Universität zu Köln

Peckelsen, Katrin (2018). Strukturaufklärung komplexer Ionen in der Gasphase. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit sollten Histidin und in der Natur vorkommende Derivate, sowie deren Interaktion mit Kationen untersucht werden. Für die Untersuchung wurden Massenspektrometrie, computerchemische Modellierungen, sowie IRMPD-Experimente mit einem Freie-Elektronen-Laser durchgeführt. Zunächst sollte Ergothionein, ein Thiourea-Derivat von Histidin, welches ein Schwefelatom am Imidazol-Ring trägt, sowie dessen natürlicher Vorläufer Hercynin, ein Trimethylbetain von Histidin, untersucht werden. Ergothionein kann sowohl als Thiourea Derivat, als auch als das entsprechende Thiol vorliegen. Zunächst sollte Ergothionein in seiner protonierten Form und anschließend als Natrium Addukt untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass Ergothionein in der Gasphase als Thion vorliegt, obwohl Rechnungen zeigen, dass die Thiol Struktur in der Gasphase energetisch günstiger ist. Des Weiteren sollte die Struktur von Nickel-Histidin Komplexen in der Gasphase untersucht werden. Dabei wurde festgestellt, dass ein Histidin Molekül nicht ausreicht um Nickel adäquat zu komplexieren. Deshalb wurde die Studie auf Komplexe mit zwei Histidin Liganden ausgeweitet. Um den Einfluss des Kations, in Bezug auf Ionenradius und Ligandenaffinität, auf die Struktur der Komplexe zu untersuchen, wurden zusätzlich Calcium-Komplexe studiert. Es konnte gezeigt werden, dass drei ähnlich stabile Konformere des Nickel-Komplexes in der Gasphase simultan vorliegen. Für Calcium konnte keine so eindeutige Zuordnung getroffen werden. Um die Flexibilität der Komplexe einzuschränken und eine neue Bindungsstelle zu schaffen, wurde das Histidin Dipeptid (HisHis) synthetisiert und dieses als Ligand für Nickel und Calcium verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass der Nickel-Komplex eine Iminolat Struktur einnimmt, Calcium hingegen eine „Charge Solvation" Struktur, bei der C-Terminus deprotoniert ist, die Peptid-Bindung jedoch nicht. Als weitere Modifikation des Histidins sollte die Phosphorylierung (N-PO3H-), als Mimikry für die post-translationale Modifikation von Peptiden, untersucht werden. Für diese Studie wurde Histidin, Hercynin und HisHis untersucht. Durch die geringe Stabilität von Phosphor-Stickstoff Bindungen gestaltete sich die Generierung der Moleküle und deren Verwendung in der ESI-MS als äußerst schwierig. Durch die Anzahl möglicher Phosphorylierungsstellen in den Molekülen, nahm diese Studie zudem viel Rechenaufwand ein. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Kombination von MS, IRMPD und Computerchemie geeignet ist, um solch komplexe Fragestellungen zu bearbeiten.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In the presented thesis Histidine and its natural derivatives, as well as their interaction with cations was studied. For this purpose a combination of mass spectrometry, computational modelling and IRMPD-Spectroscopy with a free electron laser was used. Ergothioneine as a thiourea derivative of histidine, containing a sulfur atom on the imidazolring, as well as its natural precursor hercynine have been examined, with special attention on the thione/thiol equilibrium in ergothioneine. Furthermore, the presence of a physiological important alkali metal like sodium on this thione/thiol equilibrium was investigated. It was demonstrated that ergothioneine adopts a thiol structure although calculation predicted it as energetically disfavored. Furthermore, the structure of nickel histidine complexes was investigated in the gas phase. It turns out that one histidine is not sufficient to accommodate a nickel cation properly, but two are. Complexes with calcium and two histidine ligands have been examined, too. Nickel forms three similar stable complexes in gas phase that are present simultaneously. For the calcium histidine complexes a properly structural assignment was not possible. To give the ligands a more rigid form, the histidine dipeptide was synthesized an incorporated in the complexes. It was possible to demonstrate, that the HisHis- Ni complex adopts an iminolate structure whereas the calcium favors a charge solvation complex. As prominent post translational modification phosphorylation of histidine and the dipeptide was studied. Here it turned out to be difficult to match theory and experiment, as the molecules aren´t stable and there are too many possible structures. In general, the combination of the afore mentioned methods gives first insights into such complex issues. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Peckelsen, Katrin katrin.peckelsen@rub.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-83605
Date:	19 April 2018
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Organic Chemistry
Subjects:	Natural sciences and mathematics Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language IRMPD, Ion Spectroscopy, Histidin, Ergothionein UNSPECIFIED
Date of oral exam:	14 June 2018
Referee:	Name Academic Title Schäfer, Mathias Prof. Dr. Schlemmer, Stephan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8363