2013 Februar

Microsolvation of Gas-Phase Proteins with Crown Ethers

Wednesday, 27th February 2013Diverses

Effect of crown ether (CE) microsolvation on the structure of the gas-phase protein cytochrome c. With attached CE the protein retains a compact and more native-like structure while partially extended conformations are observed without CE.

The biological function of proteins is strongly correlated to their three dimensional structure. In recent years, techniques that analyze large biomacromolecules in the gas phase, i.e. after full evaporation of the surrounding solvation shell, attracted increased attention. To date however, it is not clear to which extent the loss oft he solvent affects the overall structural integrity of the molecule. In this context, it is well accepted that the charge state is one of the major determinants for the three dimensional architecture of a protein: high charge states typically exhibit extended conformations that are dominated by the repulsion between like charges while low charge states often adopt a compact structure that, to a certain extent, resembles that present in solution.

Researchers from the Fritz Haber Institute now showed that not only the charge state itself, but also the interaction between charged side chains and the backbone can severely affect the structure of a protein in the gas phase. Using ion mobility mass spectrometry they studied the influence of the non-covalent attachment of crown ether (CE) on the structure of the protein cytochrome c. CEs are known to coordinate and solvate protonated lysine side chains similarly as water molecules do in the condensed phase. Depending on the original charge state of the protein ions, the attachment of crown ether showed very different effects. Cytochrome c ions with high (above 9+) and low (below 6+) charge states progressively increased in size (and collision cross section) upon attachment of multiple CEs – a result that is expected due to the growing size of the complex. Surprisingly, however, protein ions with an intermediate charge state (6 to 9+) underwent a significant compaction of up to 40% when crown ether was added.

The team explained these rather counter-intuitive results by a changed interaction between the protonated side chains and the protein backbone. When the solvent is removed, charged side chains immediately coordinate carbonyl groups that are otherwise involved in the formation of structuring hydrogen bonds. Therefore, significant conformational changes can occur. However, when the protonated side chains are capped with a CE, they are too bulky to interact with backbone carbonyls. As a result, the molecule is much less affected when the solvent is removed and presumably retains a more native like structure.

Original publication: Warnke, S.; von Helden, G.; Pagel, K. Protein Structure in the Gas Phase – the Influence of Side Chain Microsolvation, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1177-1180. URL: http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ja308528d

Highlight: Armstrong, G.; Ion-mobility spectroscopy: Crowning achievement, Nature Chem. 2013, 5 (3), 150.
URL: http://www.nature.com/nchem/journal/v5/n3/full/nchem.1590.html


Abkühlende Elektronen versetzen Kristalle in Schwingung

Friday, 8th February 2013Ausgewählte Publikationen

Schematische Darstellung des Experiments. Ein extrem kurzer ultravioletter Lichtpuls von 5 Femtosekunden Dauer erzeugt heiße, angeregte Elektronen in Titandioxid. Dadurch ändert sich die räumliche Verteilung der Elektronen innerhalb des Gitters, was eine Verschiebung der Gitter-Potentialflächen, d.h. der Ruheposition der Atome, bewirkt (mittleres Bild). Die anschließende Abkühlung der Elektronen, die nach etwa 20 Femtosekunden abgeschlossen ist, verstärkt diesen Effekt noch weiter (rechtes Bild). Diese Kombination übt eine Kraft auf die Sauerstoffatome aus, die eine kohärente Schwingung des Kristalls bewirkt.

Auf der atomaren Skala bestehen Feststoffe aus Atomrümpfen, d.h. Atomkernen mit fest gebundenen Elektronen, und schwach gebundenen Valenzelektronen. Die Valenzelektronen treten in eine starke Wechselwirkung miteinander und bilden dadurch eine Art Klebstoff, der die Atomrümpfe in einem Kristallgitter zusammenhält. Die grundlegenden Eigenschaften eines Materials, wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit, die optischen Eigenschaften oder die Gitterstruktur, werden durch das stete Wechselspiel zwischen der Position der Atomrümpfe und der der Valenzelektronen bestimmt. Diese Korrelationen vor allem in komplexen Materialien zu untersuchen, gehört zu den wichtigsten Themen der modernen Festkörperphysik. Einer der experimentellen Ansätze besteht darin, die Valenzelektronen mit einem extrem kurzen Lichtpuls anzuregen und zu beobachten, wie das Kristallgitter auf diese Störung reagiert. Es geht dabei um Zeiteinheiten im Femtosekundenbereich (1 fs = 10-15 s).

