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Molekulare Wechselwirkungen in Chemischen und Biologischen Systemen

Molekulare Wechselwirkungen sind von entscheidender Bedeutung für viele chemische und biologische Prozesse wie die Proteinfaltung, die Funktion von Proteinen oder die Stabilisierung reaktiver Intermediate, um nur einige zu nennen. Intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Solvens (Wasser in den meisten Fällen von biologischer Relevanz) und gelösten Molekülen bestimmen die Aggregation von Proteinen zu Fibrillen, die Enzymkatalyse und andere biologische Prozesse. In unserer Gruppe nutzen wir moderne theoretische Methoden und die Konstruktion leistungsfähiger Modelle komplexer Systeme um molekulare Wechselwirkungen in Proteinen, organischen Molekülen, Solventien, Co-Solventien und Lipiddoppelschichten zu studieren. Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt dabei bei der Untersuchung der Eigenschaften, der Reaktivität und von Anwendungen komplexer Systeme, die aus einer Vielzahl wechselwirkender Moleküle bestehen.

 

 

 

Elsa Sánchez-García

Dr. Elsa Sánchez-García

seit 2010
Nachwuchsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (Liebig Stipendium des Fonds der Chemischen Industrie)
2008-2010
Post-Doc am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (W. Thiel)
2006-2008
Post-Doc, Ruhr Universität Bochum; Assistentin im Chemiepraktikum für Medizin- und Biologiestudenten
2006
Promotion, Universität Bochum (M. Havenith-Newen)
2002
Research Scientist, Max Planck Institute für Strahlenchemie (heute Max Planck Institute für Bioanorganische Chemie) (S. Braslavsky)
2002
Chemiestudium, Laboratory of Theoretical and Computational Chemistry (L.A. Montero) at the University of Havana
1999-2002
Junior teacher of General Chemistry and Quantum Chemistry at the University of Havana
1999
Diploma of Chemistry at the University of Havana
1976
geboren in Havanna, Kuba
2011
Member of the Global Young Faculty
2010
Liebig-Stipendium, Fonds der Chemischen Industrie
2008
Forschungsstipendium, MPI für Kohlenforschung
2006
Book Prize of the Faculty of Chemistry, University of Bochum
2006
PhD with Summa cum laude (mit Auszeichnung), University of Bochum, Germany
2002
Award of a Scholarship of the DAAD (German Academic Exchange Service)
2000
Award in the category of "Best Novel Lecturer (Reserva Científica)". Faculty of Chemistry, University of Havana
1999
Best graduated student of the University of Havana
1999
Summa cum laude Diploma, University of Havana
1999
Best graduated student of Chemistry
2014

Klopries, Stephan; Koopmans, Kyra R. M.; Sánchez-García, Elsa* and Schulz, Frank*. “Biosynthesis with Fluorine ”, ChemBioChem (2014), 14 (4), 495–497.

2013

Li, Fee; Bravo-Rodriguez, Kenny; Fernandez-Oliva, Miguel; Ramirez-Anguita, Juan M.; Merz, Klaus; Winter, Manuela; Lehmann, Christian W.; Sander, Wolfram* and Sanchez-Garcia, Elsa*. “Stereochemistry Rules: A Single Stereocenter Changes the Conformation of a Cyclic Tetrapeptide”, Journal of Physical Chemistry B (2013), 117, 10785–10791.

Hernández-Rodríguez, Erix W.;  Montero-Alejo, Ana L.; López, Rafael; Sánchez-García, Elsa; Montero-Cabrera, Luis A. and García de la Vega, José M. “Electron Density Deformations provide new Insights into the Spectral Shift of Rhodopsins”, Journal of Computational Chemistry (2013), 34, 2460–2471.

Dutt, Som; Wilch, Constanze; Gersthagen, Thomas; Talbiersky, Peter; Bravo-Rodriguez, Kenny; Hanni, Matti; Sanchez-Garcia, Elsa*; Ochsenfeld, Christian*; Klärner, Frank* and Schrader, Thomas*. “Molecular Tweezers with Varying Anions: A Comparative Study”, Journal of Organic Chemistry (2013), 78, 6721–6734.

Li, Fee; Bravo-Rodriguez, Kenny; Phillips, Charlotte; Seidel, Rüdiger W.; Wieberneit, Florian; Stoll, Raphael; Doltsinis, Nikos L.; Sanchez-Garcia, Elsa* and Sander, Wolfram*. “Conformation and Dynamics of a Cyclic Disulfide-Bridged Peptide: Effects of Temperature and Solvent”, Journal of Physical Chemistry B (2013), 117, 3560–3570.

