The Melting Diagram of Protein Solutions and Its Thermodynamic Interpretation

Here we present a novel method for the characterization of the hydration of protein solutions based on measuring and evaluating two-component wide-line 1H NMR signals. We also provide a description of key elements of the procedure conceived for the thermodynamic interpretation of such results. These interdependent experimental and theoretical treatments provide direct experimental insight into the potential energy surface of proteins. The utility of our approach is demonstrated through the examples of two proteins of distinct structural classes: the globular, structured ubiquitin; and the intrinsically disordered ERD10 (early response to dehydration 10). We provide a detailed analysis and interpretation of data recorded earlier by cooling and slowly warming the protein solutions through thermal equilibrium states. We introduce and use order parameters that can be thus derived to characterize the distribution of potential energy barriers inhibiting the movement of water molecules bound to the surface of the protein. Our results enable a quantitative description of the ratio of ordered and disordered parts of proteins, and of the energy relations of protein–water bonds in aqueous solutions of the proteins

Synthesis, structural and magnetic properties of TM22+[MOIV(CN)(8)]center dot nH(2)O

Octacyanomolybdates (OCMs) TM2 divided by[Mo(CN)(8)]center dot nHO, where TM is Mn, Fe, Co, Ni, Cu were synthesised and characterised by IR spectroscopy and UV-VIS spectroscopy. The UV-VIS spectrum showed the intervalence charge transfer (IVCT) band between Mo-IV-CN-Cu-II and Mo-V-CN-Cu-I around 510 nm. Studied OCMs adopt tetragonal crystal structure. The H-1 NMR signals reflect the magnetic moment of the TM2- ions (mu(P)). The decay rates of free induction decay (FID) signals increase as pp and the applied static rf-field increases. The spin-lattice relaxation times at 27.7 MHz vary from 0.0187 ins (Mn) up to 0.45 ms (Cu). Magnetization measurements indicate long-range magnetic ordering of Mn- and Co- OCMs with the Curie temperature T-c = 4 K. The remaining OCMs (TM is Fe, Ni, Cu) are paramagnetic down to T = 1.9 K

H-1 NMR on (NixMn1-x)(3)[Cr(Cn)(6)](2) center dot NH(2)O

We report on H-1 NMR of (NixMn1-x)(3)[Cr(Cn)(6)](2) center dot nH(2)O hexacyanochromates, where x changes from 0 to 1. The decay time constants of the free induction decay signals described by an effective spin-spin relaxation time T-2eff obtained from M(t) = M-0 exp(t/T-2eff) decrease as the local magnetic moments increase produced by the magnetic transition metal ions at the sites of the resonant H-1 nuclei. The recovery of the magnetization in the spin-lattice relaxation time (T-1) experiments was single-exponential

Borát-kristályok és hibahelyeik térbeli, rezgési és elektronszerkezete = Geometrical, vibrational and electronic structure of borate crystals and their defects

Az alap- és adalék-anyagok mennyiségének meghatározására YAB minták össze-hasonlító analízisét készítettük el lángatomabszorpciós és induktivan csatolt plazma atomemissziós spektrometriával. A YAB kristályba Mo, K, Ca, Si, Ti, Na, Mg, Fe, és Zn idegen elemeket tartalmazó mikrozárványok nőnek be, egyéb kristályhibák kialakulásához vezetve. EPR vizsgálattal meghatároztuk YAB kristályban Ce, Er, Yb és Gd adalékok spin-Hamilton paramétereit. A spektrumok szimmetriája alapján valamennyi ion Y helyre épül be. A Ce, Er, Gd, Dy és Tm ionok energia-nívó rendszerét abszorpció és fotolumineszcencia mérésekkel állapítottuk meg. Ab inito számítással a YAB két inekvivalens bór-helyzetének helyén meghatároztuk az elektromos térgradiens tenzor szimmetriáját és komponenseit, ezek kitűnően egyeznek a 11B-NMR-mérésekből kapottakkal. A CsLiB6O10 kristályokba épülő vízmolekula H-O-H hajlítási módusát, az OH szimmetrikus és aszimmetrikus nyújtási módusait, kombinációs és felharmonikus sávjait azonosítottuk. Li2B4O7:Cu egykristály EPR spektruma egy párosítatlan lyukhoz, azaz Cu2+ ionokhoz rendelhető, amelyek C1 szimmetriájú Li pozíciókat, vagy ?off center? helyeket foglalnak el. Li2B4O7:Cu egykristály fotolumineszcenciája 375 nm-nél a Cu+ triplett állapot 3d94s 3d10 átmenetéhez rendelhető. A Cu+ iontól származó emisszió lecsengésének hőmérsékletfüggése arra utal, hogy a Cu+ ion Li helyet, vagy "off center" pozíciót foglal el. | Comparative analysis of YAB single crystals was performed by flame atomic absorption spectrometry and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry for host and dopant ions. Mo, K, Ca, Si, Ti, Na, Mg, Fe, and Zn impurity ions are found in micro inclusions leading to the creation of further defects. The spin-Hamiltonian parameters of Ce, Er, Yb and Gd dopants in YAB were determined by EPR. The symmetry of the spectra of these ions indicates that all dopants substitute for Y. The energy level systems of Ce, Er, Gd, Dy and Tm were determined from optical absorption and luminescence. The symmetry and components of electric field gradient tensor for the two non-equivalent boron positions in YAB were calculated with ab initio method agreeing with those determined from 11B-NMR measurements. The H-O-H bending mode, the symmetric and asymmetric OH stretching modes, overtones and combinations of the fundamental water vibrations were identified in CsLiB6O10. The EPR spectrum of Li2B4O7:Cu single crystal is assigned to an unpaired hole, i.e. Cu2+ ions situated at or near the Li lattice site. The photoluminescence at 375 nm can be attributed to the 3d94s 3d10 transition of Cu+. The temperature variation of the decay kinetics of Cu+ emission supports the assumption that Cu+ ions situate at or near Li lattice sites

