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Albertini, Marco (2015) A pulse EPR investigation on the structure of proteins and biomimetic model compounds involved in energy conversion. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In the last decades Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy has significantly developed as a versatile tool for the investigation of complex paramagnetic centers. Since then several microwave pulse sequences have been designed in order to disentangle the magnetic interactions between the unpaired electrons and the magnetically active surrounding. Despite their reactivity, paramagnetic centers are quite diffuse in biological systems, where they are usually involved in the key roles of the entire enzymatic activity of proteins. Many enzymes rely on paramagnetic transition metal centers for their catalytic role while different organic and metallic paramagnetic centers are essential in the whole photosynthetic process. In this thesis work advanced Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy is exploited to deeply investigate the structure and the surrounding of three different classes of paramagnetic centers, which are present in proteins and artificial biomimetic systems and all being involved, directly or indirectly, in the sunlight energy conversion process that brings energy from the Sun to the Earth. The peptide environment of the active site of a protein is known to play a peculiar role in the fine tuning of the whole activity of the protein, for this reason the investigation of the surrounding of the paramagnetic center turn to be crucial for a correct and comprehensive description of the energy conversion pathway.
The first system here investigated is the reduced iron-sulfur cluster of the HydF protein, an enzyme involved in the correct maturation of the [Fe-Fe]-hydrogenase. Up to date the entire maturation pathway is still unclear, so that a multi-layered description at molecular level of the role of the HydF protein is of fundamental meaning. Then the investigation moves to the triplet state of the carotenoid involved in the photoprotection mechanism inside the Peridinin - Chlorophyll a – Protein. In this case a water molecule has been identified as an active and conserved player in the energy transfer process between the pigments. Finally, we have explored the feasibility of employing the photoexcited triplet state of tetraphenylporphyrin as a spin probe for the Double-Electron-Electron-Resonance technique on several artificial biomimetic compounds. The introduction of this novel spin probe approach will considerably improve the structural-investigation potential of this technique since porphyrins are widespread pigments, constituting the molecular core of chlorophylls, bacteriochlorophylls and heme groups. The application to a biological system, the Peridinin - Chlorophyll a – Protein antenna complex, has also been tested with very good and promising results.
For all these systems, Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy proved to be a valuable and effective tool for investigating the systems hereafter reported, giving new insight into energy conversion and transfer mechanisms in biological systems from a structural point of view, highlighting how the fine tuning of the surrounding of the paramagnetic center at atomic level is crucial for the future design of biomimetic compounds able to efficiently convert solar energy into practical fuels. In addition the triplet state has been demonstrated to be a valuable spin probe for distance and orientation measurement in both biological and biomimetic systems, opening the possibility to exploit the triplet state as a probe for gaining structural data at molecular level.

Abstract (italiano)

Nel corso degli ultimi decenni la spettroscopia di risonanza di spin elettronico ha subito un enorme sviluppo come tecnica per lo studio di sistemi paramagnetici complessi. Da allora sono state progettate una serie di differenti sequenze di impulsi di microonde con l’obiettivo di isolare le singole interazioni magnetiche tra l’elettrone spaiato sede del centro paramagnetico e l’intorno magneticamente attivo. Nonostante la loro reattività, i centri paramagnetici ricorrono frequentemente all’interno dei sistemi biologici, dove generalmente svolgono ruoli di primaria importanza nell’attività enzimatica delle proteine. Una gran quantità di enzimi fa affidamento su centri paramagnetici costituiti da ioni di metalli di transizione per il corretto svolgimento dell’attività catalitica mentre centri paramagnetici di tipo sia organico che metallico sono noti costituire parte essenziale dell’intero processo fotosintetico. In questa tesi si farà uso di strumenti avanzati di spettroscopia di risonanza di spin elettronico per uno studio approfondito di tre classi di centri paramagnetici di origine sia biologica che artificiale accomunati dall’essere coinvolti più o meno direttamente in processi di conversione dell’energia solare. È noto come l’intorno proteico del sito attivo di una proteina sia di fondamentale importanza nella regolazione dell’intera attività enzimatica, così che lo studio approfondito dell’intorno proteico proposto in questo lavoro di tesi è fondamentale per una corretta e completa descrizione dei meccanismi di conversione dell’energia solare.
Il primo sistema presentato è la forma ridotta del cluster ferro-zolfo della proteina HydF, un enzima coinvolto nel processo di maturazione della [Fe-Fe]-idrogenasi. Ad oggi l’intero processo di maturazione presenta ancora punti poco chiari, così che una dettagliata descrizione a livello molecolare del ruolo di HydF risulta di fondamentale importanza. Successivamente verranno esposti i risultati di uno studio sullo stato di tripletto del carotenoide coinvolto nel processo di fotoprotezione attivo nella proteina peridinin - chlorophyll a - protein (PCP). In questo caso lo studio ha permesso di identificare il ruolo primario di una molecola d’acqua nel processo di trasferimento di energia di tripletto tra i pigmenti coinvolti. Infine è stata indagata la possibilità di impiegare lo stato di tripletto foto-eccitato della molecola tetrafenilporfirina come potenziale spin probe nella tecnica di doppia risonanza Double-Electron-Electron-Resonance su di una serie di composti biomimetici. L’introduzione di questo nuovo approccio porta notevoli innovazioni nello studio strutturale basato su tale tecnica poiché le porfirine rappresentano una classe di pigmenti particolarmente diffusa in natura, costituendo la base di clorofille, batterioclorofille e del gruppo eme. Nello stesso capitolo viene presentata l’applicazione della tecnica ad un sistema biologico, la proteina PCP, con risultati promettenti.
La spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica in tutti questi casi si è dimostrata un valido strumento per l’indagine dei sistemi riportati nel lavoro, fornendo nuovi dettagli strutturali circa i meccanismi di conversione di energia all’interno di sistemi biologici e chiarendo come la struttura a livello atomico dell’intorno del centro paramagnetico sia di fondamentale importanza per la progettazione futura di sistemi biomimetici capaci di convertire efficacemente l’energia solare in combustibile. Infine è stato dimostrato come lo stato di tripletto sia un valido spin probe per l’ottenimento di informazioni riguardanti la distanza e l’orientazione all’interno di sistemi biologici e biomimetici, aprendo la possibilità di sfruttare lo stato di tripletto come sonda per ottenere informazioni strutturali a livello molecolare.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Di Valentin, Marilena
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > SCIENZE MOLECOLARI > SCIENZE CHIMICHE
Data di deposito della tesi:30 Gennaio 2015
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2015
Parole chiave (italiano / inglese):EPR
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 03 - Scienze chimiche > CHIM/02 Chimica fisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Chimiche
Codice ID:7784
Depositato il:12 Nov 2015 11:51
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