NMR-Spektroskopie

Mehrdimensionale NMR-Spektroskopie in Lösung
ist die einzige Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur und konformationellen Beweglichkeit biologischer Makromoleküle in Lösung (unter annähernd physiologischen Bedingungen) mit atomarer Auflösung. Eine weitere Stärke der NMR ist eine effiziente Charakterisierung der Interaktionsflächen von Proteinen und die Bestimmung der Struktur von Proteinkomplexen, bzw. die Identifizierung von Bindungsregionen potentieller Liganden (drug design). Da die Funktion von Biomolekülen eng mit ihrer räumlichen Struktur, deren Änderung (Dynamik) und der Wechselwirkung zwischen Biomolekülen zusammenhängt,  kann die NMR-Spektroskopie somit Antworten auf biologische und medizinische Fragestellungen auf molekularer Ebene geben.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Dr. Hans Robert Kalbitzer
Prof. Dr. Werner Kremer
PD Dr. Michael Spörner

Mitarbeiter:
Maren Eberhardt
Dr, Paul Ramm
Raphael Kreitner
Sandra Kreitner
Christaian Dobner
Jörg Köhler
Markus Beck-Erlach
Daniela Baumstark
Tanja Meierhofer

Ausstattung:

• 800 MHz Bruker Avance mit TCI- Kryoprobenkopf
• Zugang (ca. 20 % der Messzeit) zum 900 MHz-Spektrometer an der TU München
• 600 MHz Bruker Avance mit TXI- Kryoprobenkopf
• 500 MHz Bruker Avance mit verschiedenen Raumtemperaturprobenköpfen
  (u.a. QXI, TXI, selektiver Phosphor-, Protonenkopf )

Hochdruck-NMR-Spektroskopie
Die Anwendung von hohem Druck (bis 400 MPa) liefert sehr wichtige Zusatzinformationen über Konformationsgleichgewichte von Proteinen, insbesondere in der Charakterisierung der Faltung sowie der Dynamik und Struktur von Faltungsintermediaten . In Kombination mit der NMR-Spektroskopie kann die Stabilität von Proteinen mit atomarer Auflösung und ohne Zugabe von chemischen Additiva bestimmt werden. NMR-Spektroskopie bei hohem Druck (im weiteren als Hochdruck-NMR-Spektroskopie beschrieben) ermöglicht also Informationen über lokale mechanische und dynamische Eigenschaften von Proteinen und eignet sich für die Stabilisierung von Faltungsintermediaten . Zusätzlich bleibt bei einem Druck von 200 MPa das Wasser bis auf eine Unterkühlung von –18°C flüssig und erlaubt damit die Beobachtung der Kältedenaturation von Proteinen. Durch die hohe Empfindlichkeit moderner Hochfeld-NMR-Spektrometer hat die Hochdruck-NMR-Spektroskopie von Proteinen in den letzten Jahren eine Reihe neuer Ergebnisse liefern können, die wesentlich zum Verständnis von Struktur und Dynamik in Proteinen beigetragen haben.

Protein-Phasendiagramm: D G als
Funktion der Temperatur T und des Drucks p

Core to Core Project:
Use of high pressure for the study of conformational states and dynamics in biological systems

NMR-Metabonomik
bedeutet die Untersuchung metabolischer Prozesse durch die NMR-Spektroskopie von Körperflüssigkeiten.
Die Anwendung der NMR-Spektroskopie auf Körperflüssigkeiten liefert ein Fülle von Informationen über die endogenen metabolischen Prozesse in einem Organismus.

