Strukturaufklärung gehört zu den wichtigsten Gebieten der Grundlagenforschung, da sie direkte Einblicke in biologische Systeme und ihre Mechanismen liefert. Der NMR Spektroskopie kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, denn sie ermöglicht Forschung unter physiologischen Bedingungen. Dementsprechend ist die Entwicklung neuer Techniken zur Verbesserung dieser Methode weiterhin ein zentrales Forschungsgebiet. Paramagnetische Markierung von Biomolekülen ermöglicht die Bestimmung von NMR Parametern, wie z.B. residuale dipolare Restkopplungen (RDCs) oder Pseudokontaktverschiebungen (PCSs), die für die Strukturaufklärung wertvolle Winkel- und Abstandsinformationen über das Zielmolekül beinhalten. In diesem Zusammenhang wurden Lanthanoidionen-koordinierende Tags entwickelt und erfolgreich an Proteinen angebracht. Durch die paramagnetischen Eigenschaften der Lanthanoidionen wird eine partielle Ausrichtung des Zielmoleküls im Magnetfeld des NMR Spektrometers induziert und somit das Messen residualer dipolarer Kopplungen ermöglicht. Zusätzlich werden die NMR Signale durch eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen dem Lanthanoidion und den Kernen verschoben (PCS). In der konventionellen NMR Spektroskopie werden diese Effekte, aufgrund der Brownschen Molekularbewegung und dem Fehlen eines Metallions, nicht beobachtet. In der Fachliteratur ist ein Transfer dieser Methode auf Oligonukleotide nicht bekannt, obwohl DNA und RNA zu den wichtigsten Biomolekülen überhaupt zählen. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe des kürzlich entwickelten Cys-Ph-TAHA Tags ein Protokoll zur Bestimmung von paramagnetischen Effekten in der DNA entwickelt. Dafür wurde eine modifizierte Nukleobase synthetisiert, die eine passende Bindungsstelle für den Tag aufweist. Mit der neu entwickelten Methode wurden zwei paramagnetische und eine diamagnetische Referenzprobe hergestellt. Mittels hochauflösender NMR Spektroskopie konnten paramagnetisch-induzierte PCSs und RDCs gemessen werden. Die Auswertung zeigte eine hohe Qualität der gemessenen PCSs in beiden paramagnetischen Proben. Die RDCs wiesen einen signifikanten Fehler auf. Die in der NMR Spektroskopie übliche Isotopenmarkierung (13C/15N) ist bei im DNA-Synthesizer hergestellten Oligonukleotiden auf Grund der teuren Ausgangsmaterialien nicht möglich, sodass die hergestellten NMR Proben eine natürliche Isotopenhäufigkeit aufwiesen. In den NMR Spektren zur Bestimmung der RDCs ist damit das Verhältnis von Signal-zu-Rausch relativ niedrig, was zusammen mit der paramagnetischen Relaxationsverstärkung zu einem größeren Messfehler führt. Dennoch konnten die erhaltenen paramagnetischen Daten mit einem Ensemblemodell beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der paramagnetischen Markierung erfolgreich auf die Stoffklasse der Oligonukleotide übertragen. Dabei wurde ein reproduzierbares Protokoll entwickelt, mit dem eine Bindungsstelle in einen DNA Strang eingebaut und das Zielmolekül anschließend mit dem Cys-Ph-TAHA Tag markiert wurde. Die erfolgreiche Anwendung der Methode konnte durch die erhaltenen paramagnetischen Messwerte von hoher Qualität verifiziert werden.

