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Transient 2D-IR spectroscopy : towards ultrafast structural dynamics of peptides and proteins


Bredenbeck, Jens. Transient 2D-IR spectroscopy : towards ultrafast structural dynamics of peptides and proteins. 2005, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Peptide and protein dynamics extend over a continuum of timescales from seconds to the sub-picosecond range. For dynamics on a millisecond and slower timescale NMR spectroscopy represents a powerful structure resolving method. For faster processes in the liquid phase there is clearly a need for a method offering high time resolution and, at the same time, sufficient structure sensitivity. Nonlinear two-dimensional femtosecond infrared spectroscopy (2D-IR) combines structure sensitivity with high time resolution. So far, however, 2D-IR has been applied only to systems in equilibrium. The extension of 2D-IR to transient structures in the non-equilibrium regime seems very promising, not only for polypeptide dynamics but for the investigation of molecular dynamics in general. To this end the technique of transient 2D-IR spectroscopy (T2D-IR) is developed in this dissertation. The dissertation consists of two parts: In Part I 'Phototriggered Peptide Dynamics and Secondary Structure Formation' new tools for time resolved IR spectroscopy are introduced, that allow to investigate nonequilibrium dynamics of polypeptides in unprecedented detail. Built-in molecular photoswitches are employed to trigger and control peptide dynamics. Two peptide systems are discussed - a cyclic octapeptide based on the thioredoxin reductase active site as well as a photoswitchable alpha-helix. Part II 'Principles and Applications of Two-Dimensional and Transient Two-Dimensional IR Spectroscopy' starts with a comparison of different 2D-IR techniques. The idea of 2D-IR structure determination is introduced. The groundwork of T2D-IR is developed and different T2D- IR pulse sequences are investigated with respect to their information content. Finally, the first application of T2D-IR to the conformational transition of a photoswitchable peptide is demonstrated.

Dynamik von Peptiden und Proteinen erstreckt sich über Kontinuum von Zeitskalen von Sekunden bis in den Subpicosekundenbereich. Dynamik im Bereich von Millisekunden oder langsamer kann mit Hilfe der NMR Spektroskopie untersucht werden. Zur Untersuchung schnellerer Prozesse mangelt es jedoch an eine Methode, die sowohl die nötige Zeitauflösung als auch eine ausreichende Strukturempfindlichkeit bietet. Nichtlineare zwei-dimensionale Femtosekunden-Infrarotspektroskopie (2D-IR) vereint Strukturempfindlichkeit mit hoher Zeitauflösung. Bisher wurde 2D-IR jedoch nur auf Systeme im Gleichgewicht angewandt. Eine Erweiterung der Methode auf transiente Strukturen im Nichtgleichgewicht wäre von grossem Interesse - nicht nur zur Untersuchung der Dynamik von Polypeptiden sondern zur Untersuchung von Moleküldynamik im Allgemeinen. Diese Erweiterung wird in der vorliegenden Arbeit mit Entwicklung der Transienten 2D-IR Spektroskopie (T2D-IR) vollzogen. Im Teil I der Arbeit 'Phototriggered Peptide Dynamics and Secondary Structure Formation' werden neue Methoden der zeitaufgelösten Infrarotspektroskopie eingeführt, die eine detailierte Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polypeptiden ermöglichen. Zum Auslösen und Steuern von Konformationsänderungen werden molekulare Photoschalter eingesetzt. Es werden zwei Modelpeptide vorgestellt: ein cyclisches Oktapeptid, dessen Sequenz dem Aktiven Zentrum einer Thioredoxin Reduktase entspricht, sowie eine photoschaltbare alpha-helix. Teil II 'Principles and Applications of Two-Dimensional and Transient Two-Dimensional IR Spectroscopy' beginnt mit einem Vergleich verschiedener 2D-IR Implementationen. Die Idee der 2D- IR Strukturbestimmung wird vorgstellt. Experimentelle und theoretische Grundlagen der T2D-IR Spektroskopie werden eingeführt. Verschiedene T2D-IR Pulssequenzen werden im Hinblick auf ihren Informationsgehalt untersucht. Die Entwicklungen in Teil I und II bilden die Grundlage der Untersuchung eines photoschaltbaren Peptides mit T2D-IR Spektroskopie.

