TY  - THES
A1  - López García, Patricia
T1  - Coiled coils as mechanical building blocks
T1  - Coiled Coils als mechanische Bausteine
N2  - The natural abundance of Coiled Coil (CC) motifs in cytoskeleton and extracellular matrix proteins suggests that CCs play an important role as passive (structural) and active (regulatory) mechanical building blocks. CCs are self-assembled superhelical structures consisting of 2-7 α-helices. Self-assembly is driven by hydrophobic and ionic interactions, while the helix propensity of the individual helices contributes additional stability to the structure. As a direct result of this simple sequence-structure relationship, CCs serve as templates for protein design and sequences with a pre-defined thermodynamic stability have been synthesized de novo. Despite this quickly increasing knowledge and the vast number of possible CC applications, the mechanical function of CCs has been largely overlooked and little is known about how different CC design parameters determine the mechanical stability of CCs. Once available, this knowledge will open up new applications for CCs as nanomechanical building blocks, e.g. in biomaterials and nanobiotechnology.
With the goal of shedding light on the sequence-structure-mechanics relationship of CCs, a well-characterized heterodimeric CC was utilized as a model system. The sequence of this model system was systematically modified to investigate how different design parameters affect the CC response when the force is applied to opposing termini in a shear geometry or separated in a zipper-like fashion from the same termini (unzip geometry). The force was applied using an atomic force microscope set-up and dynamic single-molecule force spectroscopy was performed to determine the rupture forces and energy landscape properties of the CC heterodimers under study. Using force as a denaturant, CC chain separation is initiated by helix uncoiling from the force application points. In the shear geometry, this allows uncoiling-assisted sliding parallel to the force vector or dissociation perpendicular to the force vector. Both competing processes involve the opening of stabilizing hydrophobic (and ionic) interactions. Also in the unzip geometry, helix uncoiling precedes the rupture of hydrophobic contacts.
In a first series of experiments, the focus was placed on canonical modifications in the hydrophobic core and the helix propensity. Using the shear geometry, it was shown that both a reduced core packing and helix propensity lower the thermodynamic and mechanical stability of the CC; however, with different effects on the energy landscape of the system. A less tightly packed hydrophobic core increases the distance to the transition state, with only a small effect on the barrier height. This originates from a more dynamic and less tightly packed core, which provides more degrees of freedom to respond to the applied force in the direction of the force vector. In contrast, a reduced helix propensity decreases both the distance to the transition state and the barrier height. The helices are ‘easier’ to unfold and the remaining structure is less thermodynamically stable so that dissociation perpendicular to the force axis can occur at smaller deformations.
Having elucidated how canonical sequence modifications influence CC mechanics, the pulling geometry was investigated in the next step. Using one and the same sequence, the force application points were exchanged and two different shear and one unzipping geometry were compared. It was shown that the pulling geometry determines the mechanical stability of the CC. Different rupture forces were observed in the different shear as well as in the unzipping geometries, suggesting that chain separation follows different pathways on the energy landscape. Whereas the difference between CC shearing and unzipping was anticipated and has also been observed for other biological structures, the observed difference for the two shear geometries was less expected. It can be explained with the structural asymmetry of the CC heterodimer. It is proposed that the direction of the α-helices, the different local helix propensities and the position of a polar asparagine in the hydrophobic core are responsible for the observed difference in the chain separation pathways. In combination, these factors are considered to influence the interplay between processes parallel and perpendicular to the force axis.
To obtain more detailed insights into the role of helix stability, helical turns were reinforced locally using artificial constraints in the form of covalent and dynamic ‘staples’. A covalent staple bridges to adjacent helical turns, thus protecting them against uncoiling. The staple was inserted directly at the point of force application in one helix or in the same terminus of the other helix, which did not experience the force directly. It was shown that preventing helix uncoiling at the point of force application reduces the distance to the transition state while slightly increasing the barrier height. This confirms that helix uncoiling is critically important for CC chain separation. When inserted into the second helix, this stabilizing effect is transferred across the hydrophobic core and protects the force-loaded turns against uncoiling. If both helices were stapled, no additional increase in mechanical stability was observed. When replacing the covalent staple with a dynamic metal-coordination bond, a smaller decrease in the distance to the transition was observed, suggesting that the staple opens up while the CC is under load.
