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Femtosecond IR spectroscopy of photoswitchable peptides


Cervetto, Valentina. Femtosecond IR spectroscopy of photoswitchable peptides. 2008, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Proteine und Peptide sind flexible und fluktuierende Moleküle, deren Dynamik auf Zeitskalen von Sekunden bis Femtosekunden stattfindet. Ohne diese Fluktuationen würden die meisten biologischen Moleküle ihre Funktionen verlieren. Es ist folglich wichtig, Methoden zu entwickeln, um die Dynamik vom Peptiden und Proteinen zu untersuchen, um unterschiedliche Phänomene wie Proteinfaltung und Katalyse zu verstehen. Dynamische Prozesse auf Millisekunden und langsameren Zeitskalen können durch NMR Spektroscopie untersucht werden. Informationen über Picosekundendynamik kann man durch Infrarotspektroskopie erhalten. Mit Hilfe von zweidimensionaler IR Spektroskopie (2D-IR) kann man auch Strukturinformationen auf dieser Zeitskala gewinnen. Die hohe Zeitauflösung von 2D-IR kann man in vollem Umfang in der transienten 2D-IR Spektroskopie (T-2D-IR) ausnutzen. Transiente 2D-IR Spektroskopie ist ein vielversprechendes Werkzeug, um Informationen über Peptidgeometrie während einer Konformationsänderung zu gewinnen. Transiente 2D-IR Experimente erfordern einen externen Trigger, der strukturelle Änderungen zu einem wohldefinierten Zeitpunkt auslöst. Die Ziele dieser Dissertation sind, 2D-IR und transiente 2D-IR spektropische Techniken weiter zu entwickeln und schnelle Methoden zu studieren, um Peptidkonformationdynamik zu untersuchen, die natürliche Prozesse so nah wie möglich nachahmt. 2D-IR und T-2D-IR Spektroskopie werden zuerst eingeführt. Insbesondere wird ein ausführlicher Vergleich (theoretisch und experimentell) zwischen zwei experimentellen Implementierungen von 2D-IR Spektroskopie gemacht. Eine dieser Techniken wird dann zur Untersuchung photoinduzierter Konformationsänderungen in einem kleinen photoschaltbaren Polypeptid verwendet. Der Photoschalter im Polypeptid ist eine Thiopeptideinheit, dass heisst eine Peptideinheit, in der ein Schwefelatom einen Karbonylsauerstoff ersetzt. Die Struktur des Thioxopeptides weicht nicht wesentlich von der Struktur des ursprünglichen Oxopeptides ab. Das Thiopeptid ist selektiv photoschaltbar. Um die Isomerisierung der Thioamidbindung zu untersuchen, haben wir zuerst das kleinste Molekül mit einer Thioxoamidbindung, N-Methylthioacetamide (NMTAA), studiert. Die Isomerisierung von NMTAA geschieht mit einer hohen Quantenausbeute auf einer hundert Picosekundenzeitskala. Die Isomerisierung der Thioamidbindung wurde danach in einem Modellpeptid untersucht. Dieses Modellmolekül besteht aus zwei Alaninen, die durch einem Thioschalter separiert sind, sowie zwei Schutzgruppen. Das Molekül kann eine zyklische Konformation annehmen, die durch eine Wasserstoffbrückenbindung stabilisiert wird, in Koexistenz mit verschiedenen offenen Konformationen. UV-Pump IR-Probe Spektroscopie zeigt, dass die Isomerisierung der Thioeinheit ein effizienter Prozess ist, und dass die Wasserstoffbrücke brechen kann. Am Ende dieser Dissertation analysieren wir sorgfältig die T-2D-IR Spektren, die für das Thioxopeptid aufgenommen wurden. Wir zeigen, dass dieses Molekül ein gutes Modell ist, um zu verstehen wie die transienten 2D- IR Signale mit Peptidkonformationdynamik zusammenhängen.


Proteins and peptides are flexible and fluctuating molecules whose dynamics occur on a wide range of time scales, extending from seconds to femtoseconds. Without these conformational fluctuations most biological molecules would cease to function. It is therefore important to develop methods to investigate the dynamics of peptides and proteins in order to understand different phenomena such as protein folding, motor proteins, catalysis and allosteric regulation. Dynamical processes on millisecond and slower time scales can be efficiently studied by NMR spectroscopy. Information on picosecond time scales can be obtained by infrared spectroscopy. The extension of linear spectroscopy to multidimensional techniques allows us to obtain also structural information. It has been demonstrated that two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy makes it possible to resolve distributions and dynamics of fast (on a sub-picosecond time scale) interconverting structures in equilibrium. The high time resolution of 2D-IR spectroscopy can be put to full use in the investigation of transient structures. Transient 2D-IR (T-2D-IR) spectroscopy is a promising tool to obtain information on peptides geometry during conformational transitions. Transient 2D-IR experiments require an external trigger to induce the structural changes at a well defined time. The aims of this thesis are to further develop 2D-IR and transient 2D-IR spectroscopic techniques and to study fast methods to induce peptide conformational dynamics which mimic natural processes as closely as possible. To this end, 2D-IR and T-2D-IR spectroscopy are first introduced. In particular a fully detailed comparison (theoretical and experimental) between two experimental implementations of 2D-IR spectroscopy is given. One of these spectroscopic techniques is then applied to study photoinduced conformational changes in a small photoswitchable polypeptide. The photoswitch in the polypeptide is a thioxo-peptide unit, i.e. a peptide where a sulfur atom has replaced one backbone carbonyl oxygen. The one atom substitution does not alter significantly the structure of the thiopeptide from the original oxopeptide structure but renders the peptide selectively photo-isomerizable from the trans to the cis conformation without photodecomposition. In order to investigate the isomerization mechanism of the thioamide bond, we have first followed the isomerization mechanism of the smallest molecule isomerizable containing a thioamide bond, N-Methylthioacetamide (NMTAA), by means of time resolved IR spectroscopy. The isomerization of NMTAA occurs with a high quantum yield on a few hundred picoseconds time scale. After establishing the NMTAA isomerization mechanism we have inserted the thioamide bond in a model peptide constituted by two symmetric alanine units separated by a thioswitch unit and two terminal groups. The molecules can adopt a cyclic conformation stabilized by a hydrogen bond in coexistence with more extended conformations. UV-pump IR-probe measurements show that the isomerization of the thiounit is an efficient process, and causes the opening of the loop conformation. At the end of this thesis we analyze carefully T-2D-IR spectra obtained for the thioxopeptide, and we show that this molecule is a good model to explore how the transient 2D-IR signals are related to peptide conformational dynamics.

Abstract

Proteine und Peptide sind flexible und fluktuierende Moleküle, deren Dynamik auf Zeitskalen von Sekunden bis Femtosekunden stattfindet. Ohne diese Fluktuationen würden die meisten biologischen Moleküle ihre Funktionen verlieren. Es ist folglich wichtig, Methoden zu entwickeln, um die Dynamik vom Peptiden und Proteinen zu untersuchen, um unterschiedliche Phänomene wie Proteinfaltung und Katalyse zu verstehen. Dynamische Prozesse auf Millisekunden und langsameren Zeitskalen können durch NMR Spektroscopie untersucht werden. Informationen über Picosekundendynamik kann man durch Infrarotspektroskopie erhalten. Mit Hilfe von zweidimensionaler IR Spektroskopie (2D-IR) kann man auch Strukturinformationen auf dieser Zeitskala gewinnen. Die hohe Zeitauflösung von 2D-IR kann man in vollem Umfang in der transienten 2D-IR Spektroskopie (T-2D-IR) ausnutzen. Transiente 2D-IR Spektroskopie ist ein vielversprechendes Werkzeug, um Informationen über Peptidgeometrie während einer Konformationsänderung zu gewinnen. Transiente 2D-IR Experimente erfordern einen externen Trigger, der strukturelle Änderungen zu einem wohldefinierten Zeitpunkt auslöst. Die Ziele dieser Dissertation sind, 2D-IR und transiente 2D-IR spektropische Techniken weiter zu entwickeln und schnelle Methoden zu studieren, um Peptidkonformationdynamik zu untersuchen, die natürliche Prozesse so nah wie möglich nachahmt. 2D-IR und T-2D-IR Spektroskopie werden zuerst eingeführt. Insbesondere wird ein ausführlicher Vergleich (theoretisch und experimentell) zwischen zwei experimentellen Implementierungen von 2D-IR Spektroskopie gemacht. Eine dieser Techniken wird dann zur Untersuchung photoinduzierter Konformationsänderungen in einem kleinen photoschaltbaren Polypeptid verwendet. Der Photoschalter im Polypeptid ist eine Thiopeptideinheit, dass heisst eine Peptideinheit, in der ein Schwefelatom einen Karbonylsauerstoff ersetzt. Die Struktur des Thioxopeptides weicht nicht wesentlich von der Struktur des ursprünglichen Oxopeptides ab. Das Thiopeptid ist selektiv photoschaltbar. Um die Isomerisierung der Thioamidbindung zu untersuchen, haben wir zuerst das kleinste Molekül mit einer Thioxoamidbindung, N-Methylthioacetamide (NMTAA), studiert. Die Isomerisierung von NMTAA geschieht mit einer hohen Quantenausbeute auf einer hundert Picosekundenzeitskala. Die Isomerisierung der Thioamidbindung wurde danach in einem Modellpeptid untersucht. Dieses Modellmolekül besteht aus zwei Alaninen, die durch einem Thioschalter separiert sind, sowie zwei Schutzgruppen. Das Molekül kann eine zyklische Konformation annehmen, die durch eine Wasserstoffbrückenbindung stabilisiert wird, in Koexistenz mit verschiedenen offenen Konformationen. UV-Pump IR-Probe Spektroscopie zeigt, dass die Isomerisierung der Thioeinheit ein effizienter Prozess ist, und dass die Wasserstoffbrücke brechen kann. Am Ende dieser Dissertation analysieren wir sorgfältig die T-2D-IR Spektren, die für das Thioxopeptid aufgenommen wurden. Wir zeigen, dass dieses Molekül ein gutes Modell ist, um zu verstehen wie die transienten 2D- IR Signale mit Peptidkonformationdynamik zusammenhängen.


Proteins and peptides are flexible and fluctuating molecules whose dynamics occur on a wide range of time scales, extending from seconds to femtoseconds. Without these conformational fluctuations most biological molecules would cease to function. It is therefore important to develop methods to investigate the dynamics of peptides and proteins in order to understand different phenomena such as protein folding, motor proteins, catalysis and allosteric regulation. Dynamical processes on millisecond and slower time scales can be efficiently studied by NMR spectroscopy. Information on picosecond time scales can be obtained by infrared spectroscopy. The extension of linear spectroscopy to multidimensional techniques allows us to obtain also structural information. It has been demonstrated that two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy makes it possible to resolve distributions and dynamics of fast (on a sub-picosecond time scale) interconverting structures in equilibrium. The high time resolution of 2D-IR spectroscopy can be put to full use in the investigation of transient structures. Transient 2D-IR (T-2D-IR) spectroscopy is a promising tool to obtain information on peptides geometry during conformational transitions. Transient 2D-IR experiments require an external trigger to induce the structural changes at a well defined time. The aims of this thesis are to further develop 2D-IR and transient 2D-IR spectroscopic techniques and to study fast methods to induce peptide conformational dynamics which mimic natural processes as closely as possible. To this end, 2D-IR and T-2D-IR spectroscopy are first introduced. In particular a fully detailed comparison (theoretical and experimental) between two experimental implementations of 2D-IR spectroscopy is given. One of these spectroscopic techniques is then applied to study photoinduced conformational changes in a small photoswitchable polypeptide. The photoswitch in the polypeptide is a thioxo-peptide unit, i.e. a peptide where a sulfur atom has replaced one backbone carbonyl oxygen. The one atom substitution does not alter significantly the structure of the thiopeptide from the original oxopeptide structure but renders the peptide selectively photo-isomerizable from the trans to the cis conformation without photodecomposition. In order to investigate the isomerization mechanism of the thioamide bond, we have first followed the isomerization mechanism of the smallest molecule isomerizable containing a thioamide bond, N-Methylthioacetamide (NMTAA), by means of time resolved IR spectroscopy. The isomerization of NMTAA occurs with a high quantum yield on a few hundred picoseconds time scale. After establishing the NMTAA isomerization mechanism we have inserted the thioamide bond in a model peptide constituted by two symmetric alanine units separated by a thioswitch unit and two terminal groups. The molecules can adopt a cyclic conformation stabilized by a hydrogen bond in coexistence with more extended conformations. UV-pump IR-probe measurements show that the isomerization of the thiounit is an efficient process, and causes the opening of the loop conformation. At the end of this thesis we analyze carefully T-2D-IR spectra obtained for the thioxopeptide, and we show that this molecule is a good model to explore how the transient 2D-IR signals are related to peptide conformational dynamics.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hamm Peter, Seeger Stefan
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Department of Chemistry
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:540 Chemistry
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2008
Deposited On:02 Mar 2009 18:58
Last Modified:24 Sep 2019 16:01
Number of Pages:115
Additional Information:Enthält Sonderdrucke
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005629205&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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