Die Kenntnis der Strukturen von Biomolekülen ist eine notwendige Voraussetzung, um deren Funktion und Verhalten studieren und Strategien entwickeln zu können, die Krankheiten heilen oder verhindern. Ebenso erwächst daraus die Möglichkeit, natürliche Vorgänge zur Nutzung in industriellen Prozessen nachzubilden.
Nukleinsäuren fungieren entweder als Informationsspeicher in Form von DNA oder stellen in Form von RNA den Fluss genetischer Information in Proteine sicher. Dieser Prozess ist in hohem Maße stereoselektiv. Am Beispiel der in der Natur ausschließlich vorkommenden D-Enantiomere von RNA, wurde Chiralität als inhärente Eigenschaft von Materie untersucht. Kupfer ist ein essentielles Spurenelement und ein wichtiger Cofaktor in biologischen Oxidationsreaktionen wie z.B. der Multikupfer Oxygenase Tyrosinase. Die Analyse dieser Reaktionen leistet einen wesentlichen Beitrag, um die Eigenschaften und Funktionsweisen von Kupfer-Proteinen zu verstehen. Proteine sind essentielle Bestandteile jeder Zelle und verantwortlich für eine Vielzahl durch ihre dreidimensionale Struktur bestimmte physiologische Funktionen. Prion Proteine verursachen durch Fehlbildung schwere neurodegenerative Erkrankungen, wie BSE oder CJD. Kenntnisse über das Entstehen von Proteinfehlfaltung können dazu beitragen, die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen.
Die vorliegende Arbeit erbrachte den ersten experimentellen Beweis auf makromolekularem Level, dass sich die Energie-Level-Diagramme von D- und L-RNA unterscheiden. Für die untersuchte bis(mu-oxo)dicopper(III) Spezies konnte die unter Anregung nur geringe Änderung der Bindungslängen im Kupfer-Sauerstoff-Zentrum (entsprechend einer nur kleinen Änderung des Oxidationszustandes) als mögliche Ursache ihrer hohen thermischen Stabilität identifiziert werden. Hinsichtlich der Prion Proteine konnte gezeigt werden, dass die Aggregationsrate und die damit in Verbindung gebrachten strukturellen Änderungen des Prion Proteins unter UV-Bestrahlung ebenso wie die zugehörige Änderung der Transmission durch die Probe sowohl von der Länge des Prion Proteins als auch vom pH-Wert der verwendeten Pufferlösungen abhängen. Auf diese Weise war es möglich, verschiedene Verlaufsformen von Aggregation und struktureller Umwandlung zu identifizieren.
Die erzielten Ergebnisse zeigen deutlich, dass die vorhandenen experimentellen Einrichtungen sehr gut für biophysikalische Forschung geeignet sind. Neue Erkenntnisse konnten für alle untersuchten Probensysteme gewonnen werden. Insbesondere die Kombination verschiedener physikalischer Methoden (wie z.B. Raman Spektroskopie und EXAFS) aber auch die Kombination physikalischer und biochemischer Methoden führte zu eindrucksvollen neuen Einblicken in Struktur und Funktion der untersuchten Moleküle. Darüber hinaus sind alle analysierten Proben nach entsprechender Präparation für weitere Experimente, z.B. unter Verwendung neuartiger Lichtquellen wie FLASH, geeignet.
Understanding chemical structures of biomolecules is an essential step for the investigation of their function and behavior. This is an important prerequisite to develop strategies to cure or prevent diseases or it can be useful to mimic nature for industrial processes.
As the universal carriers of genetic information, nucleic acids either function as information storage in the form of DNA or ensure the flow of genetic information into proteins via RNA. This process is highly stereoselective, giving rise to analyze chirality as an inherent general property of matter regarding the naturally occurring form of only D-enantiomers of RNA. Copper is an essential trace element and a key cofactor in biological oxidation reactions e.g. in the multicopper oxygenase tyrosinase. To understand properties and function of copper proteins analyzing the functional mechanisms of these reactions is a crucial element. Proteins are essential biomolecular compounds of every cell and responsible for multiple important physiological functions defined by the three-dimensional structure of any protein. Prion proteins in their misfolded isoform cause different types of TSE, e.g. BSE or CJD, depending on the organism. Analyzing the pathways leading to protein misfolding can shed light into processes underlying severe neurodegenerative diseases.
This study provided the first experimental evidence at the macromolecular level that the D-enantiomer of RNA has a different energy level scheme than its optical isomer. For the investigated bis(mu-oxo)dicopper(III) species the only small change in bond length of the copper-oxygen core due to the excitation and consequently the change in copper oxidation state of only ~ 0.1 was identified being potentially reasonable for the high thermal stability of this compound. For prion proteins, it was shown that the aggregation rate and the associated structural changes of prion proteins caused by UV irradiation as well as the corresponding change in transmission through the sample differs significantly depending on the prion protein length and the pH value of the buffers. Hence, it was possible to identify different pathways of aggregation and structural conversion.
The results demonstrate that the available experimental facilities are highly applicable in biophysical research. New insights were received for all investigated sample systems. Particularly the combination of different physical methods (like Raman spectroscopy and EXAFS) as well as the combination of physical and biochemical methods yields impressive new insights into structure and function of the investigated molecules. Furthermore it became obvious that all samples are suitable for further investigations, e.g. using new light sources like FLASH.