Vibrational Stark Spectroscopy as a Tool for Probing Electrostatics at Protein Surfaces and Self Assembled Monolayers

Stark-Schwingungsspektroskopie als Methode zur Untersuchung der Elektrostatik an Proteinoberflächen und selbstorganisierten Monoschichten

  • The vibrational Stark effect (VSE) consists of a shift in the frequency of certain vibrational modes due to exposure to local electric fields. In the cases treated here, the electric-field dependent variation of the frequency can be considered to be linear. The CN stretching frequency of aromatic nitriles are particularly sensitive to electric fields, and so 4-mercaptobenzonitrile (MBN) has been chosen as a spectroscopic electric field probe for several systems in this work. After various nitrilThe vibrational Stark effect (VSE) consists of a shift in the frequency of certain vibrational modes due to exposure to local electric fields. In the cases treated here, the electric-field dependent variation of the frequency can be considered to be linear. The CN stretching frequency of aromatic nitriles are particularly sensitive to electric fields, and so 4-mercaptobenzonitrile (MBN) has been chosen as a spectroscopic electric field probe for several systems in this work. After various nitrile Stark probes have been recently employed to investigate electric fields in the active sites of proteins and enzymes as well as conformational changes in proteins, in this work the electric fields at protein surfaces were probed by IR and surface enhanced IR absorption (SEIRA) spectroscopy, using a Stark label covalently bound to solution-exposed cysteine residues. In this way, it could be demonstrated that for double-function protein dehaloperoxidase-hemoglobin A charge mutations in the vicinity of the active site affected the global electrostatics of the protein, which in turn is the crucial parameter controlling substrate binding. This was reflected by a linear correlation between the mutation-induced Stark shift of the remote MBN label and the catalytic efficiency of the enzyme. In cytochrome c, the nitrile vibrational frequency of MBN-labeled cytochrome c mutants was measured both in solution and when bound to a self assembled monolayer (SAM) on an Au surface. Thus the electric field variation on the protein surface could be estimated, providing insight into the electrostatics in the protein/SAM/electrode interfaces. It is shown that the local electric field experienced by the protein in the diffuse double layer does not decay exponentially with the distance from the SAM surface. Further, pure and mixed SAMs of MBN were formed on Au and Ag electrodes in spectro-electrochemical setups, to study the electrostatics of different types of metal/SAM/solvent interfaces. In this way we could sort out the effect of solvent and hydrogen bonding interactions as well as the interfacial electric field. Potential-dependent measurements of the Stark shift were analyzed on the basis of an improved electrostatic model to relate the experimentally determined frequencies with the electric field on the SAM surfaces. The analysis also affords the effective potential of zero charge, a parameter that is very difficult to estimate using other techniques.show moreshow less
  • Der Schwingungs-Stark-Effekt (VSE) führt zu einer Verschiebung der Frequenz bestimmter Schwingungsmoden aufgrund von Veränderungen des lokalen elektrischen Feldes. In den hier betrachteten Fällen kann die Änderung der Frequenzen mit der elektrischen Feldstärke als linear angesehen werden. Da die Frequenz der CN Streckschwingung aromatischer Nitrile besonders empfindlich auf die Veränderung des elektrischen Feldes reagiert, wurde in dieser Arbeit 4-Mercaptobenzonitril (MBN) als spektroskopische SDer Schwingungs-Stark-Effekt (VSE) führt zu einer Verschiebung der Frequenz bestimmter Schwingungsmoden aufgrund von Veränderungen des lokalen elektrischen Feldes. In den hier betrachteten Fällen kann die Änderung der Frequenzen mit der elektrischen Feldstärke als linear angesehen werden. Da die Frequenz der CN Streckschwingung aromatischer Nitrile besonders empfindlich auf die Veränderung des elektrischen Feldes reagiert, wurde in dieser Arbeit 4-Mercaptobenzonitril (MBN) als spektroskopische Sonde für das elektrische Feld verwendet. In letzter Zeit sind verschiedene Nitril Stark-Sonden zum Einsatz gekommen, um elektrische Felder und Konformationsänderungen in aktiven Zentren von Proteinen und Enzymen zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wurden elektrische Felder an Proteinoberflächen mit IR und oberflächen-verstärkter IR Absorptions (SEIRA) Spektroskopie erforscht. Hierzu wurden Stark-Sonden kovalent an Cysteingruppen gebunden, die der Lösung zugänglich sind. So konnte für das Protein Dehaloperoxidase-Hämoglobin A gezeigt werden, dass Ladungsmutationen in der Umgebung des aktiven Zentrums die Elektrostatik des gesamten Proteins beeinflussen. Diese ist wiederum der entscheidende Parameter, um die Substratbindung zu kontrollieren. Es wurde eine lineare Korrelation zwischen der Mutations-induzierten Stark-Verschiebung der weit entfernten MBN-Sonde und der katalytischen Effektivität des Enzyms gefunden. Weitere Untersuchen des VSE wurden mit MBN-markierten Cytochrom c Mutanten durchgeführt, sowohl an den Proteinen in Lösung als auch nach Immobilisierung auf Goldoberflächen, die zuvor mit selbstorganisierten Monolagen (SAM) beschichtet wurden. Dadurch konnten die auf die Proteinoberfläche wirkenden Veränderungen des elektrischen Feldes abgeschätzt werden, was das Verständnis der elektrostatischen Wechselwirkungen in den Protein/SAM/Elektrode Grenzflächen fördert. Es wurde gezeigt, dass das vom Protein wahrgenommene elektrische Feld in der diffusen Doppelschicht nicht exponentiell mit dem Abstand von der SAM-Oberfläche abnimmt. Die Elektrostatik von verschiedenen Metal/SAM/Lösungsmittel Systemen wurden an reinen und gemischten MBN-SAMs auf Gold- und Ag-Elektroden spektro-elektrochemisch untersucht. So konnte zwischen Lösungsmittel- und Wasserstoffbrücken-Effekten auf die Nitril-Streckschwingungsfrequenz einerseits und den Effekt des elektrischen Feldes in der Grenzschicht andererseits differenziert werden. Um die experimentell gefundenen Frequenzen mit dem elektrischen Feld auf der SAM-Oberfläche zu korrelieren, wurden Potential-abhängige Messungen der Stark-Verschiebung auf der Basis eines verbesserten elektrostatischen Modells analysiert. Diese Untersuchung lieferte zudem Werte für das effektive Potential der Nullladung, ein Parameter, der nur sehr schwer mit anderen Techniken zu bestimmen ist.show moreshow less

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Metadaten
Author: Gal Schkolnik
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-37260
Advisor:Prof. Dr. Peter Hildebrandt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/12/05
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/10/15
Release Date:2012/12/05
Tag:Oberflächenverstärker; SAM Elektrostatik; Schwingungsspektroskopie; Stark-Effekt; elektrisches Feld; selbstorganisierte Monolagen
SAM electrostatics; Stark effect; electric field; self assembled monolayers; surface enhanced vibrational spectroscopy
Institutes:Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License Logo CC BY-NC-ND: Creative Commons-Lizenz: Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung