<p>The overall goal of this project is to enhance the physical accuracy of individual models in macromolecular NMR (Nuclear Magnetic Resonance) structures and the realism of variation within NMR ensembles of models, while improving agreement with the experimental data. A secondary overall goal is to combine synergistically the best aspects of NMR and crystallographic methodologies to better illuminate the underlying joint molecular reality. This is accomplished by using the powerful method of all-atom contact analysis (describing detailed sterics between atoms, including hydrogens); new graphical representations and interactive tools in 3D and virtual reality; and structural bioinformatics approaches to the expanded and enhanced data now available.</p> <p> The resulting better descriptions of macromolecular structure and its dynamic variation enhances the effectiveness of the many biomedical applications that depend on detailed molecular structure, such as mutational analysis, homology modeling, molecular simulations, protein design, and drug design.</p> / Dissertation

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Medium Range Order in binären Alkalisilicatgläsern mittels 29Si-Festkörper-NMR-Spektroskopie. Die Medium Range Order kann durch die Qn,jklm-Verknüpfungen beschrieben werden. Die experimentelle Ermittlung der Qn,jklm-Verknüpfungen ermöglicht Aussagen über die kontrovers diskutierte topologische Verteilung der Qn-Gruppen im Glas, d.h. ob im Glas eine homogene oder inhomogene Qn-Verteilung vorliegt. Es wurden 29Si-angereicherte binäre Natrium- und Lithiumsilicatgläser verschiedener Zusammensetzungen NMR-spektroskopisch untersucht. Die Anreicherung mit dem 29Si-Isotop führte einerseits zu einer signifikanten Verbesserung des Signal / Rausch-Verhältnisses der 1D-Spektren und ermöglichte andererseits die Anwendung von 2D-NMR-Experimenten. Aus der Kombination der verschiedenen NMR-Methoden konnten Erkenntnisse über die Qn,jklm-Verknüpfungen gewonnen werden. In allen untersuchten Gläsern wurden Abweichungen von einer homogenen Qn-Verteilung gefunden.

Thesis (doctoral)--Universität Stuttgart, 1995.

This dissertation describes the development and implementation of advanced slice-accelerated (SMS) MRI methods for imaging blood perfusion and water diffusion in the human brain. Since its introduction in 1977, Echo-Planar Imaging (EPI) paved the way toward a detailed assessment of the structural and functional properties of the human brain. Currently, EPI is one of the most important MRI techniques for neuroscientific studies and clinical applications. Despite its high prevalence in modern medical imaging, EPI still suffers from sub-optimal time efficiency - especially when high isotropic resolutions are required to adequately resolve sophisticated structures as the human brain. The utilization of novel slice-acceleration methods can help to overcome issues related to low temporal efficiency of EPI acquisitions. The aim of the four studies outlining this thesis is to overcome current limitations of EPI by developing methods for slice-accelerated MRI. The first experimental work of this thesis describes the development of a slice-accelerated MRI sequence for dynamic susceptibility contrast imaging. This method for assessing blood perfusion is commonly employed for brain tumor classifications in clinical practice. Following up, the second project of this thesis aims to extend SMS imaging to diffusion MRI at 7 Tesla. Here, a specialized acquisition method was developed employing various methods to overcome problems related to increased energy deposition and strong image distortion. The increased energy depositions for slice-accelerated diffusion MRI are due to specific radiofrequency (RF) excitation pulses. High energy depositions can limit the acquisition speed of SMS imaging, if high slice-acceleration factors are employed. Therefore, the third project of this thesis aimed at developing a specialized RF pulse to reduce the amount of energy deposition. The increased temporal efficiency of SMS imaging can be employed to acquire higher amounts of imaging data for signal averaging and more stable model fits. This is especially true for diffusion MRI measurements, which suffer from intrinsically low signal-to-noise ratios. However, the typically acquired magnitude MRI data introduce a noise bias in diffusion images with low signal-to-noise ratio. Therefore, the last project of this thesis aimed to resolve the pressing issue of noise bias in diffusion MRI. This was achieved by transforming the diffusion magnitude data into a real-valued data representation without noise bias. In combination, the developed methods enable rapid MRI measurements with high temporal efficiency. The diminished noise bias widens the scope of applications of slice- accelerated MRI with high temporal efficiency by enabling true signal averaging and unbiased model fits. Slice-accelerated imaging for the assessment of water diffusion and blood perfusion represents a major step in the field of neuroimaging. It demonstrates that cur- rent limitations regarding temporal efficiency of EPI can be overcome by utilizing modern data acquisition and reconstruction strategies.

Seeds are complex entities, within which the intricate processes of germination and early growth occur. We describe here a novel technique of our group in 2012 which is capable of simultaneous solution-, gel-, and solid-state analysis. CMP-NMR was applied to intact seeds where all components are studied and differentiated in situ. Characterization, germination and early growth of seeds were studied by variety of 1D and 2D 1H and 13C CMP-NMR experiments. Various metabolites, lipids, carbohydrate biopolymers and structural carbohydrates were first identified and further studied in germination and early growth stages. This research demonstrates the utility of CMP- NMR as a powerful tool to better understand the composition of seeds and processes underlying early seed growth.

Seeds are complex entities, within which the intricate processes of germination and early growth occur. We describe here a novel technique of our group in 2012 which is capable of simultaneous solution-, gel-, and solid-state analysis. CMP-NMR was applied to intact seeds where all components are studied and differentiated in situ. Characterization, germination and early growth of seeds were studied by variety of 1D and 2D 1H and 13C CMP-NMR experiments. Various metabolites, lipids, carbohydrate biopolymers and structural carbohydrates were first identified and further studied in germination and early growth stages. This research demonstrates the utility of CMP- NMR as a powerful tool to better understand the composition of seeds and processes underlying early seed growth.

Functional metabolism of storage carbohydrates is vital to plants and animals. The water-soluble glycogen in animal cells and the amylopectin which is the major component of water-insoluble starch granules residing in plant plastids are chemically similar as they consist of α-1,6 branched α-1,4 glucan chains. Synthesis and degradation of transitory starch and of glycogen are accomplished by a set of enzymatic activities that to some extend are also similar in plants and animals. Chain elongation, branching, and debranching are achieved by synthases, branching enzymes, and debranching enzymes, respectively. Similarly, both types of polyglucans contain low amounts of phosphate esters whose abundance varies depending on species and organs. Starch is selectively phosphorylated by at least two dikinases (GWD and PWD) at the glucosyl carbons C6 and C3 and dephosphorylated by the phosphatase SEX4 and SEX4-like enzymes. In Arabidopsis insufficiency in starch phosphorylation or dephosphorylation results in largely impaired starch turnover, starch accumulation, and often in retardation of growth. In humans the progressive neurodegenerative epilepsy, Lafora disease, is the result of a defective enzyme (laforin) that is functional equivalent to the starch phosphatase SEX4 and capable of glycogen dephosphorylation. Patients lacking laforin progressively accumulate unphysiologically structured insoluble glycogen-derived particles (Lafora bodies) in many tissues including brain. Previous results concerning the carbon position of glycogen phosphate are contradictory. Currently it is believed that glycogen is esterified exclusively at the carbon positions C2 and C3 and that the monophosphate esters, being incorporated via a side reaction of glycogen synthase (GS), lack any specific function but are rather an enzymatic error that needs to be corrected. In this study a versatile and highly sensitive enzymatic cycling assay was established that enables quantification of very small G6P amounts in the presence of high concentrations of non-target compounds as present in hydrolysates of polysaccharides, such as starch, glycogen, or cytosolic heteroglycans in plants. Following validation of the G6P determination by analyzing previously characterized starches G6P was quantified in hydrolysates of various glycogen samples and in plant heteroglycans. Interestingly, glucosyl C6 phosphate is present in all glycogen preparations examined, the abundance varying between glycogens of different sources. Additionally, it was shown that carbon C6 is severely hyperphosphorylated in glycogen of Lafora disease mouse model and that laforin is capable of removing C6 phosphate from glycogen. After enrichment of phosphoglucans from amylolytically degraded glycogen, several techniques of two-dimensional NMR were applied that independently proved the existence of 6-phosphoglucosyl residues in glycogen and confirmed the recently described phosphorylation sites C2 and C3. C6 phosphate is neither Lafora disease- nor species-, or organ-specific as it was demonstrated in liver glycogen from laforin-deficient mice and in that of wild type rabbit skeletal muscle. The distribution of 6-phosphoglucosyl residues was analyzed