Bier, David; Rose, Rolf; Bravo-Rodriguez, Kenny; Bartel, Maria; Ramirez-Anguita, Juan Manuel; Dutt, Som; Wilch, C.; Klärner, Frank-Gerrit; Sanchez-Garcia, Elsa*; Schrader, Thomas* and Ottmann, Christian*. “Molecular tweezers modulate 14-3-3 protein-protein interactions”, Nature Chemistry (2013), 5, 234–239.

Sundermann, Uschi; Bravo-Rodriguez, Kenny; Klopries, Stephan; Kushnir, Susanna; Gomez, Hansel; Sanchez-Garcia, Elsa* and Schulz, Frank*. “Enzyme-Directed Mutasynthesis: A Combined Experimental and Theoretical Approach to Substrate Recognition of a Polyketide Synthase”, ACS Chemical Biology (2013), 8, 443–450.

Crespo-Otero, Rachel; Bravo-Rodriguez, Kenny; Roy, Saonli; Benighaus, Tobias; Thiel, Walter; Sander, Wolfram and Sánchez-García, Elsa*. “Interactions of Aromatic Radicals with Water”, ChemPhysChem, special issue (2013), 14, 805–811.

Crespo-Otero, Rachel;  Mardyukov, Artur; Sánchez-García, Elsa; Barbatti, Mario and Sander, Wolfram. "Photochemistry of N-Methylformamide: Matrix Isolation and Nonadiabatics Dynamics”,  ChemPhysChem, special issue (2013), 14, 827–836.

2010-2012

Sander, Wolfram*; Roy, Saonli; Polyak, Iakov Ramirez-Anguita, Juan Manuel and Sanchez-Garcia, Elsa*. “The Phenoxyl Radical−Water Complex – A Matrix Isolation and Computational Study”, Journal of the American Chemical Society (2012), 134, 8222–8230.

Sánchez-García, Elsa* and Jansen, Georg*. “Competition between H•••π and H•••O Interactions in Furan Heterodimers”, Journal of Physical Chemistry A (2012), 116 (23), 5689–5697.

Hernández-Rodríguez, Erix Wiliam; Sánchez-García, Elsa*; Crespo-Otero, Rachel; Montero Alejo, Ana Lilian; Montero, Luis Alberto and Thiel, Walter. “Understanding Rhodopsin Mutations Linked to the Retinitis Pigmentosa Disease: A QM/MM and DFT/MRCI Study”, Journal of Physical Chemistry B (2012), 116, 1060–1076.

Metzelthin, Anja; Sánchez-García, Elsa; Birer, Özgür; Schwaab, Gerhard; Thiel, Walter; Sander, Wolfram and Havenith, Martina. “Acetylene•••Furan Trimer Formation at 0.37 K as a Model for Ultracold Aggregation of Non- and Weakly Polar Molecules”, ChemPhysChem (2011), 12 (10), 2009–2017.

Hsiao, Ya-Wen; Sánchez-García, Elsa; Doerr, Markus and Thiel, Walter. “Quantum Refinement of Protein Structures: Implementation and Application to the Red Fluorescent Protein DsRed.M1”, Journal of Physical Chemistry B (2010), 114, 15413–15423.

Mardyukov, Artur; Crespo-Otero, Rachel; Sánchez-García, Elsa and Sander, Wolfram. “Photochemistry and Reactivity of the Phenyl Radical – Water System: A Matrix Isolation and Computational Study”, Chemistry – A European Journal  (2010), 16 (29), 8679–8689.

 

