Authors:	Junk, Matthias J. N.
Title:	Assessing the functional structure of molecular transporters by EPR spectroscopy
Online publication date:	8-Jun-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	In this thesis, the self-assembled functional structure of a broad range of amphiphilic molecular transporters is studied. By employing paramagnetic probe molecules and ions, continuous-wave and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal information about the local structure of these materials from the perspective of incorporated guest molecules. First, the transport function of human serum albumin for fatty acids is in the focus. As suggested by the crystal structure, the anchor points for the fatty acids are distributed asymmetrically in the protein. In contrast to the crystallographic findings, a remarkably symmetric entry point distribution of the fatty acid binding channels is found, which may facilitate the uptake and release of the guest molecules. Further, the metal binding of 1,2,3-triazole modified star-shaped cholic acid oligomers is studied. These biomimetic molecules are able to include and transport molecules in solvents of different polarity. A pre-arrangement of the triazole groups induces a strong chelate-like binding and close contact between guest molecule and metal ion. In absence of a preordering, each triazole moiety acts as a single entity and the binding affinity for metal ions is strongly decreased. Hydrogels based on N-isopropylacrylamide phase separate from water above a certain temperature. The macroscopic thermal collapse of these hydrogels is utilized as a tool for dynamic nuclear polarization. It is shown that a radical-free hyperpolarized solution can be achieved with a spin-labeled gel as separable matrix. On the nanoscale, these hydrogels form static heterogeneities in both structure and function. Collapsed regions protect the spin probes from a chemical decay while open, water-swollen regions act as catalytic centers. Similarly, thermoresponsive dendronized polymers form structural heterogeneities, which are, however, highly dynamic. At the critical temperature, they trigger the aggregation of the polymer into mesoglobules. The dehydration of these aggregates is a molecularly controlled non-equilibrium process that is facilitated by a hydrophobic dendritic core. Further, a slow heating rate results in a kinetically entrapped non-equilibrium state due to the formation of an impermeable dense polymeric layer at the periphery of the mesoglobule. In dieser Dissertation wurde die durch Selbstanordnung ausgebildete funktionale Struktur eines breiten Spektrums amphiphiler molekularer Transporter untersucht. Unter Verwendung paramagnetischer Sondenmoleküle und –ionen und mittels kontinuierlicher und gepulster Elektronenspinresonanz-Spektroskopie konnten Informationen über die lokale Struktur dieser Materialien aus Sicht eingelagerter Gastmoleküle erhalten werden. Zunächst wurde die Transportfunktion von Albumin des menschlichen Serums für freie Fettsäuren untersucht. Im Einklang mit der Kristallstruktur wurde eine asymmetrische Verteilung der Fettsäureankerpunkte im Protein gefunden. Im Gegensatz zu kristallographischen Studien sind jedoch die Zugangspunkte zu den Fettsäurebindungskanälen bemerkenswert symmetrisch auf der Proteinoberfläche verteilt. Diese symmetrische Verteilung kann zu einer erleichterten Aufnahme und Abgabe von Gastmolekülen beitragen. Weiterhin wurde die Koordination von Metallen zu 1,2,3-Triazol-modifizierten sternförmigen Cholsäurederivaten untersucht. Diese biomimetischen Systeme können Moleküle in Lösungsmitteln inkompatibler Polarität aufnehmen und transportieren. Eine strukturelle Voranordnung der Triazolgruppen bewirkt eine starke, einem Chelat ähnliche Koordination des Metallions und einen engen Kontakt zu dem eingelagerten Gastmolekül. Ohne diese strukturelle Voranordnung agieren alle Triazoleinheiten als einzelne Entitäten, wodurch der Chelateffekt verloren geht und die Bindungsaffinität für Metallionen stark verringert wird. Oberhalb einer bestimmten Temperatur unterlaufen auf N-Isopropylacrylamid basierende Hydrogele eine Phasenseparation von Wasser. Der makroskopisch beobachtbare thermische Kollaps dieser Hydrogele wurde für die dynamische Kernpolarisation ausgenutzt. Es konnte gezeigt werden, dass eine radikalfreie hyperpolarisierte Lösung mit Hilfe eines spinmarkierten Gels als separierbare Matrix erhalten werden kann. Im Nanometerbereich bilden sich in diesen Hydrogelen temperaturabhängig statische strukturelle und funktionelle Inhomogenitäten aus. Spinsonden werden in kollabierten Bereichen vor einer chemischen Abbaureaktion geschützt, während mit Wasser gequollene Bereiche als katalytische Zentren agieren. Gleichsam bilden thermoresponsive dendronisierte Polymere strukturelle Heterogenitäten aus, die jedoch hochgradig dynamischer Natur sind. Diese leiten an der kritischen Temperatur die Aggregation des Polymers in Mesokugeln ein. Die Dehydratisierung dieser Aggregate ist ein molekular kontrollierter Nichtgleichgewichtsprozess, der durch einen hydrophoben Kern erleichtert wird. Zudem bewirkt eine kleine Heizrate einen kinetisch gefangenen Nichtgleichgewichtszustand, da sich eine undurchlässige, dichte polymere Schicht an der Grenzfläche der Mesokugel ausbildet.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2287
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-22893
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	268 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen