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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-74975
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7497/


Okafuji, Asako

Characterization of proteins from the DNA photolyase/cryptochrome family by electron paramagnetic resonance and optical spectroscopy

Charakterisierung von Proteinen der DNA Photolyase/Cryptochrom Klasse mittels paramagntetischer Elektronenspinresonanz und optischer Spektroskopie

Dokument1.pdf (3.534 KB) (md5sum: 4ce0c627a0ea52c0d82cbc1ea24175b6)

Kurzfassung in Englisch

In this thesis, proteins from the DNA photolyase/cryptochrome family are studied by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy and optical spectroscopy. Although proteins from this family have a common three-dimensional fold, sequence homology, and redox-active flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor, they engage in diverse activities. In response to blue or UV-A light, they function physiologically in DNA repair, entrainment of the circadian clock, and other processes such as stimulation of plant growth. Redox reactions are proposed to play a key role in light-responsive activities of this protein family, involving its radical forms as signaling states. EPR spectroscopy has been successfully employed to study their stable radical forms. Moreover, a radical pair which is generated by photoinduced electron transfer can be directly investigated by EPR. Therefore, EPR spectroscopy is particularly suitable and is one of the most powerful tools to study the reaction mechanism of these proteins.

In this thesis, the following three topics are addressed. The first topic is about characterization of an anionic FAD radical in glucose oxidase. To determine the principal g-values and hyperfine couplings in the anionic FAD radical, high-field/high-frequency continuous wave (CW) EPR, pulsed electron-nuclear double resonance (ENDOR), and optical spectroscopies are employed. By 360 GHz CW EPR spectroscopy, the anisotropy of the g-tensor is fully resolved for the first time. The obtained g-values and hyperfine couplings are compared with those of known neutral FAD radicals.

In the second topic, the photoinduced reductions of the FAD cofactor in class II CPD photolyases are examined by optical spectroscopy, and pulsed ENDOR spectroscopy was used to probe the binding pocket of the FAD. Results are compared with those of the two other classes of DNA photolyase, class I CPD photolyase and (6-4) photolyase. By using a structural model of one of the class II CPD photolyases, a new electron transfer pathway for this protein is proposed.

The third topic is about the investigation on cryptochrome-DASH (Cry-DASH) proteins. Cry-DASH proteins are examined by optical spectroscopy, transient EPR spectroscopy and out-of-phase electron spin envelope modulation (OOP-ESEEM). The photoinduced reduction of FAD of Cry-DASH proteins are compared with those of DNA photolyases, and possible energy curves are proposed for the three redox states of FAD in both Cry-DASH and DNA photolyases. Transient EPR spectroscopy and OOP-ESEEM were used to study light-generated spin-correlated radical pairs, comprising an FAD radical and an amino acid residue radical. The amino acid residue involved in the photoinduced reaction is identified by inspection of the transient EPR spectra and the inter-radical distance obtained by OOP-ESEEM experiments.


Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit werden Proteine der DNA Photolyase/Cryptochrom-Familie mittels Elektronenspinresonanz (ESR)- und optischer Spektroskopie untersucht.
Der ersten Teil dieser Arbeit behandelt die Charakterisierung eines anionischen Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) Radikals aus dem Enzym Glukose-Oxidase. Zum ersten Mal konnte durch continous-wave ESR-Spektroskopie bei 360 GHz die g-Tensor Anisotropie des FAD-Anionradikals vollständig aufgelöst werden.
Im zweiten Teil wird die Untersuchung der lichtinduzierten Reduktion des FAD-Kofaktors von Klasse II CPD Photolyasen mit Hilfe optischer Spektroskopie und gepulster ENDOR (Elektron-Kern-Doppelresonanz)-Spektroskopie dazu benutzt, um die Bindungstasche des FADs genauer zu erforschen. Durch die Verwendung eines Strukturmodells einer Klasse II CPD-Photolyase konnte ein neuer Weg für den Elektronentransfer des Proteins vorgeschlagen werden.
Der dritte Teil der Arbeit beinhaltet die Untersuchung von Cryptochrom-DASH (Cry-DASH) Photorezeptoren. Die lichtinduzierte Reduktion des FAD Cofaktors der Cry-DASH Proteine wurde mit Hilfe optischer Spektroskopie untersucht. Um die durch Licht generierten spinkorrelierten Radikal-Paare zu studieren, wurden transiente ESR und out-of-phase Electron Spin Echo Envelope Modulation (OOP-ESEEM) Experimente durchgeführt. Die an der lichtinduzierten Reduktion beteiligte Aminosäure konnte durch die Auswertung des transienten EPR-Spektrums identifiziert werdne. Der Abstand der Radikal-Paare zueinander ließ sich durch OOP-ESEEM-Experimente bestimmen.


SWD-Schlagwörter: Elektronenspinresonanz Spektroskopie , Optische Spectroskopie , DNA Photolyase , Cryptochrome
Freie Schlagwörter (englisch): Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy , Optical Spectroscopy , DNA Photolyase , Cryptochrome
Institut: Institut für Physikalische Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Weber, Stefan (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.12.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 07.06.2010
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