Using fluorinated amino acids as another type of non-natural modification, it was investigated how the enhanced hydrophobicity and the altered packing at the interface influences CC mechanics. The fluorinated amino acid was inserted into one central heptad of one or both α-helices. It was shown that this substitution destabilized the CC thermodynamically and mechanically. Specifically, the barrier height was decreased and the distance to the transition state increased. This suggests that a possible stabilizing effect of the increased hydrophobicity is overruled by a disturbed packing, which originates from a bad fit of the fluorinated amino acid into the local environment. This in turn increases the flexibility at the interface, as also observed for the hydrophobic core substitution described above. In combination, this confirms that the arrangement of the hydrophobic side chains is an additional crucial factor determining the mechanical stability of CCs.
In conclusion, this work shows that knowledge of the thermodynamic stability alone is not sufficient to predict the mechanical stability of CCs. It is the interplay between helix propensity and hydrophobic core packing that defines the sequence-structure-mechanics relationship. In combination, both parameters determine the relative contribution of processes parallel and perpendicular to the force axis, i.e. helix uncoiling and uncoiling-assisted sliding as well as dissociation. This new mechanistic knowledge provides insight into the mechanical function of CCs in tissues and opens up the road for designing CCs with pre-defined mechanical properties. The library of mechanically characterized CCs developed in this work is a powerful starting point for a wide spectrum of applications, ranging from molecular force sensors to mechanosensitive crosslinks in protein nanostructures and synthetic extracellular matrix mimics.
N2  - Das „Coiled Coil“ (CC) Faltungsmotiv ist Bestandteil vieler Proteine im Zytoskelett und der extrazellulären Matrix. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass CCs essentielle mechanische Bausteine darstellen, die sowohl passive (strukturelle) als auch aktive (regulatorische) Aufgaben erfüllen. CCs bestehen aus 2-7 α-helikalen Untereinheiten, die eine superhelikale Struktur formen. Die Faltung und Stabilität der Superhelix wird durch hydrophobe und ionische Wechselwirkungen bestimmt, sowie durch die Helixpropensität der einzelnen Aminosäuren. Auf der Grundlage dieser gut verstandenen Struktur-Funktionsbeziehungen werden CCs häufig als Vorlage für das de novo Proteindesign genutzt. Trotz stetig wachsender wissenschaftlicher Erkenntnisse und der mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten von CCs, ist ihre mechanische Funktion noch weitestgehend unerforscht. Insbesondere ist der Zusammenhang zwischen der Aminosäuresequenz und der mechanischen Stabilität kaum bekannt. Dieses Wissen ist jedoch essentiell für die Anwendung von CCs als nanomechanische Bausteine.
Um die mechanischen Struktur-Funktionsbeziehungen von CCs zu beleuchten, wurde ein gut charakterisiertes CC-Heterodimer als Modellsystem genutzt. Dessen Sequenz wurde systematisch modifiziert, um den Einfluss verschiedener Strukturparameter auf die mechanische Stabilität des CCs zu untersuchen. Mittels Rasterkraftmikroskop-basierter Einzelmolekülkraftspektroskopie wurden die Kraftangriffspunkte so platziert, dass das CC entweder geschert oder wie ein Reißverschluss geöffnet wurde („Unzip“-Geometrie). Dabei wurde die Kraft bestimmt, die zur Separation der beiden Helices benötigt wird. Diese sogenannte Abrisskraft wurde bei verschiedenen Ladungsraten gemessen, um Rückschlüsse auf die Energielandschaft der CCs zu ziehen. Die anliegende Kraft führt zunächst zur Entfaltung der Helix-Enden an den Kraftangriffspunkten. Diese partielle Entfaltung ermöglicht in der Scher-Geometrie zwei Mechanismen, die letztlich zur Separation der Helices führen: die Verschiebung der Helices entlang des Kraftvektors und die Dissoziation senkrecht zur angelegten Kraft. Auch in der „Unzip“-Geometrie geht die teilweise Entfaltung der Dissoziation voraus.
