschoben. / The bacteriophages P22, Sf6 and HK620 need their tailspike proteins (TSP) for recognition of surface carbohydrates on their gram-negative host bacteria. Sequence identity is completely lacking in their C-terminal 500 to 600 amino acids. The three TSP have the same fold, an oligomeric parallel beta-helix, as shown by crystal structure analyses of HK620TSP and Sf6TSP. Compared with P22TSP, the carbohydrate binding site of Sf6TSP is located at the interface between two monomers and not on a single 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.

Inspiriert von den natürlich vorkommenden Antibiotika der Gramicidin Familie und ihrer d-(alt)-l Aminosäuresequenz, die es diesen Oligopeptiden ermöglicht, eine beta–helikale Sekundärstruktur einzunehmen, war das Hauptziel dieser Arbeit die Synthese und Charakterisierung von Peptiden und diversen Pseudopeptiden mit regulärer all-l und d-(alt)-l Sequenz und die Untersuchung des Einflusses dieser stereochemischen Variation auf die Strukturen und Eigenschaften dieser Verbindungen. Zusätzlich ergab der Austausch von Amid-Bindungen im Peptid-Rückgrat durch verschiedene Isostere diverse, teils einzigartige Pseudopeptid-Strukturen, wohingegen Verzweigung des linearen Peptid-Rückgrates zu sphärischen Molekülen führte. Alle Projekte zielten auf die Entwicklung und Synthese diskreter Oligomere für Strukturuntersuchungen, sowie auf die Einbindung der jeweiligen Strukturelemente in Polymere. Die Polymerization geeigneter Monomere zu Polymeren soll zu makro- und supramolekularen Nano-Objekten führen. Die divergent/konvergente Synthese einer Serie von Oligo-d-(alt)-l-lysinen zielte auf die Generierung hydrophiler, pH-sensitiver nanotubularer Strukturen. Schrittweiser Austausch von Amid-Bindungen des Peptid-Rückgrates durch Ester-(alt)-Urea-Einheiten führte zu all-l und d-(alt)-l Oligopseudoleucinen mit 50% und 0% Amid-Bindungs-Anteil. Design, Synthese und Polymerisation von AB-“Click”-Monomeren, basierend auf all-l and l-(alt)-d lysin Dipeptiden, ergaben hochmolekulare, Triazol-enthaltende Polypseudopeptide, deren Seitenketten mit Pyrenbuttersäure quantitativ postfunktionalisiert werden konnten. Die Einführung von Verzweigung in Glutamat-Peptide ergab chirale Dendrimere mit adressierbaren fokalen und periphären Funktionalitäten, sowie variabler Ladungsdichte. Design, Synthese und Polymerisation eines Glutamat basierenden AB2-“Click”-Monomers lieferte verwandte chirale hyperverzweigte Polypseudopeptide. / Inspired by the naturally occurring antibiotics of the Gramicidin family and their d-(alt)-l amino acid sequence, enabling these oligopeptides to adopt a beta–helical secondary structure, the work presented in this thesis targeted the syn-thesis and characterization of peptides and diverse pseudopeptides with regular all-l and d-(alt)-l sequences and the influence of this stereochemical variation on the compounds’ structures and properties. Further diversification of the struc-tures as obtained by replacing amide bonds in the peptide backbone with differ-ent isosteres, affording unique pseudopeptide structures. In addition spherical molecules were generated by introducing branching into the linear peptide scaf-fold. Throughout all projects, the aim was the design and synthesis of discrete oligomers for structural investigations and the incorporation of the respective structural elements into polymers via the polymerization of suitable monomers, in order to generate nanoscale macromolecular and supramolecular objects. The divergent/convergent synthesis of a series of oligo-d-(alt)-l-lysines targeted the generation of hydrophilic, pH-sensitive nanotubular structures. The stepwise replacement of peptide backbone amide bonds with ester-(alt)-urea moieties afforded all-l and d-(alt)-l oligopseudoleucines with 50% and 0% amide content. The design, synthesis, and polymerization of an AB-“Click”-monomer, based on all-l and l-(alt)-d lysine dipeptides afforded high molecular weight, triazole con-taining polypseudopeptides. Quantitative coupling to pyrene butyric acid afforded the respective side chain labeled polymers. The introduction of branching into glutamate peptides afforded fully chiral den-drimers with addressable focal and peripheral functionalities and variable charge density. The design, synthesis, and polymerization of a glutamate based AB2-“Click”-monomer led to related chiral hyperbranched polypseudopeptides.