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In dieser Studie wurde der alleinige und gemeinsame Einfluss von 1.6 bis 14.5 mol% Wasser, 1.1 bis 18.3 mol% Fluor (F) und 0.5 bis 1.4 mol% Chlor (Cl) auf die Struktur und Viskosität von peralkalinen und peraluminösen Na2O CaO Al2O3 SiO2 Gläsern und Schmelzen mit ~ 66 mol% SiO2 (auf volatilfreier Basis) untersucht. Die Zusammensetzung der peralkalinen Proben entspricht einem Modellsystem für Phonolithschmelzen. Die wasserfreien Proben wurden in 1 atm Öfen aus Oxid und Karbonatverbindungen sowie Halogeniden hergestellt. Die wasserhaltigen peralkalinen Proben wurden in einer innenbeheizten Gasdruckanlage und die wasserhaltigen peraluminösen Proben in einer Stempelzylinderpresse hergestellt. Die Viskosität der Proben wurde mit der Mikropenetrationstechnik (108.5 1013 Pa s) und der „parallel plate“ Methode (105.5 Pa s 109 Pa s) gemessen. Die Struktur der Gläser wurde mittels „magic angle spinning“ (MAS) Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) anhand der Nuklide 19F, 23Na, 27Al, 29Si and 35Cl analysiert. Fluor und Wasser allein oder in Kombination verringern die Viskosität der Schmelzen, wobei der Effekt von Wasser stärker ist als der von F. Beide Volatile verringern die Viskosität von peraluminösen Schmelzen stärker als in den peralkalinen Schmelzen. Für die peralkalinen Schmelzen wurde eine Verringerung der Viskosität durch F bis zu einer Konzentration von 1.9 mol% F festgestellt, jedoch für eine Konzentration von 6.2 mol% F wurde keine weitere Verringerung der Viskosität festgestellt. In den peraluminösen Schmelzen hingegen wurde bis zu einer Konzentration von 18.3 mol% F ein stetiger Abfall der Viskosität mit zunehmendem Fluorgehalt beobachtet. Der gemeinsame Einfluss von F und Wasser ist auf Grund ihrer jeweiligen Einzeleffekte geringer als angenommen, was zeigt, dass die Effekte von F und Wasser auf die Viskosität nicht unabhängig voneinander sind. Der zusammensetzungs und konzentrationsabhängige Effekt von F auf die Viskosität der Schmelzen stimmt mit Unterschieden im Einbaumechanismus von F überein. 19F MAS NMR Spektren zeigen, dass in den peralkalinen Gläsern F sowohl in „salzartigen“ F Ca(n) und F Na(n) als auch in nicht brückenbildenden Si F Na(n), Al F Ca(n), Al F Na(n) und brückenbildenden Al F Al Umgebungen vorkommt („n“ bedeutet, dass die Anzahl der Atome unklar oder variabel ist). F Ca(n) ist die am häufigsten vorkommende Umgebung, obwohl Ca das am wenigsten häufige Kation in den Proben ist. In den peraluminösen Gläsern existiert F nur in Si F und Al F Umgebungen, wobei Al F Na(n) die am häufigsten vorkommende Umgebung ist. Die Bildung von salzartigen F Ca(n) und F Na(n) Umgebungen sollte zu einem Anstieg der Viskosität durch eine Verringerung der netzwerkmodifizierenden Kationen führen. Die Bildung von Si F und Al F Umgebungen sollte die Viskosität entweder auf Grund einer Reduzierung von brückenbildenden Sauerstoffen durch nicht brückenbildende F oder durch einen Austausch von brückenbildenden Sauerstoffen durch brückenbildende F, welche eine niedrigere Bindungsstärke haben, verringern. Daraus lässt sich schließen, dass F die Viskosität in peralkalinen Schmelzen weniger stark verringert als in peraluminösen Schmelzen, weil F in den peralkalinen Schmelzen in Umgebungen existiert, welche die Viskosität erhöhen oder erniedrigen können, während F in den peraluminösen Schmelzen nur in Umgebungen existiert, welche die Viskosität verringern. Der konzentrationsabhängige Einfluss von F auf die Viskosität in den peralkalinen Schmelzen scheint in Zusammenhang mit einer Änderung in der Fluorspeziation zu stehen: Der relative Anteil von F Ca(n) Umgebungen, von denen anzunehmen ist, dass sie die Viskosität erhöhen, steigt von 42 auf 53% bei einem Anstieg im F Gehalt von 1.2 auf 6.2 mol% F. Veränderungen in der Fluorspeziation scheinen ebenfalls verantwortlich dafür zu sein, dass der Effekt von F und Wasser in Kombination geringer ist als erwartet. 19F MAS NMR Spektren von fluor und wasserhaltigen Proben zeigen, dass der relative Anteil von Al F Umgebungen, von denen anzunehmen ist, dass sie die Viskosität verringern, mit zunehmendem Wassergehalt abnimmt und dass im Gegenzug der relative Anteil von F Ca(n) Umgebungen zunimmt. Mit IR Spektroskopie wurde in den peralkalinen Proben kein Unterschied im OH/H2O Verhältnis bei gleichem Gesamtwassergehalt durch die Präsenz von F beobachtet. Im Gegensatz dazu gibt es starke Hinweise darauf, dass F in den peraluminösen Proben das OH/H2O Verhältnis bei gleichem Gesamtwassergehalt verringert, was erklären würde, weshalb F und Wasser in Kombination die Viskosität weniger verringern als von ihren Einzeleffekten zu erwarten wäre. Der Einfluss von Cl auf die Viskosität und Struktur der Schmelzen und Gläser ist sehr unterschiedlich verglichen mit F. Cl erhöht die Viskosität in den peralkalinen Schmelzen und verringert die Viskosität in den peraluminösen Schmelzen. Viskositätsmessungen von wasserhaltigen, chlorfreien und chlorhaltigen peralkalinen Schmelzen zeigen, dass der Effekt von Cl auf die Viskosität nicht durch die Präsenz von Wasser beeinflusst wird. Das beobachtete 35Cl NMR Signal zeigt, dass sowohl in den peralkalinen als auch in den peraluminösen Gläsern Cl in Na Ca Cl Umgebungen mit einem hohen Na Anteil existiert, was auf Grund des Ca/Na Verhältnisses von 1/5 zu erwarten war. Die Cl Umgebung in den peralkalinen und peraluminösen Gläsern ist ähnlich, jedoch beinhaltet die Cl Umgebung in den peraluminösen Gläsern mehr Ca. In den 35Cl MAS NMR Spektren wurde im Vergleich zu einem Natriumsilikatglas nur ein Teil des 35Cl NMR Signals der peralkalinen und der peraluminösen Proben beobachtet. Das fehlende Signal deutet darauf hin, dass ein Teil der Cl Atome in verzerrten oder ungeordneten Umgebungen existiert, welche eine Signalbreite haben, die zu groß ist, um mit den verwendeten NMR Spektroskopie Methoden gemessen werden zu können. Der Anstieg der Viskosität durch Cl in den peralkalinen Schmelzen kann dadurch erklärt werden, dass Cl die Anzahl der netzwerkmodifizierenden Kationen reduziert, während mehrere Möglichkeiten zur Diskussion stehen, weshalb Cl die Viskosität in peraluminösen Schmelzen verringert. Die Effekte von F und Cl auf die Viskosität sind unabhängig voneinander und summieren sich auf. Es wurde mit NMR Spektroskopie kein Hinweis dafür gefunden, dass F einen Einfluss auf den Einbaumechanismus von Cl hat.

This thesis describes the application of a wide variety of data processing methods, in particular the Maximum Entropy Method (MEM), to data from Nuclear Magnetic Resonance (NMR) experiments. Chapter 1 provides a brief introduction to NMR and to data processing, which is developed in chapter 2. NMR is described in terms of the classical model due to Bloch, and the principles of conventional (Fourier transform) data processing developed. This is followed by a description of less conventional techniques. The MEM is derived on several grounds, and related to both Bayesian reasoning and Shannon information theory. Chapter 3 describes several methods of evaluating the quality of NMR spectra obtained by a variety of data processing techniques; the simple criterion of spectral appearance is shown to be completely unsatisfactory. A Monte Carlo method is described which allows several different techniques to be compared, and the relative advantages of Fourier transformation and the MEM are assessed. Chapter 4 describes in vivo NMR, particularly the application of the MEM to data from Phase Modulated Rotating Frame Imaging (PMRFI) experiments. In this case the conventional data processing is highly unsatisfactory, and MEM processing results in much clearer spectra. Chapter 5 describes the application of a range of techniques to the estimation and removal of splittings from NMR spectra. The various techniques are discussed using simple examples, and then applied to data from the amino acid iso-leucine. The thesis ends with five appendices which contain historical and philosophical notes, detailed calculations pertaining to PMRFI spectra, and a listing of the MEM computer program.