Zunächst wurde der Einfluss von hydrophoben Wechselwirkungen im Kern des CCs sowie der Helixpropensität systematisch untersucht. In der verwendeten Scher-Geometrie führten entsprechende Aminosäuremodifikationen zu einer Änderung der Abrisskraft des CCs, wobei spezifische Unterschiede in der Energielandschaft festzustellen sind. Weniger dicht gepackte hydrophobe Wechselwirkungen verlängern hauptsächlich den Abstand zum Übergangszustand, da sie die Freiheitsgrade des Entfaltungspfades erhöhen. Eine verringerte Helixpropensität verringert sowohl die Aktivierungsenergie als auch den Abstand zum Übergangszustand. Die niedrige thermodynamische Stabilität dieser Modifikation führt dazu, dass weniger Kraft angewandt werden muss, um die Dissoziation der Helices senkrecht zum Kraftvektor zu erreichen.
Mit diesem Wissen über den Einfluss der Helixpropensität und der hydrophoben Wechselwirkungen, wurde anschließend die mechanische Entfaltung in zwei verschiedenen Scher-Geometrien, sowie der „Unzip“-Geometrie untersucht. Dazu wurde jeweils die gleiche Sequenz verwendet, wobei nur die Kraftangriffspunkte modifiziert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Positionierung der Kraftangriffspunkte essentiell für die gemessene mechanische Stabilität des CC ist. Wie auch in anderen biologischen Strukturen zu beobachten, besteht ein Unterschied zwischen Scher- und „Unzip“-Geometrie. Jedoch weist das CC auch in den beiden Scher-Geometrien Unterschiede in der Stabilität auf. Dies ist auf eine Asymmetrie der ansonsten hochrepetitiven Sequenz zurückzuführen.
Die Rolle der Helixstabilität wurde durch die lokale Stabilisierung von Helixwindungen mit kovalenten und dynamischen molekularen Klammern genauer erforscht. Die Klammern verknüpfen zwei benachbarte Windungen und stabilisieren diese so gegen die mechanische Entfaltung. Die kovalente Klammer wurde entweder direkt am Kraftangriffspunkt eingefügt oder in der Partnerhelix, an der die Kraft nicht direkt angreift. Es wurde gezeigt, dass die Klammern die mechanische Stabilität des CCs erhöhen. Dem liegen eine Verringerung des Abstands zum Übergangszustand und eine leichte Erhöhung der Energiebarriere zu Grunde. Helix-stabilisierende Effekte können durch die hydrophoben Wechselwirkungen auf die Partnerhelix übertragen werden. Das Klammern beider Helices führte nicht zu einer weiteren Erhöhung der mechanischen Stabilität. Bei Einfügen einer dynamischen Klammer direkt am Kraftangriffspunkt fällt die Verringerung des Abstands zum Übergangszustand kleiner aus. Dies ist auf das Öffnen der reversiblen Klammer bei Krafteinwirkung zurückzuführen.
Auch die Rolle der hydrophoben Wechselwirkungen wurde unter Verwendung einer nicht-natürlichen Modifikation detaillierter untersucht. Dazu wurde eine fluorinierte Aminosäure im zentralen Teil des CCs eingebaut. Die fluorinierte Aminosäure ist hydrophober als die Ursprüngliche und verändert die Packung der Seitenketten im hydrophoben Kern. Die Anwesenheit der fluorinierten Aminosäure in einer der beiden Helices führte zu einer Erniedrigung der Aktivierungsenergie sowie zu einer gleichzeitigen Erhöhung des Abstandes zum Übergangszustand. Dies zeigt, dass die fluorinierte Aminosäure in erster Linie die Packung der hydrophoben Aminosäuren stört, während der Einfluss des hydrophoben Effekts ehr gering ist. Die fluorinierte Aminosäure kann nicht gut in die lokale Umgebung der anderen Aminosäuren integriert werden und zeigt so, dass die Anordnung und Wechselwirkung der hydrophoben Aminosäuren im Kern essentiell für die mechanische Stabilität von CCs ist.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass allein auf Grundlage der thermodynamischen Stabilität nicht auf die mechanische Stabilität von CCs geschlossen werden kann. Das Zusammenspiel zwischen Helixstabilität und hydrophoben Wechselwirkungen ist maßgebend um die Zusammenhänge zwischen Sequenz, Struktur und mechanischer Stabilität von CCs zu verstehen. Beide Faktoren tragen zu den Entfaltungsmechanismen parallel und senkrecht zur Kraftrichtung bei. Diese neuen mechanistischen Einblicke in die sequenzabhängige mechanische Stabilität von CCs ermöglichen die Entwicklung von CCs mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften. Die hier charakterisierte CC-Bibliothek ist ein hervorragender Ausgangspunkt für ein breites Spektrum an potentiellen Anwendungen, von molekularen Kraftsensoren bis zu mechanosensitiven Bausteinen für Proteinnanostrukturen und künstlichen extrazellulären Matrices.
