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Berechnungen von NMR chemischen Verschiebungen für Proteine mit einem fragment-basierten Ansatz

Frank, Andrea - Universität Konstanz (2012)


Diese Arbeit unterteilt sich in zwei Themen, die zum Teil aus der Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen der Universität Konstanz entstanden sind. Das Hauptthema ist das Ermöglichen von quantenchemischen NMR-Berechnungen für Proteine. Das andere Themengebiet ist die quantenchemische NMR- und NBO-Berechnung von neutralen Ni(II)-Komplexen.

Das einführende Thema beschäftigt sich mit neutralen Ni(II)-Komplexen, die von Dr. A. Berkefeld synthetisiert wurden, als er in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Mecking promovierte. Neutrale Ni(II)-Komplexe sind robuste und vielseitige Katalysatoren für Olefin-Polymerisationen. Im Vergleich zu den gut untersuchten kationischen Pd(II)-Diimin-Komplexen zeigen neutrale Ni(II)-basierte Systeme eine auffallend gute Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen und eine bessere Aktivierung der Olefin-Polymerisation im sauren Medium. Da die Polymerisation von polaren Substraten wie Methylacrylat und Vinylacetat mit Hilfe der Ni-Komplexe keine zufriedenstellenden Ergebnisse brachte, soll mit Hilfe von NMR- und NBO-Berechnungen sowie Abstands-Scans eine mögliche Erklärung für die Inaktivität gefunden werden.

Das zweite Thema dieser Arbeit ist die Berechnung von NMR chemischen Verschiebungen in Proteinen. Proteine sind Makromoleküle, die aus Aminosäuren aufgebaut sind. Sie gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen und haben verschiedene Funktionen im Organismus wie zum Beispiel den Stoffumsatz und -transport. Auch Schutzfunktionen und die Reparatur sind Aufgaben von Proteinen. Ein Beispiel für solche Proteine sind Tumorsuppressoren. Diese kontrollieren den Zellzyklus oder lösen die Apoptose, den "programmierten" Zelltod, aus. Bei einem Defekt können sie diese Aufgaben nicht mehr erfüllen und es kann zur Bildung von Tumorzellen kommen. Für die Aufklärung solcher Prozesse in atomarer Auflösung ist die Kenntnis der Protein- und Komplexstrukturen von entscheidender Bedeutung.

Die Strukturen von Proteinen werden bisher meistens über Röntgenkristallstrukturanalysen bestimmt. Als Alternative kommt aber auch die NMR-Spektroskopie in Frage. Es gibt aber immer wieder Diskussionen über die Genauigkeit der NMR-Methode, da Beispiele für große strukturelle Fehler aufgedeckt wurden. Zum Beispiel wurde für das Protein mit dem PDB-Code 1TGQ zuerst eine monomere Struktur veröffentlicht, bevor diese zur Dimer-Struktur korrigiert wurde. Daher ist eine unabhängige Bewertung sehr wichtig, um schwierig zu charakterisierende Bereiche von Strukturen zu identifizieren und aufzuklären.

Die grundlegende Frage, die in der vorgelegten Arbeit gestellt wird, lautet: Ist es möglich, NMR-Parameter durch den Einsatz von quantenchemischen NMRBerechnungen vorauszusagen und kann die hier vorgestellte und genutzte Methode als zusätzliche Validierung von Proteinen verwendet werden?

Bisher werden NMR chemische Verschiebungen nur indirekt für Strukturermittlungen genutzt, aber der Vergleich von berechneten mit experimentellen Daten könnte eventuelle Unstimmigkeiten und Widersprüche in den Struktur-Modellen aufdecken. Es gibt einige fragment-basierte Ansätze. Der bisher bekannteste fragmentbasierte Ansatz ist der "divide-and-conquer" Ansatz von Yang, der für semi-empirische, HF- und DFT-Methoden entwickelt wurde.

In dieser Arbeit wird die als fragment-basierte FA-ADMA bezeichnete Methode verwendet, um überhaupt in der Lage zu sein, chemische Verschiebungen für Proteine quantenchemisch berechnen zu können. Diese Methode kombiniert Elektronendichtematrizen für Fragmente, um die Elektronendichtematrix des gesamten Moleküls zu approximieren. Es soll gezeigt werden, dass quantenchemische Berechnungen, die auf dem Fragmentierungsschema der ADMA Methode basieren, prinzipiell geeignet sind chemische Verschiebungen für große Systeme wie Proteine zu bestimmen. Viele Einflüsse bestimmen die Genauigkeit der Berechnungen und müssen berücksichtigt werden. Diese wurden an kleinen Molekülen gezeigt, bei großen molekularen Systemen mit tausenden Atomen wurden sie bisher nicht im Detail untersucht oder wurden ganz vernachlässigt. Einflüsse, die einen großen Beitrag zur Genauigkeit haben und die berücksichtigt werden müssen, sind:

Die verwendete Methode, die Basissatzgröße, Konformationsänderungen inklusive Nullpunktsschwingungen und Lösungsmittel-Effekte. Daher müssen systematische Untersuchungen unter Beachtung einiger Aspekte durchgeführt werden. Diese sind die verwendete Methode, die Basissatzgröße, die Einbeziehung von Lösungsmittel-Effekten durch ein implizites Lösungsmittel-Modell und die Verwendung von Partialladungen um die Fragmente. Als erstes werden verschiedene gemischte Basissätze untersucht und ausprobiert, um herauszufinden, welchen Einfluss diese auf die Genauigkeit der ADMA Methode haben. Eine weitere Aufgabe ist es, die hohen Rechenansprüche von NMR-Rechnungen durch die Verwendung des fragment-basierten Ansatzes deutlich zu verringern, so dass NMR-Rechnungen auch für große Systeme standardmäßig anwendbar werden.


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