Die Pektat-Lyasen gehören zu einer Proteinfamilie, die meistens von pflanzenpathogenen Mikroorganismen sekretiert werden. Die Enzyme katalysieren den Abbau von Polygalakturonsäure, einem Hauptbestandteil in <br /> pflanzlichen Mittellamellen und Primärzellwänden. Der Abbau der alpha-1,4-verbrückten Galakturonsäurereste erfogt durch eine beta-Eliminierungsreaktion, dabei entsteht ein Produkt mit einer ungesättigten C4-C5 Bindung am nicht reduzierenden Ende, das durch spektroskopische Messungen beobachtet werden kann. Für die enzymatische Reaktion der Pektat-Lyasen ist Calcium nötig und das pH-Optimum der Reaktion liegt bei pH 8.5. Alle bis jetzt bekannten Strukturen der Pektat- und Pektin-Lyasen haben das gleiche Strukturmotiv - eine rechtsgängige parallele beta-Helix. Die Struktur der Pektat-Lyase aus Bacillus subtilis (BsPel) ist im Komplex mit Calcium gelöst worden. BsPel ist ein monomeres Protein mit einer ungefähren Molekularmasse von 43 kDa, das keine Disulfidbrücken enthält. Dies erlaubte sowohl eine effiziente rekombinante Expression des Wildtypproteins, als auch von destabilisierten Mutanten im Cytoplasma von E. coli. Parallele beta-Helices sind relativ große, jedoch verhältnismäßig einfach aufgebaute Proteine. Um detailliertere Informationen über die kritischen Schritte bei der in vitro-Faltung von parallelen beta-Helices zu erhalten, sollte in der vorliegenden Arbeit versucht werden, den Faltungsmechanismus dieses Proteins näher zu charakterisieren. Dabei sollte vor allem die Frage geklärt werden, welche Wechselwirkungen für die Stabilität dieses Proteins einerseits und für die Stabilität von essentiellen Faltungsintermediaten andererseits besonders wichtig sind.<BR><br>Rückfaltung von BsPel, ausgehend vom guanidiniumchlorid-denaturierten Zustand, war bei kleinen Proteinkonzentrationen und niedrigen Temperaturen vollständig möglich. GdmCl-induzierte Faltungsübergänge waren aber nicht reversibel und zeigten eine apparente Hysterese. Kinetische Messungen des Fluoreszenz- und CD-Signals im fernen UV ergaben eine extreme Denaturierungsmittelabhängigkeit der Rückfaltungsrate im Bereich des Übergangmittelpunktes. Der extreme Abfall der Rückfaltungsraten mit steigender Denaturierungsmittelkonzentration kann als kooperative <br /> Entfaltung eines essentiellen Faltungsintermediats verstanden werden. Dieses Faltungsintermediat ist temperaturlabil und kann durch den Zusatz Glycerin im Renaturierungspuffer stabilisiert werden, wobei sich die Hysterese verringert, jedoch nicht vollständig aufgehoben wird. Durch reverse Doppelsprungexperimente konnten zwei transiente Faltungsintermediate nachgewiesen werden, die auf zwei parallelen Faltungswegen liegen und beide zum nativen Zustand weiterreagieren können. Fluoreszenzemissionsspektren der beiden Intermediate zeigten, daß beide schon nativähnliche Struktur aufweisen. Kinetische Daten von Prolin-Doppelsprungexperimenten zeigten, daß Prolinisomerisierung den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in der Reaktivierung des denaturierten Enzyms darstellt. Desweiteren konnte durch Prolin-Doppelsprungexperimenten an Mutanten mit Substitutionen im Prolinrest 281 gezeigt werden, daß die langsame Renaturierung von BsPel nicht durch die Isomerisierung der einzigen cis-Peptidbindung an Prolin 281 verursacht wird, sondern durch die Isomerisierung mehrerer trans-Proline. Die beiden beobachteten transienten Faltungsintermediate sind somit wahrscheinlich zwei Populationen von Faltungsintermediaten mit nicht-nativen X-Pro-Peptidbindungen, wobei sich die Populationen durch mindestens eine nicht-native X-Pro-Peptidbindung unterscheiden.