KW  - biochemistry
KW  - peptides
KW  - coiled coils
KW  - mechanics
KW  - single-molecule force spectroscopy
KW  - Biochemie
KW  - Peptide
KW  - Coiled coils
KW  - mechanische Stabilität
KW  - Einzelmolekülkraftspektroskopie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429568
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TY  - THES
A1  - Federico, Stefania
T1  - Synthetic peptides derived from decorin as building blocks for biomaterials based on supramolecular interactions
T1  - Synthetische Peptide Basierend auf Decorin als Bausteine für Supramolekulare Biomaterialien
N2  - In this work, the development of a new molecular building block, based on synthetic peptides derived from decorin, is presented. These peptides represent a promising basis for the design of polymer-based biomaterials that mimic the ECM on a molecular level and exploit specific biological recognition for technical applications. Multiple sequence alignments of the internal repeats of decorin that formed the inner and outer surface of the arch-shaped protein were used to develop consensus sequences. These sequences contained conserved sequence motifs that are likely to be related to structural and functional features of the protein. Peptides representative for the consensus sequences were synthesized by microwave-assisted solid phase peptide synthesis and purified by RP-HPLC, with purities higher than 95 mol%. After confirming the desired masses by MALDI-TOF-MS, the primary structure of each peptide was investigated by 1H and 2D NMR, from which a full assignment of the chemical shifts was obtained. The characterization of the peptides conformation in solution was performed by CD spectroscopy, which demonstrated that using TFE, the peptides from the outer surface of decorin show a high propensity to fold into helical structures as observed in the original protein. To the contrary, the peptides from the inner surface did not show propensity to form stable secondary structure. The investigation of the binding capability of the peptides to Collagen I was performed by surface plasmon resonance analyses, from which all but one of the peptides representing the inner surface of decorin showed binding affinity to collagen with values of dissociation constant between 2•10-7 M and 2.3•10-4 M. On the other hand, the peptides representative for the outer surface of decorin did not show any significant interaction to collagen. This information was then used to develop experimental demonstration for the binding capabilities of the peptides from the inner surface of decorin to collagen even when used in more complicated situations close to possible appications. With this purpose, the peptide (LRELHLNNN) which showed the highest binding affinity to collagen (2•10-7 M) was functionalized with an N-terminal triple bond in order to obtain a peptide dimer via copper(I)-catalyzed cycloaddition reaction with 4,4'-diazidostilbene-2,2'-disulfonic acid. Rheological measurements showed that the presence of the peptide dimer was able to enhance the elastic modulus (G') of a collagen gel from ~ 600 Pa (collagen alone) to ~ 2700 Pa (collagen and peptide dimer). Moreover, it was shown that the mechanical properties of a collagen gel can be tailored by using different molar ratios of peptide dimer respect to collagen. The same peptide, functionalized with the triple bond, was used to obtain a peptide-dye conjugate by coupling it with N-(5'-azidopentanoyl)-5-aminofluorescein. An aqueous solution (5 vol% methanol) of the peptide dye conjugate was injected into a collagen and a hyaluronic acid (HA) gel and images of fluorescence detection showed that the diffusion of the peptide was slower in the collagen gel compared to the HA gel. The third experimental demonstration was gained using the peptide (LSELRLHNN) which showed the lower binding affinity (2.3•10-4 M) to collagen. This peptide was grafted to hyaluronic acid via EDC-chemistry, with a degree of functionalization of 7 ± 2 mol% as calculated by 1H-NMR. The grafting was further confirmed by FTIR and TGA measurements, which showed that the onset of decomposition for the HA-g-peptide decreased by 10 °C compared to the native HA. Rheological measurements showed that the elastic modulus of a system based on collagen and HA-g-peptide increased by almost two order of magnitude (G' = 200 Pa) compared to a system based on collagen and HA (G' = 0.9 Pa). Overall, this study showed that the synthetic peptides, which were identified from decorin, can be applied as potential building blocks for biomimetic materials that function via biological recognition.
