Structure and Dynamics of Conformational Substates and Intermediates Revealed on Heating from the Glassy States. A Combined Spectroscopic and Calorimetric Approach.

Bei Umgebungstemperatur kann die schnelle Umwandlung von Konformationszuständen oder die Lebensdauer von kurzlebigen Zwischenprodukten im Bereich von Milli- bis Picosekunden liegen, weswegen ihre Charakterisierung schwierig oder unmöglich ist. Diese Prozesse werden durch Abkühlen in den Glasübergangsbereich um mehrere Größenordnungen verlangsamt. Dieser Effekt wurde im Rahmen des Projektes ausgenutzt, wie im Folgenden beschrieben wird: Teil (a): Für die Funktion von DNA und von Proteinen ist ihre Dynamik von essentieller Bedeutung und Konformations-Unterzustände spielen eine entscheidende Rolle. Schnelle Übergänge zwischen diesen Unterzuständen im ps- bis ns-Bereich stellen ein grundlegendes Problem bei Raumtemperaturuntersuchungen dar. Deshalb untersuchten wir Struktur und Dynamik von Konformationsunterzuständen von hydratisierter DNA während des Erwärmens vom Glaszustand und im Glasübergangsbereich, wo die Übergänge zwischen diesen Zuständen um Größenordnungen langsamer verlaufen. Die biologisch aktive Form von DNA ist B-DNA, die laut zahlreichen Publikationen ausschließlich in der sogenannten BI Form existiert, während die ebenfalls beobachtete BII Form auf einen Kristallpackungseffekt zurückgeführt wurde. Schlussfolgerungen aus unseren Untersuchungen sind erstens, dass der BII Unterzustand auch in natürlicher hochpolymerer B-DNA vorkommt und seine Konzentration bzw. Population mit abnehmendem Wassergehalt zunimmt, bis er schließlich die dominierende Spezies darstellt. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass die BI - BII Umwandlung einen wesentlichen Beitrag zum Protein - Erkennungsvorgang leistet. Zweitens zeigen unsere Studien, dass der Übergang zwischen diesen Unterzuständen von einer Wanderung von Wassermolekülen und einer Umstrukturierung der Hydrathüllen begleitet wird. Das stimmt mit der Ansicht überein, dass Wasser einen entscheidenden Anteil an der Nukleinsäurestruktur einnimmt. Drittens legen unsere Tieftemperatur-Untersuchungen die Vermutung nahe, dass die biologische Aktivität der DNA endet, wenn beim Abkühlen die Dynamik der Hydratationshüllen verlangsamt wird und deswegen von der wechselseitigen Umwandlung der Unterzustände abgekoppelt wird. Teil (b): Die Charakterisierung von Zwischenprodukten ist die einfachste Methode, den Mechanismus einer chemischen Reaktion aufzuklären. Ein gutes Beispiel dafür ist die Kohlensäure, eine Schlüsselverbindung in biologischen und geochemischen carbonathaltigen Systemen, deren Existenz in konventionellen Lehrbüchern verneint wird. Wir entwickelten eine neue Tieftemperaturmethode zur Isolierung bzw. Charakterisierung metastabiler Zwischenprodukte, in dem wir aufeinander folgende Schichten glasförmiger wässriger Lösungen von Reaktanten abscheiden, die dann beim Erwärmen miteinander zur Reaktion gebracht werden. Durch die vergleichsweise tiefe Temperatur werden dabei die Lebensdauer der Zwischenprodukte deutlich verlängert. Wir wendeten diese Methode zur Herstellung und Charakterisierung von Kohlensäure im Rahmen der Protonierungsreaktion von Hydrogen-carbonat zu CO 2 und Wasser an. Wir zeigten weiter, dass Kohlensäure unzersetzt verdampft und wieder kondensiert werden kann. Dem zufolge könnte Kohlensäure in Kometen, auf dem Mars und auf Körpern außerhalb des Sonnensystems, sowie in interstellaren Eispartikeln und in oberen Atmosphärenschichten der Erde existieren. Teil (c): Radikale, die bei der Bestrahlung von flüssigem Wasser mit hochenergetischer Strahlung entstehen, sind eine Hauptursache für Strahlenschäden von Biomolekülen. Allerdings sind diese Radikale bei Umgebungstemperaturen äußerst kurzlebig, was ihre Untersuchung oft unmöglich macht. Wir dehnten deshalb unsere Forschungsarbeiten über metastabile Zwischenprodukte auf Radikale aus, die bei -Bestrahlung von verschiedenen Formen von glasartigem (amorphem) Wasser und glasartigen wässrigen Lösungen entstehen. Diese Ergebnisse sind wichtig für das Verständnis der Radikalbildung in wässrigen Systemen als Folge von - Bestrahlung. Kurzlebige Radikale stellen einerseits eine Hauptquelle der Strahlenschäden von Biomolekülen dar, andererseits sind die Effekte von -Strahlung auf die verschiedenen Formen von festem Wasser von Interesse.