This represents a proof-of-concept study of the appropriateness of vibrational and NMR spectroscopy for predicting the molecular structure of large molecules on the basis of a library of small molecules. Density Functional Theory (DFT) B3LYP/6-311G was used generate all spectra. 20 model compounds comprising two multiple-ringed polynuclear aromatic hydrocarbons (PAHs) connected by varying aliphatic chain-lengths were investigated. A least squares optimization algorithm was developed to determine the contribution of molecular subunits in the model compounds. 1H and 13C NMR spectroscopy failed to identify subunits unambiguously even with a constrained library. By contrast, IR and Raman results independently identified 40% and 65% respectively and jointly more than 80 % of the aromatic groups present; however, the aliphatic chain-length was poorly defined in general. IR and Raman spectroscopy are a suitable basis for spectral decomposition and should play a greater role in the identification of ringed subunits present in ill-defined hydrocarbons / Chemical Engineering

Lic.-avh. (sammanfattning) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv., 2004. / Härtill 3 uppsatser.

Diss. (sammanfattning). Uppsala : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Univ., 2007. / Härtill 5 uppsatser.

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy has been extensively used to investigate the structure and dynamics of host-guest systems. NMR spectroscopy has gained attention because of its high spectral information content for studies of molecules in the solid state and in solution. However, the main weakness of NMR is the inherent low detection sensitivity. Host-guest interactions are weak; therefore these interactions can be particularly difficult to study due to weak spectral response. NMR methods are currently the best solution for measuring these responses with atomic-scale precision. Improving upon these limitations is the main goal of this dissertation research using laser-polarized xenon, liquid crystals, and polarization exchange pulse sequences. The first five chapters review the basics of NMR spectroscopy that is used throughout this dissertation. Chapters one and two concern the fundamental elements of liquid-state and liquid-crystal NMR spectroscopy. The third chapter deals with the properties of organic thermotropic and lyotropic liquid crystals including the ZLI 1132 and PBLG. Chapter four presents the theoretical and experimental aspects of optical pumping laser-polarized xenon and properties of xenon. An overview of the dissertation research is described in chapter six. Chapter seven describes the procedures for synthesizing many of the cryptophanes used in the NMR experiments in this dissertation. The cryptophanes synthesized include cryptophane-A, cryptophane-223, and cryptophane-E as well as the water-soluble derivatives of each. The eighth and ninth chapters investigate the binding kinetics of hydrocarbon and hydrogen gases to cryptophane-111 in organic solutions. Chapter ten illustrates the utility of liquid crystalline-aligned cryptophanes (bis- and cryptophane-A) reintroducing dipolar couplings in solution. Chapter eleven describes the exploitation of the reintroduced dipolar coupling of the guest molecule to transfer the abundant 1H nuclear spin magnetization to the rare 13C spins to enhance NMR detection sensitivity using an adiabatic Hartmann-Hahn cross polarization pulse sequence. Chapter twelve describes cryptophanes of varying cavity size to probe the host-guest dynamic coupling (with chloroform as a guest ligand) aligned in PBLG. Finally, chapter thirteen introduces preliminary xenon @ cryptophanes aligned in liquid crystals to achieve intermolecular polarization transfer.