N2  - In dieser Arbeit wird das Design, die Synthese und Analyse neuer molekularer Bausteine für Biomaterialien basierend auf synthetischen, von Decorin abgeleiteten Peptiden beschrieben. Diese Peptide sind deshalb als Baustein für polymer-basierte Biomaterialien von besonderem Interesse, da sie die extrazelluläre Matrix (ECM) auf molekularer Ebene nachempfinden und spezifische, biologische wichtige Interaktionen für technische Anwendungen nutzbar machen. Das Alignment multipler Sequenzen der internen Repeats von Decorin, die jeweils die innere bzw. äußere Seite des sichelförmigen Decorins bilden, wurde genutzt, um Konsensus-Sequenzen zu definieren. Diese Sequenzen beinhalten stark konservierte Sequenzmotive, die wahrscheinlich wichtig für Struktur und Funktion des Proteins sind. Ausgewählte Peptide, die repräsentativ für die Konsensus-Sequenzen sind, wurden dann mittels Mikrowellen unterstützter Festphasensynthese synthetisiert und mit RP-HPLC aufgereinigt, so dass Peptide mit Reinheiten ≥ 95 mol% erhalten wurden. Die Peptide wurden per MALDI-TOF-MS sowie 1D und 2D NMR Spektroskopie charakterisiert, wobei die Zuordnung der chemischen Verschiebungen zu einzelnen Protonen und Kohlenstoffen aus den 2D NMR Experimenten erfolgte. In Lösung wurden die Peptide zudem mit CD Spektroskopie untersucht, wobei gezeigt werden konnte, dass nur Peptide, die von der äußeren Seite des Decorins abgeleitet wurden, sich durch Zugabe von 2,2,2-Trifluorethanol zu α-Helices falten. Diese Faltung ist auch in der Röntgenstruktur bei den korrespondierenden Abschnitten zu finden. Im Gegensatz dazu zeigten Peptide, die von der inneren Seite des Decorins abgeleitet wurden, keine stabilen Sekundärstrukturen in Lösung (β-Faltblattstruktur in der Röntgenstruktur). Bindungsstudien der Peptide zu Kollagen I wurden mit Oberflächenplasmonenresonanz durchgeführt, wobei gezeigt werden konnte, dass alle bis auf ein Peptid, die von der innneren Seite abgeleitet wurden, an Kollagen mit Dissoziationskonstanten von 2•10-7 M bis 2.3•10-4 M binden, während Peptide, die für die äußere Seite von Decorin repräsentativ sind, keine Bindung an Kollagen I zeigten. Diese Information wurde genutzt, um experimentelle Demonstrationsobjekte dieser Interaktion in komplexeren, einer späteren Anwendung näheren Situation, zu entwickeln. Dazu wurde das Peptide LRELHLNNN, welches die stärkste Bindung zu Kollagen I zeigte (KD = 2•10-7 M), N-terminal mit einer Alkinbindung funktionalisiert, so dass durch Kupfer (I) katalysierte Reaktion mit 4,4'-Diazidostilben-2,2'-disulfonsäure ein Peptid-Dimer erhalten werden konnte. Rheologische Untersuchungen zeigten, dass durch Zugabe des Peptid-Dimers der Elastizitätsmodul G' von Kollagen-Gelen von ~ 600 Pa (nur Kollagen) auf ~ 2700 Pa (Kollagen und Peptide-Dimer) gesteigert werden konnte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Veränderung der mechanischen Eigenschaften der Gele durch Veränderung des Kollagen:Peptid-Dimer Verhältnisses angepasst werden konnten. Das gleiche, mit einer Alkin-Bindung funktionaliserte Peptid wurde dann zur Darstellung eines Peptid-Fluorescein Konjugats genutzt, indem es mit N-(5'-azidopentanoyl)-5-aminofluorescein umgesetzt wurde. Eine wässrige Lösung des Peptid-Farbstoff-Konjugats wurde dann in Kollagen- bzw. Hyaluronsäuregele injiziert. Die Diffusion des Peptid-Farbstoff-Konjugats war in Kollagengelen im Vergleich zu Hyaluronsäuregelen deutlich verlangsamt. Das dritte Demonstrationsobjekt wurde erhalten, indem das Peptid LSELRLHNN, welches die geringste Bindung an Kollagen zeigte (KD = 2.3•10-4 M), auf Hyaluronsäure (HA) gegrafted wurde. Die Reaktion wurde durch Carbodiimid-mediierte Kupplung erreicht, und ein Funktionalisierungsgrad von 7 ± 2 mol% wurde durch Integration der 1H-NMR Spektren bestimmt. Das erfolgreiche Grafting wurde durch FTIR- und TGA-Untersuchungen bestätigt. In letzteren wurde gezeigt, dass der thermische Abbau durch das Grafting bei etwas niedrigeren Temperaturen beginnt als der Abbau reiner Hyaluronsäure (ΔT = 10 °C). Rheologische Untersuchungen zeigten, dass ein System aus Kollagen und HA-g-Peptid ein um zwei Größenordnungen höheren Elastizitätsmodul G' hat (G' = 200 Pa) als Systeme, die aus einer physikalischen Mischung von Kollagen und HA bestehen (G' = 0.9 Pa). Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Peptide, die von Decorin abgeleitet wurden, als Kollagen-bindende Bausteine für biomimetische Materialien genutzt werden können.
KW  - Decorin
KW  - Peptide
KW  - Supramolekularen Wechselwirkungen
KW  - Kollagen
KW  - Physikalische Vernetzung
KW  - Decorin
KW  - Peptides
KW  - Supramolecular Interactions
KW  - Collagen
KW  - Physical Crosslinking
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59661
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TY  - THES
A1  - Hahn, Harald
T1  - Modularer Ansatz zu multifunktionellen Polymer-Peptid-Fasern
T1  - Modular strategy to multifunctional polymer-peptide-fibers
N2  - Die Kombination von Polymeren mit Peptiden vereint die Eigenschaften beider Stoffklassen miteinander. Dabei können die strukturbildenden Eigenschaften der Peptide genutzt werden, um Polymere zu organisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Polymer-Peptid-Konjugat verwendet, das sich in Wasser zu Bändern anordnet. Die treibende Kraft für diesen Prozess ist die Anordnung des Peptidteils zu β-Faltblattstrukturen. Das Polymer-Peptid-Aggregat besitzt einen Peptidkern mit funktionalen Oberflächen, der lateral von einer Polyethylenoxidschale umgeben ist. Durch Änderung der Peptidsequenz war es bisher möglich, die Eigenschaften dieser Fasern zu variieren. In der Arbeit wird ein modularer Ansatz zur vielfältigen Modifizierung einer Polymer-Peptid-Faser entwickelt. So ist es möglich, die Eigenschaften der Fasern einzustellen, ohne die strukturbildende β-Faltblattsequenz verändern zu müssen. Um weitere Funktionen an den Fasern anzubringen, wurde die 1,3-dipolaren Addition verwendet. Diese Reaktion beschreibt die konzertierte Umlagerung eines Azides mit einem Alkin. Sie ist in den meisten Lösungsmitteln unter hohen Ausbeuten durchführbar. Im Rahmen der Arbeit wird die Erzeugung von Aziden untersucht und auf die Polymer-Peptid-Fasern übertragen. Der Diazotransfer stellte dabei die Methode der Wahl dar, so können Azidgruppen aus Aminen gewonnen werden. Unter Verwendung der 1,3-dipolaren Addition konnten verschiedene alkinfunktionale Moleküle kovalent an die azidfunktionalisierten Polymer-Peptid-Fasern gebunden werden. So wurde ein Fluoreszenzfarbstoff an die Fasern gebunden, der eine Abbildung der Fasern mittels konfokaler Mikroskopie erlaubte. Weiterhin wurden die Eigenschaften der Fasern durch Addition dreier carboxylfunktionaler Moleküle modifiziert. Diese Fasern konnten weiter genutzt werden, um Kalzium zu binden. Dabei variierte die Anzahl der gebundenen Kalziumionen in Abhängigkeit der jeweiligen Fasermodifikation erheblich. Weitere Untersuchungen, die Morphologie von Kalziumcarbonatkristallen betreffend, werden aktuell durchgeführt. Die kovalente Anbringung eines reduzierenden Zuckers an die Polymer-Peptid-Fasern erlaubt die Abscheidung von Silber aus Tollens Reagenz. Durch eine Entwicklung analog zur Schwarz-Weiss-Photographie können in nachfolgenden Arbeiten so Silberdrähte in Nanogröße erzeugt werden. An die azidfunktionalen Fasern können weitere funktionale Moleküle angebracht werden, um die Eigenschaften und das Anwendungsspektrum der Polymer-Peptid-Fasern zu erweitern.
