Korrelierte und weitere Dynamik in Proteinen mittels NMR Spektroskopie

In der ersten Häfte dieser Doktorarbeit wurde die Verwendung von drei NMR Parametern für die Messung von Protein Dynamik untersucht. Das Wissen über die Dynamik von Proteinen is essenziell für das Verständnis vieler Proteinfunktionen. NMR Spektroskopie ia ein sehr vielseitiges Hilfsmittel für die Bestimmung von Protein Dynamik aufgrund ihrer atomaren Auflösung und ihrer experimentellen Vielseitigkeit. Residuale dipolare Kopplungen (RDCs) werden seit einigen Jahren verwendet um Dynamik im Zeitfenster zwischen Nanosekunden und Mikrosekunden zu messen, was mittels früherer Methoden unmöglich war. Die selbstkonsistente RDC basierte Model freie (SCRM) Methode kann benutzt werden, um aus RDC Datensätzen aus mehreren Orientierungsmedien das dynamische Verhalten eines Atompaares zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential der SCRM Methode strukturelle Ungenauigkeiten zu kompensieren analysiert. In einem zweiten Projekt wurden Möglichkeiten untersucht korrelierte Bewegungen in Proteinen zu detektieren. Hierfür wurden kreuzkorrelierte Relaxation (CCR) Raten zwischen zwei Atompaaren gemessen, deren Größe direkt vom Winkel zwischen den beiden internuklearen Vektoren abhängt und somit Informationen über korrelierte Bewegungen der Atompaare liefern kann. Mehrere Experimente für die Messung von CCR Raten im Protein Rückgrat, im hydrophoben Kern und zwischen ß-Faltblättern wurden hierfür entwickelt. Zusätzlichzu RDCs und CCR Raten können auch die Raten des Nuclear Overhauser Effects (NOE) Protein Dynamik reflektieren. Es wurden NOESY Spektren bei drei Feldstärken gemessen und deren Signale zugeordnet für eine spätere Bestimmung und Verwendung der NOE Raten. In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, ob Bizellen eine hilfreiche hydrophobe Umgebung für die Bestimmung der Strukturen von Membran Proteinen mittels Lösungs-NMR-Spektroskopie sein könnten. Bizellen sind ein Mittelstück zwischen kleinen Mizellen, die sich stark von physiologischen Membranen unterscheiden, und Liposomen, welche zu groß für die Verwendung in der Lösungs-NMR-Spektroskopie sind. Die Zusammensetzung der Bizellen wurde bestimmt und die Bizellen-Protein Kontaktfläche untersucht. Desweiteren wurden Hinweise für strukturelle Unterschiede des Proteins in Mizellen und Bizellen gefunden.In the first part of this thesis the use of three NMR parameter for the detection of protein dynamics are investigated. The knowledge about the dynamics of proteins is essential for the understanding of many protein functions. NMR spectroscopy is a very powerful tool for the detection of protein dynamics due to its atomic resolution and its variety of experiments. Residual dipolar couplings (RDCs) are used since a few years to measure motions in the time window between nanoseconds and microseconds, which was undetectable for earlier methods. The self-consistent RDC based model free (SCRM) method can be used to extract from RDC data sets in several different alignment media the dynamical behavior of the atom pair. In this thesis the structural noise elevating ability of the SCRM approach was examined. In a second project, possibilities for the detection of correlated motions in proteins were investigated. For this purpose cross-correlated relaxation (CCR) rates between two atom pairs were measured, which are directly depending on the angle between the two internuclear vectors and therefore can deliver information about correlated motions of the two atom pairs. Several experiments for the measurement of CCR rates in the protein backbone, in the hydrophobic core and between ß-strands were developed. In addition to RDCs and CCR rates also the Nuclear Overhauser Effect (NOE) rates can reflect protein dynamics. NOESY spectra of a fully protonated protein at three field strengths were measured and assigned for a later determination and use of the NOE rates. In a second part of the thesis it was investigated if bicelles could be a valuable hydrophobic environment of membrane proteins for the process of structure determination. Bicelles are a medium between small micelles, which differ strongly from physiological membranes, and liposomes, which are to large for the use with solution NMR spectroscopy. The composition of the bicelles were determined and the bicelle protein interface was investigated. Furthermore indications of structural differences of the protein in micelles and bicelles were found