<BR><br>Der Austausch des Prolinrestes 281 gegen verschiedene Aminosäuren (Ala, Ile, Leu, Phe, Gly) führte zu einer starken Destabilisierung des nativen Proteins und daneben auch zu einer Reduktion in der Aktivität, da die Mutationsstelle in der Nähe der putativen Substratbindetasche liegt. Die Rückfaltungskinetiken der Prolinmutanten war bei 10&#176;C annähernd gleich zum Wildtyp und die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte der Faltung waren durch die Mutation nicht verändert. Die durch die Mutation verursachte drastische Destabilisierung des nativen Zustands führte zu einem reversiblen Entfaltungsgleichgewicht bei pH 7 und 10&#176;C. GdmCl-induzierte Faltungsübergänge der Mutante P281A zeigten bei Messungen der Tryptophanfluoreszenzemission und der Aktivität einen kooperativen Phasenübergang mit einem Übergangsmittelpunkt bei 1.1 M GdmCl. Durch die Übereinstimmung der Faltungsübergänge bei beiden Messparametern konnten die Faltungsübergänge nach dem Zwei-Zustandsmodell ausgewertet werden. Dabei wurde eine freie Sabilisierungsenthalpie der Faltung für die Mutante von <nobr>-&nbsp;64.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.4&nbsp;kJ/mol</nobr> und eine Kooperativität des Übergangs <br /> von <nobr>-&nbsp;58.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.3&nbsp;kJ/(mol&#183;M)</nobr> bestimmt.<BR> <br /> <br>BsPel enthält, wie die meisten monomeren rechtsgängigen parallelen beta-Helix-Proteine, einen internen Stapel wasserstoffverbrückter Asparagin-Seitenketten. Die Mehrheit der erzeugten Mutanten mit Substitutionen im Zentrum der Asn-Leiter (N271X) waren als enzymatisch aktives Protein zugänglich. Die Auswirkung der Mutation auf die Stabilität und Rückfaltung wurde an den Proteinen BsPel-N271T und BsPel-N271A näher analysiert. Dabei führte die Unterbrechung des Asparaginstapels im Inneren der beta-Helix zu keiner drastischen Destabilisierung des nativen Proteins. Allerdings führten diese Mutationen zu einem temperatur-sensitiven Faltungsphänotyp und die Hysterese im Denaturierungsübergang wurde verstärkt. Offenbar wird durch die Unterbrechung des Asparaginstapel ein essentielles, thermolabiles Faltungsintermediat destabilisiert. Der Asparaginstapel wird somit bei der Faltung sehr früh ausgebildet und ist wahrscheinlich schon im Übergangszustand vorhanden. / Pectate lyases belong to a family of proteins secreted by plant pathogenic microbes. The enzymes cleave alpha-1,4 linked galacturonic acid by a beta-elimination that results in an unsaturated product, which can be quantified spectrophotometrically. Calcium is essential for the activity and the pH-optimum is near 8.5. All known structures of pectate and pectin lyases have the same structural motif - a right handed parallel beta-helix. The structure of pectate lyase from Bacillus subtilis (BsPel) has been solved in complex with calcium. It is a monomeric protein, with a molecular mass of about 43 kDa and without disulfide bonds. This allows its high-yield recombinant expression in the cytoplasm of Escherichia coli. Parallel beta-helices are relative large proteins, however with a simple folding topology. The objective of this work was to characterize the folding mechanism of BsPel. In particular we investigated the role of the interactions of certain residues in the parallel beta-helix for the stability of the native protein and the stability of essential folding intermediates.<br /> <br /> Refolding of BsPel was possible at low protein concentrations and low temperature. However, denaturation of BsPel was not freely reversible. De- and renaturation curves showed a large apparent hysteresis. Furthermore, the folding rate constant deduced from fluorescence and circulardichroism measurements showed a very strong dependence on denaturant concentrations near the midpoint of the renaturation transition. This can be explained with a cooperative unfolding of an essential folding intermediate. Upon stabilisation of the temperature-sensitive intermediate by addition of glycerol in the renaturation buffer, the hysteresis is reduced, but does not disappear. Reverse double mixing kinetic experiments have shown that two transient folding intermediates are on the folding pathway. These intermediates are on parallel pathways and both can fold to the native state. Fluorescence emission spectra have shown the native-like structure of both intermediates. Furthermore, data from proline double mixing kinetic experiments revealed that isomerization of peptidyl-prolyl bonds was responsible for the slow kinetics in the reactivation of the enzyme. However, the isomerization of the single cis-peptidyl-prolyl bond at Pro281 was not responsible for the slowest folding phase observed, but rather the isomerization of other trans-peptidyl-prolyl bonds. Thus, both transient folding intermediates observed probably represent two populations of folding intermediates with non-native X-Pro-peptide bonds. The difference of the two populations is at least one non-native X-Pro-peptide bond.