N2  - The combination of polymer with peptides combines the advantages of both substance classes. It is possible to use peptide structure-forming properties to assemble polymers. In my current research, a self assembling Polymer-Peptide-Conjugate was used, which forms ribbon-like structures in water. The peptide tendency to form β-sheets is the driving force for this process. The resulting Polymer-Peptide-Aggregate is build up of a core shell model, where the peptides are the core and the polymer (polyethylene oxide) is the lateral suited shell. A new peptide synthesis was necessary in order to change the functional groups in the peptide core. In my present work a modular strategy was developed to get access to various types of modified Polymer-Peptide-Fiber. This allows adjustiment to the fiber properties without changing the structure forming b‑sheet sequence. To apply these functions, 1,3‑dipolar addition was used. This reaction described the simultaneous reactions of alkynes and azides. The reaction occurs in most solvents under high yields. In the context of this work, the generation of azides was investigated and transferred to the Polymer-Peptide-Fibers. Diazotransfer was the chosen method to transfer primary amines into azidefunctions at the fiber surface. With the use of 1,3‑dipolar addition it was possible to bind alkyne functionalized molecules covalent to the azide functionalized fibers. A fluorescent dye was bound to the fibers to image these fibers with confocal microscopy. The properties of the azide fibers were further modified to incorporation three different carboxylic molecules. These fibers were used to estimate the calcium binding affinity. Thus, differing the number of bonded calcium is a function of the used fiber attachment. Investigations concerning the morphology of Calcium carbonate crystals can be done. The covalent attachment of reducing sugar to the Polymer-Peptide-Fibers should will allow the production of silver(0)clusters along the fibers with the use of Tollens´ reagent. With the help of a developer solution, similar to black and white photography, the possibility to archive silverrods in nanometer size can be obtained. The applied modifications on fibers is hence a promising first step in altering fibers in which by adjusting its properties, we broaden the applications of these Polymer-Peptide-Fibers.
KW  - Polymer
KW  - Peptide
KW  - selbstanordnend
KW  - Klick Chemie
KW  - Dizotransfer
KW  - polymer
KW  - peptide
KW  - selfassembling
KW  - click chemistry
KW  - diazotransfer
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-33016
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TY  - THES
A1  - Maltseva, Elena
T1  - Model membrane interactions with ions and peptides at the air/water interface
T1  - Wechselwirkungen von Modellmembranen mit Ionen und Peptiden - studiert an der Luft-Wasser-Grenzfläche
N2  - The interactions between peptides and lipids are of fundamental importance in the functioning of numerous membrane-mediated biochemical processes including antimicrobial peptide action, hormone-receptor interactions, drug bioavailability across the blood-brain barrier and viral fusion processes. Alteration of peptide structure could be a cause of many diseases. Biological membranes are complex systems, therefore simplified models may be introduced in order to understand processes occurring in nature. The lipid monolayers at the air/water interface are suitable model systems to mimic biological membranes since many parameters can be easily controlled. In the present work the lipid monolayers were used as a model membrane and their interactions with two different peptides B18 and Amyloid beta (1-40) peptide were investigated. B18 is a synthetic peptide that binds to lipid membranes that leads to the membrane fusion. It was demonstrated that it adopts different structures in the aqueous solutions and in the membrane interior. It is unstructured in solutions and forms alpha-helix at the air/water interface or in the membrane bound state. The peptide has affinity to the negatively charged lipids and even can fold into beta-sheet structure in the vicinity of charged membranes at high peptide to lipid ratio. It was elucidated that in the absence of electrostatic interactions B18 does not influence on the lipid structure, whereas it provides partial liquidization of the negatively charged lipids. The understanding of mechanism of the peptide action in model system may help to develop the new type of antimicrobial peptides as well as it can shed light on the general mechanisms of peptide/membrane binding. The other studied peptide - Amyloid beta (1-40) peptide, which is the major component of amyloid plaques found in the brain of patients with Alzheimer's disease. Normally the peptide is soluble and is not toxic. During aging or as a result of the disease it aggregates and shows a pronounced neurotoxicity. The peptide aggregation involves the conformational transition from a random coil or alpha-helix to beta-sheets. Recently it was demonstrated that the membrane can play a crucial role for the peptide aggregation and even more the peptide can cause the change in the cell membranes that leads to a neuron death. In the present studies the structure of the membrane bound Amyloid beta peptide was elucidated. It was found that the peptide adopts the beta-sheet structure at the air/water interface or being adsorbed on lipid monolayers, while it can form alpha-helical structure in the presence of the negatively charged vesicles. The difference between the monolayer system and the bulk system with vesicles is the peptide to lipid ratio. The peptide adopts the helical structure at low peptide to lipid ratio and folds into beta-sheet at high ratio. Apparently, Abeta peptide accumulation in the brain is concentration driven. Increasing concentration leads to a change in the lipid to peptide ratio that induces the beta-sheet formation. The negatively charged lipids can act as seeds in the plaque formation, the peptide accumulates on the membrane and when the peptide to lipid ratio increases it the peptide forms toxic beta-sheet containing aggregates.