Nmr relaxation studies on the hydrate layer of intrinsically unstructured proteins

Intrinsically unstructured/ disordered proteins (IUPs) exist in a disordered and largely solvent- exposed, still functional, structural state under physiological conditions. As their function is often directly linked with structural disorder, understanding their structure-function relationship in detail is a great challenge to structural biology. In particular, their hydration and residual structure, both closely linked with their mechanism of action, require close attention. Here we demonstrate that the hydration of IUPs can be adequately approached by a technique so far unexplored with respect to IUPs, solid-state NMR relaxation measurements. This technique provides quantitative information on various features of hydrate water bound to these proteins. By freezing nonhydrate ( bulk) water out, we have been able to measure free induction decays pertaining to protons of bound water from which the amount of hydrate water, its activation energy, and correlation times could be calculated. Thus, for three IUPs, the first inhibitory domain of calpastatin, microtubule-associated protein 2c, and plant dehydrin early responsive to dehydration 10, we demonstrate that they bind a significantly larger amount of water than globular proteins, whereas their suboptimal hydration and relaxation parameters are correlated with their differing modes of function. The theoretical treatment and experimental approach presented in this article may have general utility in characterizing proteins that belong to this novel structural class

Korrelált elektronrendszerek fázsiátalakulásainak elméleti és NMR kisérleti vizsgálata = Phase transitions in correlated electron systems: Theory and NMR experiments

Elméleti vizsgálatainkban az kérdeztük, hogyan vezethetnek a geometriai kényszerek, a magasabb spinkicserélődés, illetve az anizotróp kölcsönhatások szokatlan tulajdonságú mágneses fázisokhoz. Megmutattuk, hogy 1-es spinű kvantumrendszerekben nemmágneses, mégis O(3) szimmetriát sértő kvadrupoláris rend jöhet létre bikvadratikus kölcsönhatás jelenlétében háromszög- és négyzetrácson. Az erősen frusztrált piroklór rácson klasszikus spinekre megmutattuk, hogy a bikvadratikus tag együtt az elsőszomszéd Heisenberg-kölcsönhatással nematikus fázist eredményezhet algebrai spinkorrelációkkal. Kiterjedt Monte-Carlo-szimulációkkal megmutattuk egy valódi gap nélküli spinfolyadék létezését kvantumdimer-rendszerekben. Továbbfejlesztettük 9 T-s szilárdtest-NMR spektrométerünket egy korszerű rádiófrekvenciás konzol üzembehelyezésével és számos a molekuláris mágnesek és kapcsolók családjába tartozó cianid-hidas átmenetifém-komplex NMR tulajdonságait vizsgáltuk. Berlini kék analóg vegyületben az átmeneti fémion-összetétel függvényében változó mágneses tulajdonságokat követtük a kristályvíz protonjait felhasználva. Kvázi kétdimenziós ferromágneses vegyületben szerkezetileg azonosítottuk és jellemeztük a különböző eredetű (víz ill. szerves) protonjeleket. Egy másik NMR vizsgálatunkban sikeresen leírtuk egy izolált kubán molekula proton-NMR spektrumát a kölcsönható 8-spin rendszer Hamilton-operátorának numerikus diagonalizálásával. | On the theoretical side, we have studied how geometrical, higher spin exchange, or DM interaction induced frustration can lead to exotic phases. We found nonmagnetic, yet O(3) breaking quadrupolar phases in quantum spin-one system with biquadratic exchange on triangular and square lattices. On the highly frustrated pyrochlore lattice with classical spins, we have shown that biquadratic term next to a nearest neighbor Heisenberg exchange may stabilize nematic order with algebraic decay of spin correlations. Using Monte-Carlo simulations, we have shown the appearance of a true gapless spin-liquid state in three-dimension on a quantum-dimer model. We have shown that the anisotropy may induce Ising-like degeneracy in dimer systems. On the NMR side, we have installed a new radiofrequency console in our 9-T solid state NMR spectrometer. We have investigated cyanide-bridge transition metal complexes belonging to the family of molecular magnets and switches. Using the proton signals of the water in the lattice, we have traced the changes of magnetic properties due to changing transition metal ion composition in a Preussian blue analogue compound. We identified and characterized from structural aspects the proton signals of different origin (water or organic) in a quasi two-dimensional ferromagnetic compound. In another NMR study, we have successfully modelled the proton NMR line shape of isolated cubane molecules with exact diagonalization of the interacting 8-spin Hamiltonian

