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Thesis

Conformational flexibility and complex formation of biologically relevant molecules studied with high-resolution broadband rotational spectroscopy

MPS-Authors
http://pubman.mpdl.mpg.de/cone/persons/resource/persons140385

Zinn,  Sabrina
Structure and Dynamics of Cold and Controlled Molecules, Independent Research Groups, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Max Planck Society;

Fulltext (public)

Dissertation_SabrinaZinn.pdf
(Publisher version), 9MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Zinn, S. (2016). Conformational flexibility and complex formation of biologically relevant molecules studied with high-resolution broadband rotational spectroscopy. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg.


Cite as: http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-002B-80C2-1
Abstract
The motivation to understand intermolecular interactions on a fundamental level encourages natural scientists for more than 120 years. In 1894, Emil Fischer developed the key-lock principle to describe the binding process between an enzyme and a corresponding substrate. As simple and understandable this picture is in general, as complicated and complex is the understanding of it on a molecular level. Countless examples exist that demonstrate the importance of this keylock principle, from the interaction between neurotransmitter and receptor or the antigen recognition to the interaction of carbohydrates on the cell surface. All of these examples have in common that large biomolecular systems are involved, built up by long chains of amino acids, monosaccharides or nucleotides. The folding of these chains into a three-dimensional structure, for example in enzymes, often reveals an active site, where the interaction takes place. At the active site only a few molecules might be involved in the so called molecular recognition process. In this work, model systems of biologically relevant molecules and complexes are studied, modeling the active side of a biological system. For a fundamental understanding of recognition processes in nature it is important to study the interplay between different intermolecular forces, like hydrogen bonding or dispersion interaction. Additionally, it is also essential to gain information about the conformational exibility of the molecule itself, which allows for structural changes during the recognition process. This can be referred to the induced fit picture, an extension of the key-lock principle, postulated by Daniel E. Koshland in 1958, whereby the substrate induces a structural change in the enzyme upon binding, to fit into the active site. High-resolution microwave spectroscopy is perfectly suited to study conformational exibility and intermolecular interactions of biologically relevant molecules. The exceptional accuracy of the obtained spectroscopic constants allows for precise structure determination of gas-phase molecules from only the experimental data. Furthermore, even subtle changes of the structure can be identified in the rotational spectrum, since the spectrum is like a fingerprint of the molecule. The recently developed broadband technique, used in this study, allows for measuring a broad part of the microwave spectrum in a very time efficient way. Different conformers, isomers or complexes can all be studied in one spectrum. In the framework of this thesis a broadband microwave spectrometer with an implemented laser ablation source was built up and put into operation. A precise structure determination was achieved for the odorant molecule cinnamaldehyde, which is the main component of cinnamon oil. Furthermore, the widespread drug ibuprofen was studied, which is a highly flexible molecule. Interesting insight into the structural properties, like the preferred orientation of the substitutions of its aromatic ring, could be obtained. Additionally, the interplay of different intermolecular forces was studied on two different complexes. The aggregation of the small sugar glycolaldehyde and the interaction in the diphenylether methanol complex gave information about the competition and cooperativity of hydrogen bonding and dispersion interactions. The second complex is the start of a series of studies of similar complex systems with an increasing size of the alcohol, where it is expected that the dominance of dispersion will be increase.
Das Ziel intermolekulare Wechselwirkungen auf einem grundlegenden Niveau zu verstehen motiviert Naturwissenschaftler seit mehr als 120 Jahren. Bereits 1894 entwickelte Emil Fischer das Schlüssel-Schloss-Prinzip, dass den Bindungsprozess zwischen einem Enzym und dem zugehörigen Substrat beschreibt. So verständlich dieses Bild im allgemeinen ist, so kompliziert und komplex ist das fundamentale Verständnis auf molekularer Ebene. Zahlreiche Beispiele verdeutlichen die Wichtigkeit des Schlüssel-Schloss-Prinzips, von der Wechselwirkung zwischen Neurotransmitter und Rezeptor oder der Antigenerkennung zu den Wechselwirkungen von Sacchariden auf der Zelloberfläche. All diese Beispiele haben gemeinsam, dass große biomolekulare Systeme involviert sind, die aus langen Ketten aus Aminosäuren, Sacchariden oder Nukleotiden aufgebaut sind. Die Faltung der Ketten in eine dreidimensionale Strukturen, wie zum Beispiel in Enzymen, bildet oft ein aktives Zentrum aus, an dem der Prozess der molekularen Erkennung stattfindet. In dieser Arbeit wurden Modellsysteme von biologisch relevanten Molekülen und Komplexen untersuchet, die das aktive Zentrum eines biologischen Systems nachbilden. Um molekulare Erkennungsprozesse in der Natur fundamental zu verstehen, ist es wichtig das Zusammenspiel verschiedener intermolekularer Wechselwirkungen, wie zum Beispiel Wasserstoffbrückenbindungen oder Dispersion zu untersuchen. Zusätzlich ist es essentiell, die Rolle der Flexibilität der Moleküle an sich zu beleuchten, die auch strukturelle Änderungen während des Erkennungsprozesses ermöglichen. Dies nimmt Bezug auf die "Induced-fit" Theorie, die eine Erweiterung des Schlüssel-Schloss-Prinzips darstellt und 1958 von Daniel E. Koshland postuliert wurde, wonach die Annäherung des Substrats eine strukturelle Änderung des Enzyms induziert und die Bindung an das aktive Zentrum damit ermöglicht. Hochaufgelöste Mikrowellenspektroskopie ist perfekt geeignet um die Flexibilität von biologisch relevanten Molekülen und deren intermolekulare Wechselwirkungen zu untersuchen. Die außerordentliche Genauigkeit der gemessenen spektroskopischen Konstanten erlaubt es, eine präzise Struktur der untersuchten Moleküle in der Gasphase zu bestimmen und dies einzig aus den experimentellen Daten. Zudem können sogar kleinste Änderungen in der Molekülstruktur im Rotationsspektrum identifiziert werden, da das Spektrum wie ein Fingerabdruck des Moleküls ist. Die kürzlich entwickelte Breitband-Technik, die in dieser Arbeit verwendet wurde, erlaubt es einen breiten Teil des Mikrowellenspektrums in kürzester Zeit aufzunehmen. Unterschiedliche Konformere, Isomere oder Komplexe können so in einem Spektrum untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Breitband-Mikrowellenspektrometer mit integrierter Laserablationsquelle aufgebaut und in Betrieb genommen. Damit gelang es die präzise Struktur des Duftstoffes Zimtaldehyd, dem Hauptbestandteil des Zimtöls, zu bestimmen. Des Weiteren wurde das weit verbreitete Schmerzmittel Ibuprofen untersucht, welches ein sehr flexibles Molekül ist. Interessante Einblicke in die strukturellen Möglichkeiten, wie die bevorzugte Orientierung der Substituenten des aromatischen Ringes, konnten erlangt werden. Zusätzlich wurde das Zusammenspiel verschiedener intermolekularer Kräfte anhand zweier Molekülkomplexe untersucht. Die Aggregatbildung des kleinsten Zuckers, Glycolaldehyd, und die Wechselwirkung im Diphenylether-Methanol-Komplex haben Informationen über Konkurrenz- und Kooperativitätsverhalten von Wasserstoffbrückenbindungen und Dispersions-Wechselwirkungen ergeben. Der zweite Komplex ist der Start einer Serie von Studien an ähnlichen Komplexen mit wachsender Alkoholgröße, bei der ein Anstieg der Dominanz von Dispersions-Wechselwirkungen erwartet wird.