Forschungsthemen

Molekulare Wechselwirkungen in Peptiden und Proteinen

Molekulare Wechselwirkungen in Peptiden und Proteinen

Amyloidogene Peptide sind Systeme von hoher biologischer und medizinischer Bedeutung. So ist das Islet Amyloid Peptid (IAPP) an der Bildung von Type II Diabetes Mellitus beteiligt. Für das Amyloid Beta Peptid (Aß) wurde ein ursächlicher Zusammenhang mit der Alzheimer Krankheit (AD) nachgewiesen. Aß40 und Aß42 sind die häufigsten Formen, Aß42 ist dabei am aktivsten an der Bildung von Fibrillen beteiligt und am stärksten neurotoxisch. Die wichtigsten toxischen Spezies in der AD sind lösliche oligomere Aggregate von Aß. Daher ist eine Zielrichtung bei der Entwicklung eines therapeutischen Zugangs zu AD und anderen, verwandten Krankheiten, die Suche nach Inhibitoren der Oligomerisierung. Wir nutzen Techniken der Molekulardynamik (MD), QM/MD und Quantenmechanik/Molekulardynamik (QM/MM) zur Untersuchung der Aggregation amyloidogener Peptide und Proteine und ihrer Wechselwirkungen mit verschiedenen Inhibitoren der Oligomerisation. Dabei werden sowohl Solventien als auch Lipiddoppelschichten explizit berücksichtigt.

Cyclische Peptide mit Disulfidbrücken dienen als Modellsysteme, um die dynamischen Konformationsänderungen zu studieren, die eine Polypeptidkette in eine dreidimensionale Proteinstruktur überführen. Die Wechselwirkungen der Peptide mit unterschiedlichen Solventien führen zu Konformationsänderungen, die bislang nur wenig verstanden sind. Weiterhin werden Konformationsänderungen nach dem Bruch der Disulfidbrücke im Detail untersucht.

Reaktive und ungewöhnliche Spezies
Reaktive und ungewöhnliche Spezies

Reaktive und ungewöhnliche Spezies

Das Konzept der Wasserstoffbrückenbindung in offenschaligen Systemen hat zwar in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, ist aber immer noch weit weniger untersucht als Wasserstoffbrücken in geschlossenschaligen Systemen und Ionen. Nichtkovalente Wechselwirkungen zwischen dem Phenylradikal und Wasser sind von besonderem Interesse, da H-Brücken zum einfach besetzten MO (SOMO) beim Transfer von Wasserstoffatomen eine Rolle spielen könnten.

Das Phenylradikal ist ein reaktives Intermediat, das für die Organische Chemie von fundamentaler Bedeutung ist. Es spielt bei der thermischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen zu polycyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und Ruß eine Schlüsselrolle. Es wird auch als Intermediat im interstellaren Medium, insbesondere bei der Bildung polycyclischer Kohlenwasserstoffe, und in der Chemie der Troposphäre, diskutiert.

Wir untersuchen Komplexe zwischen unterschiedlichen Radikalen und Wasser. Von besonderem Interesse ist dabei die Struktur und Reaktivität der dabei gebildeten nicht-kovalenten Komplexe.

Photorezeptoren: Fluoreszierende Proteine, Rhodopsin
Photorezeptoren: Fluoreszierende Proteine, Rhodopsin

Photorezeptoren: Fluoreszierende Proteine, Rhodopsin

Rhodopsin ist ein Heptahelicaler Transmembran-Rezeptor, der in der Retina exprimiert wird. Mutationen im Rhodopsin können zum Verlust des äußeren Gesichtsfeldes führen. Bislang wurden über 120 Punktmutationen im Rhodopsin-Gen entdeckt. Wir untersuchen den Einfluß von Mutationen von bovin und menschlichen Rhodopsin-Modellen unter Einschluss von Einflüssen des Solvens und der Lipiddoppelschicht.

Fluoreszierende Proteine werden häufig in der Molekularbiologie und in der biomedizinischen Forschung eingesetzt. Ähnlich wie beim grün fluoreszierenden Protein (GFP) wird auch bei den rot fluoreszierenden Proteinen (RFP) der Chromophor autokatalytisch in Gegenwart von molekularem Sauerstoff aus der Gln66-Tyr67-Gly68 Peptidsequenz gebildet. Es wird allgemein angenommen, dass diese Reaktion über ein grün fluoreszierendes Protein, ähnlich dem GFP, abläuft. Dieses Intermediat enthält eine trans-Peptidbindung zwischen Phe65 und Gln66. Darauf folgt der „Maturation“ Schritt, der den DsRed Chromophor mit einer cis-Acylimingruppe zwischen Phe65 und Gln66 bildet, was zu einem verlängerten konjugierten System und damit zu einer Rotverschiebung der Fluoreszenz im Vergleich zum GFP führt. Wir verwenden unter anderem QM/MM, QM/MM - MD, und MRCI Methoden, um die strukturellen, mechanistischen und spektroskopischen Eigenschaften der RFPs zu studieren.

 

 

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