Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4194
Authors: Schmüser-Steger, Lars
Title: Vibrational sum frequency generation pectroscopy of proteins at interfaces
Online publication date: 3-Sep-2018
Language: english
Abstract: This thesis is about Sum Frequency Generation Spectroscopy (SFG) of proteins at different interfaces. The main goal was to obtain detailed structural information of proteins at interfaces gained by this method. To obtain protein structural information is important for the understanding of protein functions. But drawing a molecular picture of proteins at or in cell membranes remains a rarely reached holy grail in protein biophysics. Hence, finding ways for solving structures of those proteins can substantially deepen our understanding of the function of cell membranes. The results of this thesis are divided into three sections. In the first section, the tilt angle of a membrane binding protein is determined with SFG spectroscopy. The protein IM30 was injected below a lipid monolayer, the subsequent binding was followed by SFG spectroscopy. The protein’s tilt angle was then deduced from protein to lipid peak intensity ratios. The second section deals with the absolute orientation of peptides at interfaces. Since tilt angles of molecules measured with non-phase-resolved SFG exhibit a 180° phase uncertainty, the absolute orientation remains unknown. Phase-resolved SFG provides this missing information. Here, phase-resolved SFG was employed to study the absolute orientation of LK-peptides at the water air interface. And the last section approaches the holy grail of structural information of membrane proteins with atomic resolution. Here, we describe an approach combining Molecular Dynamic simulations with SFG spectroscopy to predict and verify structures of membrane proteins. Interestingly, the experimental ease and the structural information gained are working in opposite directions. The more the SFG response of a protein is canceled out due to inversion symmetry, the more information can be deduced from its SFG spectra. IM30, which consists of more than 50 parallel alpha helices, is experimentally easy to study. Yet, the spectral information is limited to a rough estimate of the overall tilt angle. On the other hand, GlpF which mainly consists of anti-parallel alpha helices exhibits an extremely low SFG intensity, but the spectral information suffices to verify MD-simulations.
Das Thema dieser Arbeit ist Sum Frequency Generation Spektroskopie (SFG) von Proteinen an verschiedenen Grenzflächen. Das Hauptziel war, detaillierte Strukturinformationen von Proteinen an Grenzflächen zu erhalten. Diese Informationen sind für das Verständnis der jeweiligen Proteinfunktion wichtig. Aber trotz der Relevanz bleibt ein molekulares Bild von Proteinen an oder in Zellmembranen ein selten erreichtes Ziel in der Proteinbiophysik. Das Finden neuer Wege zur Erzeugung von Protein-Strukturinformation könnte demnach das Verständnis der Funktion von Zellmembranen wesentlich bereichern. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in drei Abschnitte unterteilt. Im ersten Abschnitt wird der Neigungswinkel eines membranbindenden Proteins mit SFG-Spektroskopie bestimmt. Das Protein IM30 wurde unter eine Lipidmonoschicht injiziert, die anschließende Bindung wurde durch SFG-Spektroskopie verfolgt. Der Protein-Neigungswinkel wurde dann aus Protein-zu-Lipid-Peak-Intensitätsverhältnissen abgeleitet. Der zweite Abschnitt befasst sich mit der absoluten Orientierung von Peptiden an Grenzflächen. Da Neigungswinkel von Molekülen, die mit nicht-phasenaufgelöstem SFG bestimmt werden, eine 180 ° -Phasenunsicherheit aufweisen, bleibt die absolute Orientierung unbekannt. Dieses lässt sich mit Phasen aufgelöster SFG Spektroskopie beheben. Hier wurde phasenaufgelöstes SFG verwendet, um die absolute Orientierung von LK-Peptiden an der Wasser-Luft-Grenzfläche zu untersuchen. Der letzte Abschnitt beschreibt einen Ansatz, der Strukturinformation von Membranproteinen mit atomarer Auflösung bestimmen kann. Hierbei wird das Ergebnis einer Molecular Dynamics Simulation mit experimenteller und gerechneter SFG-Spektroskopie verglichen, um Strukturen von Membranproteinen vorherzusagen und zu verifizieren. Interessanterweise sind die experimentelle Durchführbarkeit, und die dabei gewonnenen Strukturinformationen gegenläufige Eigenschaften. Je stärker die SFG-Antwort eines Proteins aufgrund von Inversions-Symmetrie ausgelöscht wird, desto mehr Informationen lassen sich aus seinen SFG-Spektren ableiten. IM30, das aus mehr als 50 parallelen alpha-Helices besteht, ist mit SFG Spektroskopie verhältnismäßig einfach zu studieren. Jedoch ist die gewonnene Information auf eine grobe Abschätzung des Gesamtneigungswinkels beschränkt. Auf der anderen Seite weist GlpF, dass hauptsächlich aus anti-parallelen alpha-Helices besteht, eine extrem niedrige SFG-Intensität auf, aber die Daten reichen aus, um MD-Simulationen zu verifizieren.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: MaxPlanck GraduateCenter
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4194
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000022580
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 92 Blätter
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