Untersuchung der Druckantwort der random coil Modellpeptide Ac-GGXA-NH2 und der amyloidbildenden Polypeptide Aβ und IAPP mit Hilfe der Hochdruck-NMR-Spektroskopie - University of Regensburg Publication Server

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Beck Erlach, Markus (2017) Untersuchung der Druckantwort der random coil Modellpeptide Ac-GGXA-NH2 und der amyloidbildenden Polypeptide Aβ und
IAPP mit Hilfe der Hochdruck-NMR-Spektroskopie. PhD, Universität Regensburg.

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Date of publication of this fulltext: 18 Dec 2017 06:20

Abstract (German)

Abstract (German)

Die Hochdruck-NMR-Spektroskopie ist eine vielseitig einsetzbare Methode, mit der es möglich ist druckinduzierte Änderungen von Molekülen auf atomarer Ebene zu untersuchen. Die Anwendung von Druck erlaubt dabei
die Verschiebung von Gleichgewichten und somit die Manipulation unterschiedlichster biologischer Interaktionen beziehungsweise die Verschiebung von Populationsgleichgewichten.
Für die Hochdruck-NMR-Spektroskopie wurde ein Druckautoklav mit Keramikmesszelle entwickelt, in den zusätzliche Sicherheitsmerkmale integriert wurden, um im Falle des Bruchs der Keramik die Schäden am
NMR-Spektrometer zu minimieren.
Zudem wurden Druckeffekte an den amyloidogenen Polypeptiden Aβ (β-Amyloid) und IAPP (Insel-Amyloid-Polypeptid) untersucht und charakterisiert. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Alzheimer-Krankheit (Abeta) und Diabetes mellitus (IAPP). Dabei wurde gezeigt, dass es mit Hilfe der Hochdruck-NMR-Spektroskopie möglich ist
verschiedene Zustände des β-Amyloids nachzuweisen. Des Weiteren wurde die druckinduzierte Depolymerisierung des β-Amyloids für unterschiedliche Temperaturen und Peptidkonzentration untersucht. Die so
erhaltene Abhängigkeit der Monomerkonzentration vom Druck wurde unter Verwendung verschiedener Modelle thermodynamisch charakterisiert. Für das IAPP wurden die sequenzabhängigen Druckeffekte und
Temperatureffekte des Peptidrückgrats bestimmt und mit strukturellen Eigenschaften des Peptids verknüpft.
Um die strukturunabhängigen Druckeffekte der Aminosäuren zu bestimmen, wurde die Änderung der chemischen Verschiebung mit dem Druck der Aminosäure X3 im Modellpeptid Ac-GGXA-NH2 untersucht, wobei X für eine
der 20 kanonischen Aminosäuren steht. Mit Hilfe der
strukturunabhängigen Druckeffekte ist es möglich, Druckeffekte in Proteinen um den intrinsischen Druckeffekt der Aminosäuren zu korrigieren. Dabei erhält man die rein strukturabhängigen Druckeffekte des Proteins.
Im Allgemeinen erfolgt die Beschreibung der druckinduzierten Änderung der chemischen Verschiebung mit einem polynominalen Modell zweiter Ordnung, da sich die Druckabhängigkeit in den meisten Fällen nicht
linear verhält. Jedoch erhält man mit dieser Beschreibng keine
Informationen über die thermodynamischen Parameter des Systems. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass sich das Koeffizientenverhältnis der polynominalen Koeffizienten mit thermodynamischen Parametern verknüpfen lässt.

Translation of the abstract (English)

High-pressure NMR spectroscopy is a powerful and versatile tool to investigate pressure-induced changes of molecules at atomic level. The application of pressure allows the change of equilibria and therefore the manipulation of all kinds of biological interactions and accordingly the shift of equilibria of populations.
A new pressure autoclave with attached ceramic cell has been developed for the high-pressure NMR spectroscopy. In addition different safety mechanisms have been integrated in the pressure autoclave to minimize damage of the NMR spectrometer in case of breaking of the ceramic
cell.
The pressure effects of the amyloidogenic polypeptides Aβ
(β-Amyloid) and IAPP (Islet-Amyloid-Polypeptide) have been
investigated and characterized. These are related to the Alzheimer's disease (Aβ) and Diabetes mellitus (IAPP) and play an important role in pathogenesis of these diseases. It has been shown, that with high-pressure NMR it is possible to detect distinct conformational states of the β-Amyloid. In addition the pressure-induced depolymerization of the β-Amyloid has been investigated for different temperatures and peptide concentrations. Different models have been applied to the resulting dependence of the monomer
concentration on pressure and thermodynamic parameters of the process have been determined. For IAPP the sequence dependent pressure and temperature effects on the chemical shifts have been examined and these were linked to structural properties of the peptide.
To determine the structure independent pressure effects of amino acids, the change of the chemical shift with pressure has been investigated for the amino acid X3 in the model peptid Ac-GGXA-NH2, where X is one of the 20 canonical amino acids. With these data it is possible to correct pressure effects in proteins for the intrinsic pressure effect of the amino acids to gain knowledge of the pure structure dependent pressure effects of the protein.
In general pressure-induced changes of the chemical shift are
described by a second-order polynomial because in most cases they do not behave linearly. However, with this description it is not possible to gain information of the thermodynamic parameters of the system.
Therefore in this work it has been shown that the ratio of polynomial pressure coefficients can be linked to thermodynamic properties of the system.

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	18 December 2017
Referee:	Prof. Dr. Dr. Hans Robert Kalbitzer
Date of exam:	14 December 2016
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biophysik und physikalische Biochemie > Prof. Dr. Dr. Hans Robert Kalbitzer
Keywords:	Kernspinresonanz-Spektroskopie, NMR, NMR-Spektroskopie, Hochdruck, high pressure, Alzheimer, Diabetes, Amyloid, Aβ, β-Amyloid, Insel-Amyloid-Polypeptid, IAPP, Modellpeptide
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	34996