N2  - Wechselwirkungen zwischen Peptiden und Lipiden sind von grundlegender Bedeutung für die Funktion vieler Membran-vermittelter biochemischer Prozesse wie der Wirkung von antimikrobiellen Peptiden, Hormon-Rezeptor Wechselwirkungen, Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen durch die Blut-Hirn-Schranke und viraler Fusionsprozesse. Veränderungen in der Peptidstruktur können die Ursache für viele Erkrankungen sein. Biologische Membranen sind für grundlegende physikalisch-chemische Untersuchungen von Naturprozessen zu komplexe Systeme, so dass vereinfachte Modelle für solche Studien eingesetzt werden. Eine Lipidmonoschicht an der Wasser/Luft Grenzfläche ist ein geeignetes Modellsystem für eine Membranoberfläche. Viele physikalisch-chemischen Parameter können auf einfache Weise gezielt verändert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Lipidmonoschichten genutzt, um Wechselwirkungen mit zwei unterschiedlichen Peptiden (B18 and Amyloid Beta (1-40) Peptid) zu untersuchen. B18 ist ein oberflächenaktives synthetisches Peptid, das an Lipidmembranen bindet und zu Membranfusion führt. Es kann verschiedene Sekundärstrukturen ausbilden. So ist B18 in wässrigen Lösungen ungeordnet und bildet eine alpha-helikale Struktur an der Wasser/Luft Grenzfläche. Das Peptid hat eine große Affinität zu negativ geladenen Lipiden und kann in der Nähe von geladenen Membranoberflächen bei einem großen Peptid/Lipid Verhältnis eine Beta-Faltblatt Struktur ausbilden. Beim Fehlen elektrostatischer Wechselwirkungen hat B18 keinen Einfluss auf die Lipidstruktur. Es wirkt jedoch strukturabbauend auf anionische Lipide. Das Verständnis der Peptidwirkungen in Modellsystemen kann helfen, generelle Mechanismen von Peptide-Membran Wechselwirkungen zu verstehen und zur Entwicklung neuer antimikrobieller Peptide beizutragen. Amyloid Beta (1-40) Peptid ist die Hauptkomponente von Amyloid-Plaque, das im Gehirn von Alzheimer Patienten gefunden wird. Normalerweise ist das Peptid löslich und nicht toxisch. Hohe Neurotoxizität wird bei Peptidaggregation, die eine Strukturumwandlung von ungeordnet oder alpha-helikal zu Beta-Faltblatt nach sich zieht, beobachtet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Struktur des Membran-gebundenen Amyloid Beta (1-40) Peptids untersucht. Es zeigte sich, dass das Peptid nach Adsorption an die Wasser/Luft Grenzfläche oder an Lipidmonoschichten eine Beta-Faltblatt Struktur ausbildet. Eine alpha-helikale Sekundärstruktur wird nur bei Anwesenheit negativ geladenen Lipidvesikel gefunden. Der entscheidende Unterschied zwischen den Monoschicht- und Vesikel-Systemen ist das Peptid/Lipid Verhältnis. Die alpha-helikale Struktur wird nur bei kleinem Peptid/Lipid Verhältnis beobachtet, während bei großem eine Beta-Faltblatt Struktur auftritt. Steigende Konzentration an Amyloid Beta (1-40) Peptid führt zum Anstieg des Peptid/Lipid Verhältnisses und damit zur Ausbildung der Beta-Faltblatt Struktur. Negativ geladene Lipide können somit als Keimpunkte für die Plaquebildung fungieren.
KW  - Lipide
KW  - Monoschicht
KW  - Peptide
KW  - Phospholipid
KW  - Langmuir monolayers
KW  - IRRAS
KW  - Amyloid peptide
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5670
ER  -