The work presented in this thesis focusses primarily on the determination of protein structure at atomic resolution, with NMR spectroscopy as the principle investigative tool. The thesis is divided into four parts. Part I consists of Chapter 1 which provides an introduction to protein structure, folding and NMR spectroscopy. Part II, consisting of Chapters 2 and 3, describes the effects of aromatic interactions on nucleating structure in disordered regions of proteins, using variants of apo-cytochrome b5 as a model system. Part III consists of Chapter 4, which describes structural effects of introducing cross-strand disulfide bonds using variants of Thioredoxin. Part IV of this thesis consists of the Appendices A, B and C. Appendix A describes the purification and characterization of ilvM, the regulatory subunit of the E.coli enzyme AHAS II. Appendices B and C contain chemical shift information corresponding to Chapter 3 and Chapter 4 respectively. Part I : Introduction to protein structure, folding and solution structure studies Chapter 1 first gives a brief overview of protein structure followed by an introduction to protein folding, focussing on the forces involved in determining the final three-dimensional shape of the protein as well as the experimental and computational techniques involved in studying or predicting the fold of a given protein. The second section of this chapter details the methodology followed to obtain solution structures of proteins using NMR spectroscopy. Part II : Engineering aromatic interactions to nucleate folding in intrinsically disordered regions of proteins Chapter 2 describes site-specific mutagenesis, recombinant over-expression, purifica-tion and preliminary biophysical characterization of two aromatic mutants of the molten globule apo-cytochrome b5 (apocytb5) : H43F H67F cytochrome b5 (FFcytb5) and H43W H67F cytochrome b5 (WFcytb5). Analysis of the structure of wild-type apo - cytochrome b5 was done to introduce surface mutations and avoid perturbation of the interior pack-ing of the protein. The bacterial host E.coli BL21(DE3) was used for recombinant over-expression, and both mutant proteins were purified by anion-exchange chromatography followed by size-exclusion chromatography. Biophysical studies show a decrease in the hydrodynamic radii and surface hydropho-bicity of FFcytb5 and WFcytb5 compared to wt -apo cytb5. An increase in protein stability was also seen from the wt apocytb5 to WFcytb5 and FFcytb5 in the presence of the chemical denaturant Urea. Proton 1D NMR spectra exhibited sharp lines and good spectral dispersion in the amide region, indicating that both mutant proteins are well folded. In addition, conservation of two distinctive up field and downfield shifted resonances present in apocytb5 indicated that structural changes upon mutation accrued on the upon the scaffold of apocytb5. Chapter 3 describes solution structure studies to determine secondary and tertiary structure of FFcytb5 and WFcytb5. Structural studies were carried out using homonu-clear and heteronuclear NMR methods, for which isotopically enriched 15N- and 13C, 15N samples were prepared for each protein. Additionally a 2H, 13C, 15N ILV methyl labeled sample was prepared for FFcytb5 to obtain unambiguous NOE correlation data. The hydrogen bond network for WFcytb5 was determined using hydrogen/deuterium exchange data. The restraints required to define the orientations and interactions of the aromatic groups were obtained from 15N-edited NOESY HSQC, 13C -edited NOESY HSQC and 2D 1H - 1H NOE spectra. These correlations were crucial in determining the aromatic interactions present within each protein. The structure of FFcytb5 was calculated using 1163 NOE distance restraints, 179 φ and ψ dihedral angle restraints, along with 40 hydrogen bond restraints. Similarly the structure of WFcytb5 was calculated using 1282 NOE distance restraints, 177 φ and ψ dihedral angle restraints and 40 hydrogen bond restraints. The ensemble of structures obtained for FFcytb5 showed a root mean square deviation of 1.01±0.21 Å . The ensemble of structures obtained for WFcytb5 showed a root mean square deviation of 0.58±0.09 Å . In both cases, ≈ 80% of backbone dihedral angles were found to be in the allowed regions and ≈ 20% in the additionally allowed regions of the Ramachandran map. The final tertiary structure of both FFcytb5 and WFcytb5 consisted of a mixed four strand β -sheet with a four helix bundle