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Babitzki, Galina (2009): Analysen der Schwingungsspektren von Biomolekülen mit Hybridmethoden. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Hybridmethoden, welche eine quantenmechanische Beschreibung eines Moleküls im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) mit einer molekülmechanischen (MM) Modellierung seiner Umgebung kombinieren, eröffnen einen Zugang zur Berechnung von Lösungsmitteleffekten in molekularen Schwingungsspektren. In der vorliegenden Arbeit wird eine solche DFT/MM-Hybridmethode exemplarisch zur Analyse der Schwingungsspektren von Biomolekülen eingesetzt. Durch Vergleich mit spektroskopischen Daten werden die erzielbare Genauigkeit und der dazu nötige Rechenaufwand ausgelotet. Bei den untersuchten Systemen handelt es sich um den Retinalchromophor der lichtgetriebenen Protonenpumpe Bakteriorhdopsin (BR) und um ein in Methanol gelöstes, lichtschaltbares beta-Hairpinpeptid. Die inhomogen verbreiterten Schwingungsspektren werden mit DFT/MM unter Verwendung der „instantanen Normalmodenanalyse (INMA)“ beschrieben. Dabei wird durch eine MM Molekulardynamik-(MD-)Simulation ein Raumtemperatur-Ensemble von Strukturen des Moleküls in seiner jeweiligen Umgebung generiert und für jeden solchen Strukturschnappschuss das Infrarot-(IR-) Spektrum durch DFT/MM Normalmodenanalyse berechnet. Das inhomogen verbreiterte Raumtemperaturspektrum ergibt sich durch Überlagerung dieser Linienspektren. Für BR ist die Erzeugung eines solchen Ensembles schwierig, da die BR Struktur bei Verwendung der üblichen nicht-polarisierbaren MM-Kraftfelder unter MD „zerfällt“. Einen Ausweg bietet ein mit DFT/MM Methoden berechnetes polarisiertes BR-Kraftfeld, das die BR-Struktur auch bei Langzeit-MD-Simulationen (50 ns) erhält. Mit einem speziell entwickelten Hamiltonschen Replika-Austauschverfahren lässt sich anschließend zeigen, dass die bei den tiefen Temperaturen der Kristallstrukturanalyse homogene BR Struktur bei Raumtemperatur heterogen wird, was eine Vielzahl experimenteller Befunde erklärt. Die INMA Berechnung der Schwingungspektren des BR-Chromophors bei Raumtemperatur in situ, eine systematische Analyse diverser Einflussparameter und Vergleiche mit experimentellen Daten beantworten schließlich die Frage, mit welcher Qualität solche Spektren bei sorgfältiger Modellierung und unter Einsatz der gewgenwärtig verfügbaren DFT/MM Methoden berechnet werden können. Weiterhin werden DFT/MM-Hybridrechnungen dazu eingesetzt, um den strukturellen Gehalt von ps-zeitaufgelöste IR Daten zur Entfaltungsdynamik eines lichtschaltbaren beta-Hairpinpeptids zu dekodieren. Der lichtinduzierte Entfaltungsprozess wird mit MM/MD simuliert. DFT/MM Berechnungen der durch den Entfaltungsprozess ausgelösten Bandenverschiebungen im Amid-I Bereich zeigen dann, dass die spektrospopischen Beobachtungen das sukzessive Aufreissen der ursprünglich geordneten H-Brückenstruktur des Peptids anzeigen.