Universität zu Köln

Jütten, Linda ORCID: 0000-0002-8149-8300 (2021). 3D-structure of synthetic peptides and molecular interactions in biomimetic media probed by NMR spectroscopy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful method to characterise the processes of biological macromolecules at an atomic level. The analysis of molecular structure properties enables the specific linkage of a structure with its associated activity. The study of such complex processes motivated the development of today’s biomolecular NMR. Bacteria have developed different strategies to survive in a host. One of these strategies is the continuous translation to advantageous habitats in the host organism. A well-known example is the protein PPEP-1, which initiates translational movement by selectively cleaving proline-proline bonds. So far, it was not known whether the addressed prolineproline bond has to adopt a preferred conformation for effective cleavage. Through detailed NMR spectroscopic investigations, a clearly preferred conformation of the bond could be identified. This finding contributes to a deeper understanding of the survival strategy. Thus, potentially new starting points for treatment options could emerge. The targeted treatment of carcinogenic cells is still of great research interest today. Cellpenetrating peptides could represent a solution for the selective addressing of these, whereby the exact uptake mechanism of the peptides has not yet been sufficiently analysed. In this work, NMR spectroscopic methods were used to show that the interaction between such peptides and membrane mimetics causes the peptide to undergo a conformational change. This represents a further approach in the elucidation of the uptake mechanism of these investigated peptides. Mechanism elucidation is of great importance in the process of protein folding as well. Misfolded proteins are often the cause of various diseases. The refolding of proteins into their functional form is the subject of current research. Small organic molecules can act as folding helpers. The spatial proximity of these molecules to small peptide-derived model systems could be proven with the help of NMR spectroscopy. Thus, in the context of this work, an approach was established with which the site of action of folding helpers on a protein could be localised in the future. Model systems are important in NMR spectroscopy to investigate, among other things,interaction mechanisms of small molecules to macromolecular systems. The investigation of spatial approximations of the interaction partners is one of the essential aspects. The use of micelles is particularly suitable for this purpose. Various molecules were investigated with regard to their positioning in micelles using a variety of NMR spectroscopic methods. The findings of these investigations were then transferred to a postulated reaction mechanism.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language 3D-Struktur von synthetischen Peptiden und molekulare Wechselwirkungen in biomimetischen Medien, untersucht durch NMR-Spektroskopie German
Translated abstract:	Abstract Language Die Kernspinresonanzspektroskopie (engl. Nuclear magnetic resonance, abk. NMR) ist eine leistungsstarke Methode um Vorgänge biologischer Makromoleküle auf atomerer Ebene zu charakterisieren. Die Analyse von molekularen Strukturmerkmalen ermöglicht die spezifische Verknüpfung einer Struktur mit ihrer zugehörigen Aktivität. Die Erforschung derart komplexer Vorgänge begründete die Entwicklung der heutigen biomolekularen NMR. Bakterien haben verschiedene Strategien entwickelt, um in einem Wirt zu überleben. Eine dieser Strategien ist die stetige Translation zu vorteilhaften orten im Wirtsorganismus. Ein bekanntes Beispiel ist das Protein PPEP-1, welches die translatorische Bewegung durch selektives Spalten von Prolin–Prolin Bindungen initiiert. Bisher war nicht bekannt ob die zu adressierenden Prolin–Prolin Bindung eine bevorzugte Konformation für eine effektive Spaltung einnehmen muss. Durch eingehende NMR spektroskopische Untersuchungen konnte eine eindeutig bevorzugte Konformation der Bindung identifiziert werden. Diese Erkenntnis trägt zu einem tieferen Verständnis der Überlebensstrategie bei. Somit könnten sich potentiell neue Ansatzpunkte für Behandlungsmöglichkeiten ergeben. Die gezielte Behandlung von kanzerogenen Zellen unterliegt noch heute einem großen Forschungsinteresse. Zellpenetrierende Peptide könnten einen Lösungsansatz für die selektive Adressierung dieser darstellen, wobei der genaue Aufnahmemechanismus der Peptide bislang nicht hinreichend analysiert wurde. In dieser Arbeit konnte durch NMR spektroskopische Methoden gezeigt werden, dass bei der Wechselwirkung zwischen derartigen Peptiden mit Membranmimetika, das Peptid eine Konformationsänderung durchläuft. Dies stellt einen weiteren Ansatzpunkt in der Aufklärung des Aufnahmemechanismus dieser untersuchten Peptide dar. Im Prozess der Proteinfaltung ist die Mechanismusaufklärung ebenfalls von großer Bedeutung. Fehlgefaltete Proteine sind oftmals die Ursache von verschiedenen Krankheiten. Die Rückfaltung der Proteine in ihre funktionsfähige Form ist indes Gegenstand aktueller Forschung. Kleine organische Moleküle können dabei als Faltungshelfer fungieren. Die räumlichen Nähe dieser Moleküle zu kleinen peptidabgeleiteten Modelsystemen konnte mit Hilfe der NMR Spektroskopie bewiesen werden. Somit wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Ansatz etabliert mit welchem der Wirkort von Faltungshelfern an einem Protein in Zukunft lokalisiert werden könnte. Modelsysteme sind in der NMR Spektroskopie wichtig, um u.a. Wechselwirkungsmechanismen von kleinen Molekülen zu makromolekularen Systemen zu untersuchen. Die Untersuchung räumlicher Annäherungen der Interaktionspartner ist dabei eine der essentiellen Aspekte. Hierfür eignet sich besonders die Verwendung von Mizellen. Verschiedene Moleküle wurden in Hinblick ihrer Positionierung zu Mizellen mit einer Vielzahl an NMR spektroskopischen Methoden untersucht. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen wurden im Anschluss auf einen postulierten Reaktionsmechanismus übertragen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Jütten, Linda linn_juetten@web.de orcid.org/0000-0002-8149-8300 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-535043
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Organic Chemistry
Subjects:	Generalities, Science Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language NMR, peptides, micelles, structure calculation English
Date of oral exam:	8 June 2021
Referee:	Name Academic Title Albrecht, Berkessel Prof Breugst, Martin PD
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/53504