<br /> <br /> Mutations of the proline 281 against various residues (Ala, Ile, Leu, Phe, Gly) resulted in a strong destabilization of the native protein. Also, the activity of the mutant proteins was strong reduced due to the position of the mutation site near the putative active center of the protein. At 10&#176;C the kinetic folding behavior of the proline mutants was not significant changed. However, the strong destabilization of the native state in the proline mutants resulted in a reversible folding equilibrium at pH 7 and 10&#176;C. The unfolding of the P281A mutant was reversible as determined by fluorescence emission and enzyme activity measurements. The coincidence of these detected transitions is consistent with a two-state equilibrium transition. At pH 7 and 10&#176;C the delta G&#176;(H₂O) for folding of P281A was <nobr>-&nbsp;64.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.4&nbsp;kJ/mol,</nobr> with a midpoint of the transition at 1.1 M GdmCl and a cooperativity of <nobr>-&nbsp;58.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.3&nbsp;kJ/(mol&#183;M).</nobr><br /> <br /> BsPel has an asparagine ladder in turn 2 of the parallel beta-helix with extensive network of side-chain hydrogen bonds between the Asn residues. Such an Asn-ladder is a conserved feature of many monomeric beta-helices crystallized so far. The middle Asn residue (271) was selected and exchanged for various residues. Most of the mutants were expressed at 25&#176;C as soluble and active proteins but with a significant reduction in yield. Mutants N271T and N271A were selected to study the stability and refolding of these proteins in comparison with the wild-type protein. The substitution in the Asn-ladder did not drastically destabilize the native protein, but caused a temperature-sensitive-folding (tsf) phenotype with an increased hysteresis in the de- and renaturation transition curves. In addition, the disruption of the Asn-ladder resulted in destabilization of an essential, thermosensitive folding intermediate. Thus, the Asn-ladder is formed very early during the folding, probably well before the transition state of folding.

Oxygen dependent prolyl-4-hydroxylation of the alpha-subunit of the hypoxia inducible transcription factor (HIF-alpha) plays an essential role in the hypoxic response. Hydroxylation of proline residues in the N- or C-terminal oxygen dependent degradation domains (NODD or CODD) increases the affinity of HIF-alpha to the von Hippel-Lindau protein (pVHL) by approx. 1000 fold so signalling for HIF-alpha degradation. With limiting oxygen, HIF-alpha hydroxylation slows, it dimerises with HIF-beta and activates the transcription of a gene array. Prolyl-4-hydroxylation also stabilises the triple helix structure of collagen, the most abundant human protein. Both the collagen and the HIF prolyl hydroxylases (PHDs) are Fe(II) and 2-oxoglutarate (2OG) dependent oxygenases. Crystal structures of PHD2 in complex with CODD were determined in the current study. Together with biochemical analyses, the results demonstrate that catalysis involves a mobile region of PHD2 that encloses the hydroxylation site and stabilises the PHD2.Fe(II).2OG complex. When bound to PHD2 the pyrrolidine ring of the non-hydroxylated proline-residue adopts a C⁴-endo conformation. Evidence is provided that 4R-hydroxylation enables a stereoelectronic effect that changes the proline conformation to the C⁴-exo state, as observed when hydroxylated HIF-alpha is bound to pVHL and in collagen. The results help to rationalise NODD/CODD selectivity data for PHD isoforms and the effects of clinically observed mutations on PHD2 catalysis. Analyses on the interaction of nitric oxide with PHD2 are described and discussed with respect to regulation of the hypoxic response by nitric oxide.