Bei Oxiden von Übergangsmetallen ist die Korrelation von elektronischer und atomarer Struktur besonders stark ausgeprägt. So lassen sich in manchen Metalloxiden durch Anregung der Elektronen mit Licht sogar strukturelle Phasenübergänge induzieren. Forscher des Fritz-Haber-Instituts konnten in Kooperation mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, der Technischen Universität München und der Universität Kassel nachweisen, dass bereits eine kleine Umbesetzung der elektronischen Zustände eine deutliche Kraft auf die Atomrümpfe im Kristallgitter ausüben kann. Sie regten den Halbleiter Titandioxid mit extrem kurzen ultravioletten Lichtpulsen an und maßen die nachfolgende Änderung der Reflektivität des Kristalls. Die Anregung erzeugt anfangs eine kleine Zahl von sehr heißen Elektronen, die dabei ihre räumliche Verteilung im Kristall verändern: die Elektronendichte wird um die Sauerstoffkerne geringer und um die Titankerne höher. Dadurch verändert sich die durch die Valenzelektronen bedingte Potentialfläche des Kristalls, d.h. die Ruheposition der Sauerstoff-Atomrümpfe verschiebt sich relativ zu den Titan-Rümpfen. Da diese Veränderung der Potentialfläche schneller ist als die Bewegung der Atome im Kristall, wirkt auf alle Sauerstoff-Atomrümpfe die gleiche Kraft und sie beginnen im Takt zu schwingen.

Dieser Effekt lässt sich mit einer Kugel (Sauerstoffatome) in einer Schale (Potentialfläche des Gitters) veranschaulichen. Im Grundzustand befindet sich die Kugel in der Mitte am tiefsten Punkt der Schale. Die Anregung der Elektronen bewirkt eine schlagartige Verschiebung der Schale, die Kugel beginnt zu oszillieren.

Die genaue Analyse der Phase dieser Gitterschwingungen und umfangreiche theoretische Berechnungen offenbarten einen überraschenden Effekt: Wichtig für die neue Ruheposition der Atomrümpfe ist nicht nur die anfängliche Anregung der Elektronen mit Licht, sondern ebenso das anschließende Abkühlen der angeregten Elektronen. Die anfangs heißen Elektronen kühlen innerhalb von etwa 20 Femtosekunden von einigen Tausend Kelvin auf annähernd Raumtemperatur ab. Während der Kristall dabei nur minimal erwärmt wird, verändert sich jedoch die räumliche Verteilung der Valenzelektronen und, als Konsequenz, die Ruheposition der Atome im Gitter. Eine solche Abhängigkeit der Kristallstruktur von der Temperatur angeregter Elektronen war schon lange vorhergesagt worden und konnte nun zum ersten Mal experimentell nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Gleichgewichtszustand des Festkörpers auch auf kleine Änderungen der elektronischen Struktur extrem reagiert. Das ist ein weiterer Schritt zum Verständnis der komplexen Wechselwirkungen in Übergangsmetalloxiden und eröffnet neue Wege, Materialien gezielt für bestimmte Anwendungen zu entwerfen.

Originalpublikation:

Elisabeth M. Bothschafter, Alexander Paarmann, Eeuwe S. Zijlstra, Nicholas Karpowicz, Martin E. Garcia, Reinhard Kienberger und Ralph Ernstorfer
“Ultrafast evolution of the excited-state potential energy surface of TiO2 single crystals induced by carrier cooling”, Phys. Rev. Lett. 110, 067402 (2013).

Kontakt: Dr. R. Ernstorfer, FHI (ernstorfer@fhi-berlin.mpg.de), Tel: ++49-30-8413 5117