resting on top and were seen to align well, with an RMSD of 0.6 Å. A comparison of the solution structures of apocytb5 with FFcytb5 and WFcytb5 convincingly showed the nucleation secondary and tertiary structure well beyond the site of mutation. The presence of aromatic trimers, non-canonical in context of the wt apoc-ytb5, was confirmed upon analysis of the structures of FFcytb5 and WFcytb5, with NOE correlations assigned to verify these interactions. The reduction in the hydrodynamic radii of FFcytb5 and WFcytb5 in relation to apocytb5 was also verified from tsuperscript15N-NMR relaxometry studies. The nucleation of long-range structure using aromatic interactions has been demonstrated in proteins for the first time, and can in principle be used to incorporate aromatic residues and interactions in protein design. Structural data, chemical shift data and restraints lists used for structure calculation of WFcytb5 and FFcytb5 were deposited with the PDB (accession numbers 5XE4 and 5XEE) and BMRB(accession numbers 36070, 36071) respectively1. Part III : Structural consequences of introducing disulfide bonds into β - sheets Chapter 3 describes the solution structure studies on two mutants of E.coli Thiore-doxin which were designed to incorporate a disulfide bond between two anti-parallel β-strands at the edge of the β-sheet. One mutant was designed with a disulfide bond at the hydrogen bonding position (HB, 78c90cTrx) and the other with the disulfide bond at the non-hydrogen bonding position (NHB, 77c91cTrx). Here we study the structural changes that accompany the introduction of a cross-strand disulfide and whether such structural changes could be correlated with the previously seen thermodynamic and catalytic changes. Solution structure studies were conducted using a suite of multidimensional heteronu-clear NMR experiments, for which isotopically enriched 15N and 13C, 15N labelled samples were used. The solution structure for 77c91cTrx was calculated using 1190 NOE distance restraints, 199 φ and ψ dihedral angle restraints and 48 hydrogen bond restraints. The solution structure for 78c90cTrx was calculated using 1123 NOE distance restraints, 197 φ and ψ dihedral angle restraints and 50 hydrogen bond restraints. The ensemble of structures for 77c91cTrx showed an RMSD of 0.78± 0.13 Å while the RMSD for the ensemble of structures of 78c90cTrx was seen to be 0.76±0.09 Å . In both cases, ≈ 80% of backbone dihedral angles were seen to be in the allowed regions and ≈ 20% in the additionally allowed regions of the Ramachandran map. The tertiary structures of both proteins were seen to have a 5-strand mixed β-sheet and 4 helices surrounding it. . A comparison of the solution structures of mutant and wt -Trx showed significant changes in secondary and tertiary structure. For example, an α helix was reduced from 3 turns to a single turn, and of the β-strands containing the mutation was elongated by 3 residues. A ≈ 50% loss of hydrogen bonds, primarily from the β -sheet, was seen for both mutants. The secondary and tertiary structure for both 77c91cTrx and 78c90cTrx was seen to be near identical, despite the greater strain of the disulfide bond at the hydrogen bonding position. In addition to this, the Ile75-Pro76 peptide bond is now seen to be in the trans conformation in 78c90cTrx, while in wt -Trx the Ile75-Pro76 peptide bond is in the cis conformation. This cis peptide bond is known to play a role in both folding and catalysis, and the solution structures were analyzed in the context of observed changes in folding and catalysis. The study shows that introducing disulfide bonds even at the edge of β sheets have long-range structural effects, and the structural effects cannot be directly correlated with the changes in stability. Part III: Appendix Appendix A describes the expression, purification and preliminary characterization of ilvM, the regulatory subunit of E.coliAHAS II, one of three enzyme isomers that catal-yse the first step in the synthesis of all branched chain amino acids. AHAS II is known to be insensitive to feedback regulation, but our studies showed that the presence of Ile, Leu and Val causes structural changes and increases the stability of ilvM. However we were not able to purify ilvM in sufficient quantities to proceed with solution structure studies. Appendices B and C contain chemical shift information for the structural studies carried out on FFcytb5, WFcytb5, 77c91cTrx and 78c90cTrx.