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Korrelationen der chemischen Verschiebung an schnell rotierenden biologischen Festkörpern mittels NMR-Spektroskopie

Herbst, Christian - Friedrich-Schiller-Universität Jena (2010)


Die NMR-Spektroskopie ist ein leistungsstarkesWerkzeug für Strukturstudien und wird routinemäßig für kleine bis mittelgroße biologische Systeme in Lösung verwendet. Infolge begrenzter Löslichkeit, breiter Spektrallinien aufgrund kurzer Relaxationszeiten großer Moleküle sowie Problemen bei der Herstellung von Einkristallen für die Röntgenkristallographie, ist es oft notwendig, auf Festkörper-NMR-Spektroskopie auszuweichen.

Das Potenzial dieser Technik wurde in Strukturuntersuchungen an Peptiden und Proteinen sowie Ribonukleinsäuren und Amyloid-Fibrillen aufgezeigt. Grundlegend für NMR-Experimente im Allgemeinen ist die Resonanzzuordnung, bei der jedem Kern im Molekül ein Resonanzsignal im NMR-Spektrum zugeordnet wird. Dies erlaubt nachfolgende Untersuchungen von Abständen, Torsionswinkeln und anderen strukturellen Parametern. Mittels numerischer Verfahren wird daraus eine Struktur berechnet, die konsistent mit den so bestimmten Parametern ist.

Es ist somit naheliegend, sich mit der Entwicklung und Verbesserung von Korrelationsexperimenten der chemischen Verschiebung zu beschäftigen, welche für Resonanzzuordnungen und Abstandsmessungen genutzt werden können. Besonderes Augenmerk sollte darauf gelegt werden, dass die Pulssequenzen auch bei hohen Drehfrequenzen anwendbar sind, bei denen die negativen Effekte anisotroper Wechselwirkungen eliminiert werden.

In diesem Kontext wurden in früheren Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe die Vorteile aufgezeigt, Korrelationsexperimente ohne 1H-Entkopplung während der Mischzeit durchzuführen. Damit konnten Interferenzen zwischen dem Entkopplungs- und Rückkopplungskanal verhindert werden. Allerdings besitzt der dort verwendete tanh/tan-Puls einen hohen HF-Leistungsfaktor, wodurch solche Mischsequenzen potentiell Schäden an der Probe und/oder der NMR-Technik verursachen können. Deshalb wird in dieser Arbeit untersucht, ob adiabatische Pulse mit niedrigem HF-Leistungsfaktor effektiv in homonuklearen Korrelationsexperimenten eingesetzt werden können.

Da adiabatische Pulse nicht immer zufriedenstellende Wirksamkeit zeigen, wird hier das HF-Pulsprofil den experimentellen Gegebenheiten angepasst. Hierfür wird die globale Optimierungsmethode Genetic Algorithms (GA) angewandt, um effiziente 180°- und 360°-Pulse zu generieren. Diese sollen in einem weiteren Schritt in Pulssequenzen verwendet werden, deren Effektivität numerisch und experimentell überprüft wird. Weiterführend sollen solche Pulse genutzt werden, um symmetriebasierte Rückkopplung auch bei hohen Drehfrequenzen zu erreichen. Die Anwendbarkeit wird zuerst für homonukleare CNvn- und RNvn n-Pulssequenzen geprüft und dann auf heteronukleare RNvs,vkn-Rückkopplungssequenzen erweitert, in denen die Einstrahlung von HF-Pulsen auf zwei Kanälen notwendig ist. Dabei werden zwei verschiedene Varianten, die Phasenmodulationsprofile darzustellen, verwendet: (i) als Teilsumme einer Fourierreihe oder (ii) eingeteilt in eine kleine Zahl von Intervallen gleicher Länge.

Moderne Spektrometer besitzen das Potenzial, mittels mehrerer Empfänger verschiedene Signale gleichzeitig aufzunehmen. Dies soll mittels hier zu entwickelnden RNvs,vkn Pulssequenzen sowohl zur gleichzeitigen Aufnahme von 2D-15N13C- und 13C15N sowie von 3D-15N-13C-13C- und 13C-15N-(1H)-1H-Korrelationsspektren erfolgen. Diese Experimente erlauben die Zuordnung von Resonanzen sowie eine Untersuchung der globalen Faltung von Proteinen. Weiterhin sollen mehrere Empfänger zur simultanen Durchführung von CHHC-, CHHN-, NHHC-, und NHHN-Experimenten verwendet werden, welche besonders wichtig in strukturellen Studien an Ribonukleinsäuren sind.

So können unter anderem Wasserstoffbrückennetzwerke und der glykosidische Torsionswinkel χ charakterisiert werden. Durch die Aufnahme aller vier Spektren in einem einzigen Experiment wird eine erhebliche Zeitersparnis erreicht.


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