in glycogen molecules and has been found to be uneven. Gradual degradation experiments revealed that C6 phosphate is more abundant in central parts of the glycogen molecules and in molecules possessing longer glucan chains. Glycogen of Lafora disease mice consistently contains a higher proportion of longer chains while most short chains were reduced as compared to wild type. Together with results recently published (Nitschke et al., 2013) the findings of this work completely unhinge the hypothesis of GS-mediated phosphate incorporation as the respective reaction mechanism excludes phosphorylation of this glucosyl carbon, and as it is difficult to explain an uneven distribution of C6 phosphate by a stochastic event. Indeed the results rather point to a specific function of 6-phosphoglucosyl residues in the metabolism of polysaccharides as they are present in starch, glycogen, and, as described in this study, in heteroglycans of Arabidopsis. In the latter the function of phosphate remains unclear but this study provides evidence that in starch and glycogen it is related to branching. Moreover a role of C6 phosphate in the early stages of glycogen synthesis is suggested. By rejecting the current view on glycogen phosphate to be a stochastic biochemical error the results permit a wider view on putative roles of glycogen phosphate and on alternative biochemical ways of glycogen phosphorylation which for many reasons are likely to be mediated by distinct phosphorylating enzymes as it is realized in starch metabolism of plants. Better understanding of the enzymology underlying glycogen phosphorylation implies new possibilities of Lafora disease treatment. / Pflanzen und Tiere speichern Glukose in hochmolekularen Kohlenhydraten, um diese bei Bedarf unter anderem zur Gewinnung von Energie zu nutzen. Amylopectin, der größte Bestandteil des pflanzlichen Speicherkohlenhydrats Stärke, und das tierische Äquivalent Glykogen sind chemisch betrachtet ähnlich, denn sie bestehen aus verzweigten Ketten, deren Bausteine (Glukosylreste) auf identische Weise miteinander verbunden sind. Zudem kommen in beiden Kohlenhydraten kleine aber ähnliche Mengen von Phosphatgruppen vor, die offenbar eine tragende Rolle in Pflanzen und Tieren spielen. Ist in Pflanzen der Einbau oder die Entfernung von Phosphatgruppen in bzw. aus Stärke gestört, so ist oft der gesamte Stärkestoffwechsel beeinträchtigt. Dies zeigt sich unter anderem in der übermäßigen Akkumulation von Stärke und in Wachstumsverzögerungen der gesamten Pflanze. Beim Menschen und anderen Säugern beruht eine schwere Form der Epilepsie (Lafora disease) auf einer Störung des Glykogenstoffwechsels. Sie wird durch das erblich bedingte Fehlen eines Enzyms ausgelöst, das Phosphatgruppen aus dem Glykogen entfernt. Während die Enzyme, die für die Entfernung des Phosphats aus Stärke und Glykogen verantwortlich sind, hohe Ähnlichkeit aufweisen, ist momentan die Ansicht weit verbreitet, dass der Einbau von Phosphat in beide Speicherkohlenhydrate auf höchst unterschiedliche Weise erfolgt. In Pflanzen sind zwei Enzyme bekannt, die Phosphatgruppen an unterschiedlichen Stellen in Glukosylreste einbauen (Kohlenstoffatome 6 und 3). In Tieren soll eine seltene, unvermeidbare und zufällig auftretende Nebenreaktion eines Enzyms, das eigentlich die Ketten des Glykogens verlängert (Glykogen-Synthase), den Einbau von Phosphat bewirken, der somit als unwillkürlich gilt und weithin als „biochemischer Fehler“ (mit fatalen Konsequenzen bei ausbleibender Korrektur) betrachtet wird. In den Glukosylresten des Glykogens sollen ausschließlich die C-Atome 2 und 3 phosphoryliert sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen mittels zweier unabhängiger Methoden, dass Glykogen auch am Glukosyl-Kohlenstoff 6 phosphoryliert ist, der Phosphatposition, die in der Stärke am häufigsten vorkommt. Die Tatsache, dass in dieser Arbeit Phosphat neben Stärke auch erstmals an Glukosylresten von anderen pflanzlichen Kohlenhydraten (wasserlösliche Heteroglykane) nachgewiesen werden konnte, lässt vermuten, dass Phosphorylierung ein generelles Phänomen bei Polysacchariden ist. Des Weiteren wiesen die Ergebnisse darauf hin, dass Phosphat im Glykogen, wie auch in der Stärke, einem bestimmten Zweck dient, der im Zusammenhang mit der Regulation von Kettenverzweigung steht, und dass kein zufälliges biochemisches Ereignis für den Einbau verantwortlich sein kann. Aufgrund der grundlegenden Ähnlichkeiten im Stärke- und Glykogenstoffwechsel, liegt es nahe, dass die Phosphorylierung von Glykogen, ähnlich der von Stärke, ebenfalls durch spezifische Enzyme bewirkt wird. Ein besseres Verständnis der Mechanismen, die der Glykogen-Phosphorylierung zugrunde liegen, kann neue Möglichkeiten der Behandlung von Lafora disease aufzeigen.