NMR-gestützte Wirkstoffentwicklung
Im Rahmen der NMR-gestützten Wirkstoffentwicklung ist es unser Ziel die katalytische Aktivität und Bindungseigenschaften von medizinisch relevanten Proteinen durch kleine Moleküle in gewünschter Weise zu modulieren. Durch NMR Screening werden dabei zunächst Moleküle identifiziert, die an die jeweiligen Proteine binden und somit als potenzielle Lead -Substanzen dienen können. Mittels biochemischer Untersuchungen wird der Effekt der Moleküle auf die physiologischen Eigenschaften des Proteins geklärt. Die NMR-spektroskopische Charakterisierung der Interaktionsstellen und strukturbasiertes Molecular Modeling ermöglichen es uns anschließend durch gezielte Modifikationen die Affinität und die Spezifität der Lead- Substanzen zu erhöhen.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Dr. Hans Robert Kalbitzer
PD Dr. Michael Spörner

Mitarbeiter:
Sandra Kreitner
Tanja Meierhofer
Sabine Ruppel

Abb. Inhibierung der Protein-Protein
Interaktion durch kleine Moleküle

Strukturelle Neurobiologie
Spannungsabhängige K + -Kanäle (K V -Kanäle) enthalten ein charakteristisches Poren-formendes Motiv, das aus zwei membranspannenden ( Transmembran ) Helices und einer Porenschleife besteht, die gemeinsam die Eintrittsstelle für den selektiven Eintritt der K + -Ionen darstellen. Vier dieser Untereinheiten assemblieren zu einem symmetrischen Tetramer , der den zentralen Ionenpermeationsweg des Kanals bildet. Zusätzlich zur Porenstruktur, die den Durchgang von K + -Ionen durch die Zellmembran erlaubt, scheint die hohe Diversifizität der Regulation- bzw Gating-Mechanismen dieser Kanäle in der Vielzahl der zusätzlichen Domänen begründet zu sein. Obwohl der Spannungssensor dieser Kanäle in die Membran integriert ist, sind viele der für die Aktivierungscharakteristik beitragenden regulatorischen Domänen im Zytosol lokalisiert. Sie sind entweder an die N- oder C-Termini der Pore angehängt oder auch separat in der Zelle hergestellt (siehe z.B. beta-Domäne Kv1.4). Einige dieser Domänen modulieren die Anordnung verschiedener Kanaluntereinheiten, während andere Sensoren für intrazelluläre Stimuli darstellen. Die zytoplasmatischen Domänen bestimmen wesentlich die elektrophysiologischen Charakteristika der verschiedenen K + -Kanäle , Defekte in diesen Domänen sind die Ursache vieler pathologischer Effekte.

Ziel :
Aufklärung der Struktur-Funktionsbeziehungen in Ionenkanälen

Förderung:
SFB 699 „Strukturelle, physiologische und molekulare Grundlagen der Nierenfunktion“, Teilprojekt A9 mit dem Titel „NMR-Struktur, Dynamik und Funktion von Ionenkanälen der Niere“ für die Charakterisierung von Nieren-spezifischen Kationenkanälen . ( http://www-sfb699.uni-regensburg.de/ )

Methoden:
NMR-Spektroskopie, Expression von rekombinantem Protein in Escherichia coli ( 2 H-, 15 N-, 13 C markiert, spezifische Einbringung protonierter Methylgruppen in den Ile(delta1), Leu und Val Aminosäuren ), Aufreinigung und Rückfaltung der gereinigten Proteine (Pufferscreeining).

Kompositstrukturmodell eines spannungsgesteuerten Kaliumkanals ( Kv ).
Die Einzelteile sind aufgebaut aus den Einzelstrukturen von KcsA
aus Streptomyces lividans (Doyle et al., 1998), der Tetramerisierungsdomäne
T1 des Shakerkanals Kv1.1 aus Aplysia california ( Kreusch et al., 1998)
und der Inaktivierungsdomäne aus Raw3 ( Antz et al., 1997).
(entnommen aus Choe et al., 1999)

EUROMAR 2012 on 1st -5th July in Dublin, Ireland

EUROMAR is a well-established annual international conference on Magnetic Resonance. It is attended by Nobel Laureates...

Am Lehrstuhl sind laufend Diplom- und Doktor-arbeiten in physikalischen, biologischen, chemischen und biochemischen Bereichen zu vergeben.
Interessenten melden sich bei Prof. Kalbitzer und / oder Mitarbeitern oder im Sekretariat,
Tel: 0941 - 943 2595