Studium konformací disulfidických můstků metodami vibrační spektroskopie

• Thesis title in Czech: Studium konformací disulfidických můstků metodami vibrační spektroskopie
• Thesis title in English: Study of disulfide bridge conformations by vibrational spectroscopy methods
• Key words: S-S můstky|Ramanova spektroskopie|ROA|kvantově mechanické simulace
• English key words: disulfide bridges|Raman spectroscopy|ROA|QM simulations
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: diploma thesis
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Václav Profant, Ph.D.
• Advisors: RNDr. Ivan Barvík, Ph.D.

Guidelines

1. Vypracovat rešerši pokrývající problematiku disulfidických můstků - jejich biologického role pro stabilizaci struktury proteinů, spektroskopické identifikace jejich signálu, zastoupení různých konformačních uspořádání, atd.
2. Seznámit se se základy kvantově mechanických výpočtů molekul a jejich vlastností.
3. Provést simulace Ramanových a ROA spekter několika modelů disulfidických můstků v různých konformacích.
4. Analyzovat vypočítaná spektra a identifikovat charakteristické spektrální rysy svázané s konkrétní konformací můstků. Verifikovat poznatky z literatury.
5. Změřit Ramanova a ROA spektra několika vybraných vzorků obsahujících disulfidické můstky a srovnat je s výsledky simulací.

References

1. Nafie, L.A. Vibrational Optical Activity: Principles and Applications, John Wiley & Sons, 2011.
2. Pazderková, M. Dizertační práce, MFF UK, 2016.
3. Bednárová, L., Bouř, P.; Maloň, P. Vibrational and Electronic Optical Activity of the Chiral Disulphide Group: Implications for Disulphide Bridge Conformation, Chirality 22 (2010), 514-526.
4. Maloň, P.; Bednárová, L.; Straka, M., et al. Disulfide Chromophore and Its Optical Activity, Chirality 22 (2010) E47-E55.
5. Vybraný soubor původních prací

Preliminary scope of work

Prostorové uspořádání proteinů (sekundární, terciální a kvartérní struktura) je klíčové pro jejich biologickou funkci. Nejnižší úroveň 3D uspořádání, sekundární struktura, je lokální geometrické uspořádání polypeptidového řetězce na krátké vzdálenosti (tj. mezi několika po sobě jdoucími aminokyselinami), které bývá často stabilizované pomocí vodíkových můstků. Mezi nejčastější sekundární struktury patří alfa helix a beta skládaný list. Globální geometrické uspořádání, tj. vzájemná poloha jednotlivých sekundárních strukturních prvků, se nazývá strukturou terciální. Pro stabilizaci terciální struktury mají klíčovou roli disulfidické (S-S) můstky vytvářené kovalentními vazbami mezi sulfanylovými skupinami aminokyseliny cysteinu. Vyšší zastoupení disulfidových vazeb je spojeno s trvanlivostí a odolností biologických struktur - keratinové proteiny v peří či lidských vlasech mají až 14% zastoupení cysteinu. Schopnost reverzibilní redukce a reoxidace disulfidové vazby pak vedla k tomu, že jejich redoxní stav je často využíván jako signální prvek v metabolických drahách i mechanismech genové exprese.

Zjištění konkrétní konformace disulfidického můstku je však poměrně obtížné. Jednou z možností je využití vibrační spektroskopie, nedestruktivní metody založené na interakci elektromagnetického záření se vzorkem, která umožňuje velice přesnou identifikaci studované látky (kvalitativní analýza) i stanovení množství této látky ve vzorku (kvantitativní analýza). Vzhledem k nízké frekvenci vibrací charakteristických pro S-S můstky se budeme věnovat především Ramanově spektroskopii a její chirálně citlivé variantě Ramanově optické aktivitě (ROA). Cílem práce je nalézt pravidla umožňující identifikaci typu disulfidového můstku na základě frekvence a intenzity S-S a C-S vibrací.

Přáce je koncipována jako převážně teoretická se zaměřením na kvantově chemické simulace molekulových vlastností. Student se naučí pracovat se softwarem pro molekulární dynamiku a kvantově mechanické výpočty molekulových spekter.

Během řešení se student seznámí s metodikou výpočtů

Preliminary scope of work in English

The spatial arrangement of proteins (secondary, tertiary, and quaternary structure) is key to their biological function. The lowest level of 3D order, secondary structure, is the local geometrical arrangement of the polypeptide chain over short distances (i.e., between several consecutive amino acids), which is often stabilized by hydrogen bonds. The alpha helix and the beta folded sheet are the most common secondary structures. The global geometric arrangement, i.e. the mutual position of individual secondary structural elements, is called the tertiary structure. Disulfide (S-S) bridges formed by covalent bonds between sulfanyl groups of the amino acid cysteine ​​play a key role in stabilizing the tertiary structure. A higher representation of disulfide bonds is associated with the durability and resistance of biological structures - keratin proteins in feathers or human hair have up to 14% cysteine ​​representation. The ability to reversibly reduce and reoxidize the disulfide bond then led to the fact that their redox state is often used as a signaling element in metabolic pathways and gene expression mechanisms.

However, determining the specific conformation of the disulfide bridge is quite difficult. One possibility is the use of vibrational spectroscopy, a non-destructive method based on the interaction of electromagnetic radiation with the sample, which enables very precise identification of the studied substance (qualitative analysis) and determination of the amount of this substance in the sample (quantitative analysis). Due to the low frequency of vibrations characteristic of S-S bridges, we will mainly focus on Raman spectroscopy and its chirally sensitive variant Raman optical activity (ROA). The goal of the thesis is to find rules enabling the identification of the type of disulfide bridge based on the frequency and intensity of S-S and C-S vibrations.

The work is conceived as mainly theoretical with a focus on quantum chemical simulations of molecular properties. The student will learn to work with software for molecular dynamics and quantum mechanical calculations of molecular spectra.