Diese Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung einer verhältnismäßig wenig beforschten Untergruppe der hochtemperatur-supraleitenden Kuprate (HTSCs-high-temperature superconducting cuprates), den elektronendotierten HTSCs, vermittels kernmagnetischer Resonanz (NMR-nuclear magnetic resonance). Die Untersuchungen umfassen 63Cu und 17O NMR an ausgerichteten Pulverproben und Einkristallen von Pr2−xCexCuO4 (x = 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20) sowie auch Nd2−xCexCuO4 (x = 0, 0.13) in externen Magnetfeldern von 2.35 bis 17.6 T und Temperaturen zwischen 8 und 400 K. Durch eine Vielzahl von Experimenten wird die erste eindeutige spektrale Analyse für beide Nuklide vorgenommen. Es wird gezeigt, dass die indirekte, homonukleare Kopplung, wie sie beim Hahn-Echo-Zerfall von planarem 63,65Cu in lochdotierten HTSCs und auch im undotierten Pr2CuO4 gefunden wird, durch Elektronendotierung weitestgehend unterdrückt wird. Eine Analyse der Quadrupolaufspaltungen zeigt, dass nicht nur die lokale Verteilung der dotierten Elektronen und Löcher in den CuO2-Schichten quantitativ gemessen werden kann, sondern, dass auch Unterschiede in den 63Cu und 17O Aufspaltungen verschiedener undotierter Kuprate auf eine variable Ladungsverteilung zurückzuführen sind. Somit ist eine quantitative Messung der lokalen Ladungsverteilung in der CuO2 -Schicht der HTSCs möglich, welche ein neues, differenziertes Bild der unterschiedlichen Materialien ergibt.

Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

The results of a solid-state 11B NMR study of a series of boronic acids, boronic esters, and boronic acid catechol cyclic esters with aromatic substituents are reported in this thesis. Boron-11 electric field gradient (EFG) and chemical shift (CS) tensors obtained from analyses of spectra acquired in magnetic fields of 9.4 T and 21.1 T are demonstrated to be useful for gaining insight into the molecular and electronic structure about the boron nucleus. It can be concluded that when adequate electronic variation is present in the compounds being studied, Ω is generally the most characteristic boron NMR parameter of the molecular and electronic environment for boronic acids and esters. Importantly, these data are only reliably accessible in ultrahigh magnetic fields. The experimental span values result from a delicate interplay of several competing factors, including hydrogen bonding, the value of the dihedral angle, and the type of aromatic ring system present.