Charakterizace sekundární struktury polyproline I pomocí metod vibrační a chiroptické spektroskopie a kvantově mechanických simulací

• Thesis title in Czech: Charakterizace sekundární struktury polyproline I pomocí metod vibrační a chiroptické spektroskopie a kvantově mechanických simulací
• Thesis title in English: Characterisation of polyproline I secondary structure by means of vibrational and chiroptical spectroscopy methods and quantum mechanical simulations
• Key words: polyproline I, mutarotace, ramanova optická aktivita, elektronový cirkulární dichroismus, DFT simulace
• English key words: polyproline I, mutarotation, raman optical activity, electronic circular dichroism, DFT simulations
• Academic year of topic announcement: 2018/2019
• Thesis type: diploma thesis
• Thesis language: čeština
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Václav Profant, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 12.11.2018
• Date of assignment: 28.11.2018
• Confirmed by Study dept. on: 31.07.2020
• Date and time of defence: 22.09.2020 09:00
• Date of electronic submission: 25.07.2020
• Date of submission of printed version: 25.07.2020
• Date of proceeded defence: 22.09.2020
• Opponents: RNDr. Jana Hudecová, Ph.D.
• Advisors: prof. RNDr. Vladimír Baumruk, DrSc.

Guidelines

1. Seznámit se se základy metod vibrační a chiroptické spektroskopie a naučit se obsluhovat IR, Ramanovský, VCD, ROA a ECD spektrometr.
2. Vypracovat rešerši pokrývající řešenou problematiku - sekundární struktury polyprolinových řetězců, cis-trans izomerizace peptidové vazby, biologická role struktury polyproline II, příprava struktury polyproline I, její mutarotace atd.
3. Změřit vibrační a ECD spektra struktury polyproline I a procesu její mutarotace ve strukturu polyproline II.
4. Zpracovat experimentální spektra mutarotace pomocí metod faktorové analýzy.
5. Seznámit se se základy kvantově mechanických výpočtů molekul a jejich vlastností.
6. Provést simulace vibračních spekter struktury polyproline I pro peptidové řetězce různých délek a různého aminokyselinového složení.
7. Analyzovat změřená a vypočítaná spektra a identifikovat spektrální rysy význačné pro sekundární konformaci PPI. Charakterizovat proces mutarotace, jeho mechanismus a dynamiku. Kvantifikovat přesnost simulací v závislosti na různých výpočetních parametrech.

References

Stephens, P.J.; Devlin, F.J.; Cheeseman, J.R. VCD Spectroscopy for Organic Chemists. CRC Press, 2012.
Nafie, L.A. Vibrational Optical Activity: Principles and Applications, John Wiley & Sons, 2011.
Kapitán, J. Dizertační práce, MFF UK, 2006.
Profant, V. Dizertační práce, MFF UK, 2017.
Profant, V.; Baumruk, V.; Li, X.; Šafařík, M.; Bouř, P. Tracking of the Polyproline Folding by Density Functional Computations and Raman Optical Activity Spectra, J. Phys. Chem. B 115,2011, 15079–15089.
Dukor, R.; Keiderling T. Mutarotation studies of poly‐L‐proline using FTIR, electronic and vibrational circular dichroism, Biospectroscopy 2, 1996, 83-100.
Dukor, R.; Keiderling T.; Gut, V. Vibrational circular dichroism spectra of unblocked proline oligomers, Int. J. Pept. Protein Res. 38, 1991, 198-203.
Shi, L.; Holliday, A.E.; Shi, H.; Zhu, F.; Ewing, M.A.; Russell, D.H.; Clemmer, D.E. Characterizing intermediates along the transition from polyproline I to polyproline II using ion mobility spectrometry-mass spectrometry, J. Am. Chem. Soc. 136, 2014, 12702-11.
Kuemin, M.; Engel, J.; Wennemers, H. Temperature‐induced transition between polyproline I and II helices: quantitative fitting of hysteresis effects, J. Pept. Sci. 16, 2010, 596-600.
Moradi, M.; Babin, V.; Roland, Ch.; Darden, T.A.; Saugi, C. Conformations and free energy landscapes of polyproline peptides, PNAS 106, 2009, 20746-20751.

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, často stabilizované pomocí vodíkových můstků. Mezi nejčastější sekundární struktury patří alfa helix a beta skládaný list. Kromě nich ale rozlišujeme i mnoho dalších jako 3-10 helix, π helix, polyprolinový helix, levotočivý alfa helix, z nerepetitivních sekundárních struktur pak beta otočky, omega smyčky, aj.
Nabízená diplomová práce se bude soustředit na charakterizaci sekundární struktury polyproline I (PPI), která odpovídá kompaktnímu pravotočivému helixu, kdy všechny dihedrální úhly (φ,ψ) proteinové páteře nabývají hodnot cca (-75°, 160°) a peptidová vazba je - na rozdíl od ostatních sek. struktur - v cis konformaci. PPI helix a dynamika jeho tvorby a rozpadu bude studována pomocí vibrační spektroskopie, nedestruktivní metody založená na interakci elektromagnetického záření se vzorkem, která umožňuje velice přesnou identifikaci studované látky (kvalitativní analýza) i stanovení množství této látky ve vzorku (kvantitativní analýza). Varianta vibrační spektroskopie citlivá na chirální uspořádání studované látky se nazývá vibrační optická aktivita (VOA) a spadají pod ní dvě odlišné techniky – Ramanova optická aktivita (ROA) a vibrační cirkulární dichroismus (VCD). Nezbytnou součástí kvalitativní analýzy jsou i kvantově mechanické simulace, které umožňují detailní interpretaci naměřených spekter.
Náplní magisterské práce budou kromě experimentálního studia PPI i kvantově mechanické simulace vedoucí k detailní interpretaci spekter.