The Advantages Of Paramagnetic NMR

Abstract

In der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) treten drei Effekte auf, die paramagnetische und diamagnetische Moleküle in isotroper Lösung unterscheiden: residuale dipolare Kopplung (RDC), Pseudokontaktverschiebung (PCS) und paramagnetische Relaxationsverstärkung (PRE). Alle drei Effekte sind abhängig von intermolekularen Winkeln und Abständen und können daher Informationen über die Struktur und Dynamik des Moleküls liefern. Um diese Informationen zu erhalten, muss das Molekül paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Eine der heutzutage gebräuchlichen Methoden verwendet kleine molekulare Tags, die paramagnetische Metallionen koordinieren. Die meisten dieser Tags binden über eine Disulfidbrücke an Cysteine an der Proteinoberfläche. Um diese Methode für DNA anzuwenden werden daher neue Taggingstrategien benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Nukleobase synthetisiert, mit der ein Schwefelatom in die DNA eingebracht werden kann. Diese Methode erlaubt es, jeden Tag an die DNA zu binden, der als Verbindungsmethode eine Disulfidbrücke nutzt. Mit der Nukleobase wird eine Kohlenstoff-Dreifachbindung in die DNA eingefügt und mit Hilfe einer dipolaren Cycloaddition wird die freie Thiolgruppe eingebracht. Die modifizierte Nukleobase wurde erfolgreich an einem selbstkomplementären DNA-Strang (24 Nukleobasen) getestet. Die Nukleobase wurde während der Synthese der DNA eingefügt und der mit Lutetium, Terbium oder Thulium vorbeladene Cys-Ph-TAHA Tag wurde über eine Disulfidbrücke an die DNA gebunden. Die Beladung des Tags und die Taggingreaktion verliefen hierbei quantitativ. Nach diesem Erfolg war es ein Hauptaspekt dieser Arbeit, eine verlässliche und reproduzierbare Aufreinigungs- und Probenvorbereitungsmethode zu entwickeln. Diesem Punkt kommt besondere Bedeutung zu, da das Phosphatrückgrat der DNA, im Gegensatz zu Proteinen, Metallionen koordinieren kann. Im Theorieteil dieser Arbeit ist eine komplette Herleitung der drei Hauptmerkmale paramagnetischer NMR gegeben. Diese Herleitung beginnt bei Grundbegriffen des Magnetismus und neben den Gleichungen für RDCs, PCSs und PREs werden Ausdrücke für den dipolaren Hamiltonoperator, Kreuzrelaxationsraten, kreuzkorrelierte Relaxationsraten, durch Alignment induzierte RDCs, Korrelationsfunktionen und spektrale Dichten gegeben. Das zweite Thema dieser Arbeit basiert auf einem weiteren paramagnetischen Effekt. Um der reduzierten Empfindlichkeit der Kernspinresonanzspektroskopie verglichen mit anderen Spektroskopiemethoden entgegenzuwirken, wurden viele Methoden entwickelt, die auf eine Erhöhung der Polarisierung der Atomkerne zielen, d.h. um sogenannte hyperpolarisierte Kerne zu erzeugen. Eine dieser Methoden, die photochemisch erzeugte dynamische Kernpolarisierung (photo CIDNP), basiert auf kurzlebigen Radikalen, die durch direkte Laserbestrahlung der Probe im Magneten erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein photo CIDNP Aufbau entworfen, gebaut und getestet. Die ersten Experimente und Resultate mit Triethylendiamin, L-Tyrosin und 3-Fluor-L-tyrosin zeigen die Vorteile und Grenzen dieser Methode auf. Für 3-Fluor-L-tyrosin wurde eine komplette Analyse des Relaxationsverhaltens, einschließlich der Kreuzrelaxation und der kreuzkorrelierten Relaxation, durchgeführt.