A complete nicotinate degradation pathway in the microbial eukaryote Aspergillus nidulans

Several strikingly different aerobic and anaerobic pathways of nicotinate breakdown are extant in bacteria. Here, through reverse genetics and analytical techniques we elucidated in Aspergillus nidulans, a complete eukaryotic nicotinate utilization pathway. The pathway extant in this fungus and other ascomycetes, is quite different from bacterial ones. All intermediate metabolites were identified. The cognate proteins, encoded by eleven genes (hxn) mapping in three clusters are co-regulated by a specific transcription factor. Several enzymatic steps have no prokaryotic equivalent and two metabolites, 3-hydroxypiperidine-2,6-dione and 5,6-dihydroxypiperidine-2-one, have not been identified previously in any organism, the latter being a novel chemical compound. Hydrolytic ring opening results in α-hydroxyglutaramate, a compound not detected in analogous prokaryotic pathways. Our earlier phylogenetic analysis of Hxn proteins together with this complete biochemical pathway illustrates convergent evolution of catabolic pathways between fungi and bacteria

Rendezetlen fehérjék: a szerkezet-funkció paradigma kiterjesztése = Intrinsically disordered proteins: extension of the structure-function paradigm

Kísérletes eredmények: Rendezetlen chaperonok hatása, a riboszomális fehérjék kettős chaperone hatásának kimutatása. A rendezetlen fehérjék ellenállnak a hideg-denaturációnak. A rendezetlen fehérjéknek egyedi a hidratációja. Rendezetlenség kimutatása liofilizált mintákból. A rendezetlenség korrelál a kromoszómális transzlokációval. Az állványfehérjéknek magas a rendezetlensége. Új NMR technika a rendezetlen fehérjék elemzésére. Az ERD14 NMR jelhozzárendelése és szerkezeti-dinamikai jellemzése. Az androgén receptor rendezetlen régiójának hossza kapcsolatban van a kognitív képességekkel. A rendezetlen fehérjék crowding körülmények között sem tekerednek fel. Elméleti megfigyelések: Kötött állapotban megfigyelhető rendezetlenség (bolyhsosság) elemzése, a domén koncepció kiterjesztése a rendezetlenségre, az amiloidokban mutatkozó rendezetlenség leírása. Bioinformatikai eredmények: A hipertermofil baktériumokban a rendezetlenség aránya alacsony. Az alternatív splicing során kialakuló kettős kódolású szakaszokról átíródó fehérjék rendezetlensége teszi lehetővé az alternatív fehérjék létét. A rendezetlenség közvetlen kapcsolatban van a fehérje funkciójával, így harmadlagos szerkezeti elemnek tekinthető. Predikciós módszer kidolgozása az alternatív splicing során létrejövő fehérje életképességének megállapítására. A poty-vírus VPg sokféle funkcióban vesz részt, köszönhetően szerkezeti flexibilitásának. Egyéb eredmények: Review a rendezetlenség kutatásának új szakaszáról. | Experimental results: Study of the disordered chaperones, the determination of the double chaperone effect of ribosomal proteins, resistance of the IDPs to cold denaturation. Determination of the unique hydration of IDPs. Determination of protein disorder from lyophilized samples. Protein disorder correlates with chromosomal translocation. Scaffold proteins contain a high level of structural disorder. Designing a new NMR method for the study of IDPs. Assignation of NMR signals of ERD14 and its structural-dynamics characterization. The observation that the length of the disordered region of androgen receptor is related to cognitive capabilities. IDPs remain unfolded even under crowding conditions. Theoretical observations: Analysis of disorder in the bound form (fuzziness), extending the domain concept to IDPs, description for disorder in amyloids. Bioniformatical results: Observation of low levels of disorder in hyperthermophil bacteria. Alternative protein forms are able to evolve because of the disordered nature of the transcripts of dual coding sequences, that result from alternative splicing. Disorder is in intimate connection to function, thus it should come under the category of tertiary structural elements. Designing a prediction method to determine the viability of a protein from an alternative splice event. The VPg protein of poty virus possesses many different functions, thanks to its structural flexibility. Other results: Review of the new era of disorder research