Abstract

Peptide and protein dynamics extend over a continuum of timescales from seconds to the sub-picosecond range. For dynamics on a millisecond and slower timescale NMR spectroscopy represents a powerful structure resolving method. For faster processes in the liquid phase there is clearly a need for a method offering high time resolution and, at the same time, sufficient structure sensitivity. Nonlinear two-dimensional femtosecond infrared spectroscopy (2D-IR) combines structure sensitivity with high time resolution. So far, however, 2D-IR has been applied only to systems in equilibrium. The extension of 2D-IR to transient structures in the non-equilibrium regime seems very promising, not only for polypeptide dynamics but for the investigation of molecular dynamics in general. To this end the technique of transient 2D-IR spectroscopy (T2D-IR) is developed in this dissertation. The dissertation consists of two parts: In Part I 'Phototriggered Peptide Dynamics and Secondary Structure Formation' new tools for time resolved IR spectroscopy are introduced, that allow to investigate nonequilibrium dynamics of polypeptides in unprecedented detail. Built-in molecular photoswitches are employed to trigger and control peptide dynamics. Two peptide systems are discussed - a cyclic octapeptide based on the thioredoxin reductase active site as well as a photoswitchable alpha-helix. Part II 'Principles and Applications of Two-Dimensional and Transient Two-Dimensional IR Spectroscopy' starts with a comparison of different 2D-IR techniques. The idea of 2D-IR structure determination is introduced. The groundwork of T2D-IR is developed and different T2D- IR pulse sequences are investigated with respect to their information content. Finally, the first application of T2D-IR to the conformational transition of a photoswitchable peptide is demonstrated.

Dynamik von Peptiden und Proteinen erstreckt sich über Kontinuum von Zeitskalen von Sekunden bis in den Subpicosekundenbereich. Dynamik im Bereich von Millisekunden oder langsamer kann mit Hilfe der NMR Spektroskopie untersucht werden. Zur Untersuchung schnellerer Prozesse mangelt es jedoch an eine Methode, die sowohl die nötige Zeitauflösung als auch eine ausreichende Strukturempfindlichkeit bietet. Nichtlineare zwei-dimensionale Femtosekunden-Infrarotspektroskopie (2D-IR) vereint Strukturempfindlichkeit mit hoher Zeitauflösung. Bisher wurde 2D-IR jedoch nur auf Systeme im Gleichgewicht angewandt. Eine Erweiterung der Methode auf transiente Strukturen im Nichtgleichgewicht wäre von grossem Interesse - nicht nur zur Untersuchung der Dynamik von Polypeptiden sondern zur Untersuchung von Moleküldynamik im Allgemeinen. Diese Erweiterung wird in der vorliegenden Arbeit mit Entwicklung der Transienten 2D-IR Spektroskopie (T2D-IR) vollzogen. Im Teil I der Arbeit 'Phototriggered Peptide Dynamics and Secondary Structure Formation' werden neue Methoden der zeitaufgelösten Infrarotspektroskopie eingeführt, die eine detailierte Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polypeptiden ermöglichen. Zum Auslösen und Steuern von Konformationsänderungen werden molekulare Photoschalter eingesetzt. Es werden zwei Modelpeptide vorgestellt: ein cyclisches Oktapeptid, dessen Sequenz dem Aktiven Zentrum einer Thioredoxin Reduktase entspricht, sowie eine photoschaltbare alpha-helix. Teil II 'Principles and Applications of Two-Dimensional and Transient Two-Dimensional IR Spectroscopy' beginnt mit einem Vergleich verschiedener 2D-IR Implementationen. Die Idee der 2D- IR Strukturbestimmung wird vorgstellt. Experimentelle und theoretische Grundlagen der T2D-IR Spektroskopie werden eingeführt. Verschiedene T2D-IR Pulssequenzen werden im Hinblick auf ihren Informationsgehalt untersucht. Die Entwicklungen in Teil I und II bilden die Grundlage der Untersuchung eines photoschaltbaren Peptides mit T2D-IR Spektroskopie.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hamm Peter
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2005
Deposited On:04 Jun 2019 15:49
Last Modified:25 Sep 2019 00:10
Number of Pages:208
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005030988&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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Language: English
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