Sticky triangles: New tools for experimental phasing of biological macromolecules
Sticky triangles: Neue Werkzeuge für die experimentelle Phasierung von biologischen Makromolekülen
von Tobias Beck
Datum der mündl. Prüfung:2010-09-16
Erschienen:2010-12-07
Betreuer:Prof. Dr. George M. Sheldrick
Gutachter:Prof. Dr. George M. Sheldrick
Gutachter:Prof. Dr. Oliver Einsle
Dateien
Name:beck.pdf
Size:12.5Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
X-ray crystallography is the prime method for the elucidation of three-dimensional molecular structures. It enables the structure determination of biological macromolecules such as proteins and nucleic acids. The determination of novel macromolecular structures is hampered by the crystallographic phase problem, i.e. only the intensity of the reflections but not their phase angle can be recorded during the diffraction experiment. Experimental phasing is one technique to solve this phase problem; it usually requires the incorporation of heavy atoms in the protein crystal. Conventional derivatisation with heavy-metal salts often suffers from non-specific binding, resulting in low occupancy of the heavy-atom sites or derivatisation failing completely. In this thesis a new class of compounds was developed that combines heavy atoms for experimental phasing with functional groups for interaction with biological macromolecules. The lead structure is based on a benzene ring that provides a rigid scaffold. The ring is substituted with three functional groups and three heavy atoms, iodine or bromine, respectively. The three functional groups, e.g. carboxyl or amino groups, but also hydroxyl or methoxy moieties, may interact with protein residues and therefore the novel compounds show enhanced binding properties compared to traditional heavy-atom compounds. The three halogen atoms provide a strong anomalous signal and may be used for experimental phasing. The halogen atoms form an equilateral triangle, which is easily recognised in the heavy-atom substructure. So far several novel protein structures have been solved with the iodine triangle compound. The sticky compounds of the current work are readily available and easy to use.
Keywords: structure determination; structure solution; biological macromolecules; proteins; experimenal phasing; anomalous dispersion; heavy-atom derivatisation
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Die Röntgenkristallographie ist die Hauptmethode zur Aufklärung von dreidimensionalen Molekülstrukturen. Sie ermöglicht die Strukturbestimmung von biologischen Makromolekülen, z.B. von Proteinen oder Nukleinsäuren. Die Bestimmung von neuen makromolekularen Strukturen wird durch das kristallographische Phasenproblem erschwert. Nur die Intensität nicht aber der Phasenwinkel der Reflexe kann im Diffraktionsexperiment gemessen werden. Eine Technik, um dieses Phasenproblem zu lösen, ist die experimentelle Phasierung; hierfür müssen normalerweise Schweratome in den Proteinkristall eingebracht werden. Die konventionelle Derivatisierung mit Schwermetallsalzen leidet oft unter nichtspezifischer Bindung; dies resultiert in einer niedrigen Besetzung der Schweratompositionen, oder die Derivatisierung kann komplett fehlschlagen. In dieser Arbeit wurde eine neue Klasse von Verbindungen entwickelt, die Schweratome zur experimentellen Phasierung mit funktionellen Gruppen für die Wechselwirkung mit biologischen Makromolekülen kombiniert. Die Leitstruktur basiert auf einem Benzolring, der ein starres Gerüst darstellt. Der Ring ist substituiert mit drei funktionellen Gruppen und drei Schweratomen, Iod bzw. Brom. Die drei funktionellen Gruppen, z.B. Carboxyl- oder Aminogruppen, aber auch Hydroxyl- oder Methoxygruppen, können mit dem Protein wechselwirken. Daher zeigen die neuen Verbindungen verglichen mit traditionellen Schweratomverbindungen verbesserte Bindungseigenschaften. Die drei Halogenatome zeigen ein starkes anomales Signal und können für die experimentelle Phasierung benutzt werden. Da die Halogenatome ein gleichseitiges Dreieck bilden, wird das Erkennen einer korrekten Lösung erleichert. Bisher konnten mehrere neue Proteinstrukturen mit der Ioddreiecksverbindung gelöst werden. Die 'sticky' Verbindungen dieser Arbeit sind generell verfügbar und einfach in der Handhabung.
Schlagwörter: Strukturbestimmung; Strukturlösung; biologische Makromoleküle; Proteine; experimentelle Phasierung; anomale Dispersion; Schweratomderivatisierung