Studie gibt Aufschluss darüber, wie Aminosäureseitenketten und Peptid-Sekundärstrukturen den Elektronentransport verändern

Bericht vom 15. Juli 2015

von Heather Zeiger, Phys.org

(Phys.org) – Um zu verstehen, wie man Elektronik mit Biochemie, bekannt als Bioelektronik, verbinden kann, haben mehrere Forschungsgruppen untersucht, wie sich elektronische Ladungen durch Peptide bewegen. Proteine ​​bestehen aus Peptiden und Peptide bestehen aus Aminosäuren. Eine Gruppe von Experimentatoren und Theoretikern des Weizmann Institute of Science untersuchte, wie Aminosäureseitenketten, Peptidlänge und Peptidsekundärstruktur den Elektronentransport beeinflussen, indem sie verschiedene Peptidketten zwischen zwei Goldelektroden verankerten. Sie fanden heraus, dass sowohl die Seitenkette als auch die Sekundärstruktur einen direkten Einfluss auf den Elektronentransport haben. Ihre Arbeit erscheint im Journal of the American Chemical Society.

Typischerweise wird der Elektronentransfer in Proteinen mit elektrochemischen oder spektroskopischen Methoden untersucht. Stattdessen haben Sepunaru et al. verwendeten eine molekulare Festkörperverbindung zwischen zwei Goldelektroden, in der sie Monoschichten aus Homopeptiden oder Peptiden herstellten, die aus einer unterschiedlichen Anzahl sich wiederholender Aminosäuren bestanden. Sie untersuchten die Leitfähigkeit als Funktion der Vorspannung und Temperatur für drei verschiedene Systeme: 1) Homopeptide ähnlicher Länge, aber unterschiedlicher Seitenketten, 2) Homopeptide unterschiedlicher Länge (d. h. unterschiedlicher Anzahl an Aminosäuren) und 3 ) Homopeptide ähnlicher Länge, aber unterschiedlicher Sekundärstruktur. Darüber hinaus untersuchten sie in jedem dieser Experimente die Molekülorbitale an der Gasphasengrenze mithilfe optimal abgestimmter bereichsgetrennter Hybrid-DFT-Rechnungen an Konformationen der Peptide, die durch Molekulardynamik optimiert wurden, um unterschiedliche Elektronentransporteigenschaften zu verstehen. Alle Peptide wurden mit Mercaptopropionsäure funktionalisiert, um einen chemischen Linker zur Goldelektrode bereitzustellen.

In ihrem ersten Experiment haben Sepunaru et al. testeten vier verschiedene Homopeptide, die aus sieben Aminosäuren bestehen. Konkret untersuchten sie Alanin, Glutaminsäure, Tryptophan und Lysin. Alle Peptide hatten eine ähnliche Länge (ungefähr 25 Å).

Ihre Ergebnisse zeigten, dass sich der Elektronentransport mit unterschiedlichen Aminosäureseitenketten ändert. Als bester Leiter erwies sich Tryptophan, gefolgt von Lysin, dann Glutaminsäure und Alanin. Es gibt einen signifikanten Unterschied zwischen den vier Peptiden: Die Elektronentransportrate von Tryptophan ist fast zwanzigmal höher als die von Alanin. Die Autoren führen dies auf die Unterschiede zwischen den HOMO-Energieniveaus für jede der Peptidketten zurück.

Alle Peptide waren beim Test neutral. Die Autoren fragten sich, ob die Protonierung von Lysin und die Deprotonierung von Glutaminsäure, wodurch ein geladenes Peptid entsteht, die Elektronentransportraten beeinflussen würde. Sie fanden heraus, dass das protonierte Hepta-Lysin-Peptid eine viel höhere Leitfähigkeit hatte, während das deprotonierte Hepta-Glutaminsäure-Peptid eine niedrigere Leitfähigkeit hatte, die mit Alanin vergleichbar war. Sie fanden außerdem heraus, dass die Energien der besetzten und unbesetzten Molekülorbitale in der Gasphase bei der Protonierung abnahmen und bei der Deprotonierung anstiegen, was die Bedeutung der Grenzenergieniveaus für den Elektronentransport bestätigt.

In ihrem zweiten Experiment haben Sepunaru et al. untersuchten, wie sich die Länge der Peptidkette auf den Elektronentransport auswirkt. Sie verwendeten Homo-Tryptophan-Peptidketten bestehend aus vier, fünf, sechs und sieben Aminosäuren. Sie fanden heraus, dass die Elektronentransportrate mit zunehmender Peptidlänge allmählich abnahm, was typisch für Elektroden-Monoschicht-Systeme ist. Bei genauerer Betrachtung nimmt die Elektronentransportrate jedoch mit zunehmender Länge exponentiell ab und war nicht temperaturabhängig. Beide Faktoren bedeuten, dass der Elektronentransport auf Tunneleffekte zurückzuführen sein könnte.

Das letzte Experiment bestand schließlich darin, herauszufinden, ob die Sekundärstruktur des Peptids den Elektronentransport beeinflusst. Es wurden Vergleiche zwischen verlängerten und helikalen Alanin- und Lysinpeptiden durchgeführt. Beide neigen dazu, eine Helix zu bilden, wenn das Peptid zwanzig Aminosäuren lang ist. Daher wurden die 20-mer-verlängerten und helikalen Versionen von Alanin und Lysin miteinander verglichen und diese mit den entsprechenden Heptamer-Peptiden.

Die Autoren stellten einen deutlichen Anstieg der Leitfähigkeit bei der helikalen Struktur im Vergleich zur erweiterten Peptidstruktur fest. Sie berichten, dass die HOMO-LUMO-Lücke in der helikalen Struktur kleiner wird und die Ladung im Vergleich zum verlängerten Peptid über einen größeren Teil des Moleküls verteilt ist, was darauf hindeutet, dass es einen Unterschied in der Elektronendelokalisierung zwischen dem verlängerten Peptid und der Helix gibt.

Diese Studie zeigt, dass die Peptidzusammensetzung und die Peptidsekundärstruktur einen direkten Einfluss auf den Elektronentransport durch ein Peptid haben. Die Arbeit von Sepunaru et al. baut auf früheren Modellen des Elektronentransports durch Proteine ​​auf und liefert weitere Erkenntnisse, die auf den Aufbau bioelektronischer Systeme angewendet werden können.

Mehr Informationen: „Elektronischer Transport über Homopeptide: Die Rolle von Seitenketten und Sekundärstruktur“ J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript, DOI: 10.1021/jacs.5b03933

ZusammenfassungViele neuartige Anwendungen in der Bioelektronik basieren auf der Wechselwirkung zwischen Biomolekülen und elektronisch leitenden Substraten. Entscheidende Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen elektronischem Transport über Peptide und ihrer Aminosäurezusammensetzung fehlen jedoch noch. Hier berichten wir über Ergebnisse elektronischer Transportmessungen über mehrere Homopeptide als Funktion ihrer strukturellen Eigenschaften und Temperatur. Wir zeigen, dass die Leitung durch das Peptid von seiner Länge und Sekundärstruktur sowie von der Art der Aminosäure und der Ladung seines Rests abhängt. Wir untermauern unsere experimentellen Beobachtungen mit Berechnungen der elektronischen Struktur auf hohem Niveau und schlagen Off-Resonance-Tunneling als dominierenden Leitungsmechanismus über erweiterte Peptide vor. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl die Peptidzusammensetzung als auch die Struktur die Effizienz des elektronischen Transports zwischen Peptiden beeinflussen können.

Zeitschrifteninformationen:Zeitschrift der American Chemical Society

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