Strukturelle Untersuchungen an kleinen Peptiden in der Gasphase, mithilfe der Infrarot-Mehrphotonen-Dissoziationsspektroskopie
Gorn, Tim - Heinrich Heine Universität Düsseldorf (2018)
Die in dieser Dissertation behandelten Fragestellungen besitzen ihren theoretischen Hintergrund sowohl in Teilbereichen der Bioanalytik, als auch in den Bereichen der physikalisch-chemischen Forschungsgebiete finden. Nachfolgend werden einige dieser Teilbereiche aufgegriffen und im Bezug zu den in dieser Dissertation betrachteten Fragestellungen erläutert. Diese Fragestellungen bezogen sich einerseits auf die Energetik verschiedener Konformationen von kleinen Peptiden, sowie auf die technische Realisierung zur Ermittlung ihrer Strukturen.
Im Zuge dieser Dissertation habe ich einerseits eine Apparatur zur Mehrphotonenionisation mit Detektion via Massenspektrometrie aufgebaut und in Betrieb genommen, sowie die Konformationen der Dipeptide, Glycin-Glycin (Di-Glycin) und Alanin-Alanin (Di-Alanin) mit einer neuen spektroskopischen Methode, der IR-Multiphotonendissoziationsspektroskopie (IRMPD), untersucht. Die Untersuchung dieser Dipeptide wurde unter Verwendung einer Laserdesorption und einer Infrarotanregung mit dem freien Elektronen-Lasers FELIX in Holland, sowie eines alternativen Messaufbaus an der Radboud University, Niederlande durchgeführt.
Der experimentelle Aufbau in Nijmegen wurde für die Durchführung der noch jungen Messmethode IR-Anregung mit nachfolgender Einphotonenionisation verwendet. In dieser, Mehrphotonen-Anregungsmethode kommt jedoch nicht ausschließlich eine Multiphoton-Infrarot-Anregung mit dem freien Elektronenlaser FELIX zum Einsatz, sondern zusätzlich wird eine nachgeschaltete 1-Photonen-Ionisation mit Vakuum-UV-Photonen (1-VUV) eingesetzt. Damit werden die ins Vakuum gebrachten neutralen, in einem Überschallstrahl gekühlten Moleküle ionisiert und so ein massenabhängiges Signal am Detektor erzeugt. Das generierte Muttermassen-oder Fragment-Signal dient hierbei als Nachweis einer resonanten IR-Anregung. Wenn beim Durchstimmen der Frequenz von FELIX durch die infrarote Strahlung eine Schwingung im neutralen Molekül resonant angeregt wird, wird dies nach der Einphotonen-Ionisation durch eine Fragmentierung und somit einen Intensitätsverlust des Muttermassensignals erkennbar. Die Aufzeichnung des Ionensignals in Abhängigkeit der IR-Wellenlänge entspricht somit indirekt der Aufzeichnung eines IR Spektrums.
Die Besonderheit dieser Messungen liegt darin, dass im Gegensatz zu vorherigen Messungen anderer, die entweder protonierte positiv geladene Peptide oder neutrale Peptide mit aromatischen Seitenketten untersuchten, hier nun neutrale Dipeptide ohne aromatischen Chromophore untersucht werden.
Durch den anschließenden Vergleich der gewonnenen Messdaten mit quantenchemischen Berechnungen, konnte sowohl die unter den experimentellen Bedingungen vorliegende Konformationen der beiden Dipeptide bestimmt werden, als auch die gute apparative Eignung des experimentellen Aufbaus für die Bestimmung räumlicher Molkekülorientierungen bestätigt werden.
Einen weiteren, wesentlichen Arbeitsbereich dieser Dissertation, stellte die quantenchemische Berechnungen mithilfe der Methoden der "Dichtefunktionaltheorie", und der ab initio Berechnungen mit coupled cluster Ansätzen dar. Durch diese Berechnungen konnte die relative räumliche Lage der involvierten Atome in Abhängigkeit der energetischen Lage der Schwingungsniveaus ermittelt, und die experimentell gewonnenen Ergebnisse verifizieren werden. Aufgrund der Tatsache, dass eine große Anzahl an Konformeren vergleichbare Energien besitzt, bestand die Herausforderung in der Ermittlung der energetisch niedrigsten Struktur. Dies wurde in dieser Dissertation durch die Verwendung einer speziellen Software bewerkstelligt, welche eine intelligente Vorauswahl der Konformere möglich machte und somit die Anzahl der potentiell niederenergetischsten Struktur eischränkte. Die nachfolgend durchgeführten, quantenchemischen Berechnungen zur Optimierung der verbleibenden Strukturen, wurden am Hochleistungsrechner "HILBERT" der Heinrich-Heine-Universität durchgeführt und u.a. mit den theoretischen Berechnungen der Kollegen des Arbeitskreises für Physik der Universität Göteborg, Schweden verifiziert.
Die in meiner Dissertation mit der der 1-VUV Ionisierung nicht aromatischer Aminosäuren gewonnenen Resultate, bestätigen und ergänzen diese bisherigen quantenchemischen Berechnungen. Im Gegensatz zu den klassischen IR-UV-Doppelresonanzexperimenten mit IR-Anregung, gefolgt von einem resonanten Ionisationsschritt, mit zwei UV-Photonen über den S1-Zustand eines aromatischen Chromphphors verwenden, benötigt die hier beschriebene Methode keinen Chromophor. In den vorangegangenen Experimenten konnte dieser Chromophor entweder bereits im Peptid in Form einer aromatischen Aminosäure (Tryptophan, Tyrosin oder Phenylalanin) intrinsisch vorliegen, oder muss in einer Synthese als benzenoider Chromophor hinzugefügt werden. Die kovalente Anknüpfung eines Chromophors ändert aber vermutlich auch aber potentiell die Konformation des Peptids. Neben der räumlichen Anordnung der Atome in den genannten Dipeptide konnte in dieser Dissertation auch die Ausbildung von intramolekularen nichtkovalenten Rück-Bindungen ermittelt werden.