Calculation of NMR Chemical Shifts in Biomolecular Systems and QM/MM Studies of Peptides and RNA

Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Berechnung NMR-chemischer Verschiebungen mithilfe quantenchemischer und empirischer Methoden. Besonders im Fokus stand dabei der Vergleich verschiedener theoretischer Modelle bezüglich ihrer Empfindlichkeit auf strukturelle Ungenauigkeiten der zugrundeliegenden experimentellen Strukturen. Die Studien wurden an biologisch relevanten Peptid- und DNA-Systemen durchgeführt und zeigen, dass quantenchemische Ab-initio-Methoden deutlich sensitiver auf strukturelle Effekte reagieren als die verwendeten empirischen Modelle (Haigh- Mallion, PROSHIFT, SHIFTS, SHIFTX). Diese Ergebnisse werden sowohl für 1H- als auch für 13C- und 15N-Verschiebungen gefunden. Damit weisen die Resultate dieser Studien darauf hin, dass die Verwendung solcher empirischer Näherungen bei der experimentell basierten Strukturbestimmung kritisch betrachtet werden muss und problematisch sein kann, obwohl dieses Vorgehen weit verbreitet ist. Gleichzeitig zeigen die Untersuchungen, dass die NMR-basierten Strukturen flexibler Biomoleküle zu ungenau sind, um als zuverlässige Grundlage quantenchemischer Berechnungen zu dienen. Dennoch konnten in der vorliegenden Arbeit auch an flexiblen Systemen, für die keine ausreichend genauen Strukturen vorlagen, zuverlässig einzelne Effekte untersucht werden, indem geeignete Fragmentberechnungen durchgeführt wurden, die zu einer Kompensation störender struktureller Einflüsse führen. Neben den Studien zur Berechnung NMR-chemischer Verschiebungen wurden in einem zweiten Schwerpunkt der Arbeit energetische Studien mit quantenchemischen und kombinierten quantenchemischen/molekularmechanischen (QM/MM) Methoden durchgeführt. In ersten Untersuchungen zur Konvergenz von QM/MM-Isomerisierungsenergien bei systematischer Vergrößerung des berechneten QM-Bereichs zeigt sich die QM/MM-Methode hier als guter Kompromiss zwischen Rechenaufwand und Genauigkeit. Dennoch müssen für ausreichend hohe Genauigkeiten auch innerhalb des QM/MM-Schemas große QM-Bereiche verwendet werden, die für die hier untersuchten Systeme (Peptide und RNA) typischerweise einige hundert Atome umfassen. Weitere Untersuchungen an einem Adenovirus des Typs 11 (Ad11) zeigen, dass Aminosäuren der direkten Umgebung ein doppelt positiv geladenes Argininpaar stabilisieren, das essentiell für eine effektive Bindung zwischen dem Virus und seinem zellulären Rezeptor CD46 ist. Hierbei spielen neben elektrostatischen Effekten unterschiedlich stark ausgeprägte Wasserstoffbrücken eine entscheidende Rolle. Diese Ergebnisse bestätigen experimentelle Studien, die zum Bindungsverhalten zwischen Virus und Rezeptor bereits vorlagen. Abschließende Studien zur Hydrierbarkeit von substituierten Azaborolidinen unterstützen ebenfalls experimentelle Ergebnisse, die Systeme dieser Art als potentielle chemische Wasserstoffspeicher vorschlagen.A main focus of the present work was the calculation of NMR-chemical shifts using quantum chemical and empirical approaches. Special emphasis was laid on the comparison between the applied theoretical models concerning their sensitivity towards the structural incertainties of the employed experimental structures. The study was carried out for peptide and DNA systems and the results show a stronger sensitivity of quantum chemical ab-initio methods towards structural changes than observed for the employed empirical methods (Haigh-Mallion, PROSHIFT, SHIFTS, SHIFTX). Calculations for 1H, 13C, and 15N NMR chemical shifts give similar results. These findings indicate that the inclusion of such empirical models in experiment-based structure determination can be problematic in spite of its common use. At the same time it is found that NMR-based structures of flexible biomolecules are not suitable as structural basis for quantum chemical calculations due to large structural incertainties. However, a reliable determination of individual effects on NMR chemical shifts was possible even for systems with unreliable structures using suitable theoretical procedures that lead to a cancellation of disturbing structural influences. Besides the studies regarding the calculation of NMR-chemical shifts energetic studies were carried out using quantum chemical and combined quantum chemical/molecular mechanical (QM/MM) methods. First, the convergence of QM/MM-isomerization energies was investigated upon systematically increasing the calculated QM-region size and the QM/MM method was validated to combine adequate accuracy with justifiable computational effort if sufficiently large QM regions are chosen. For the studied systems (peptide and RNA) the required QM-region sizes are in the range of several hundred atoms. Further investigations were carried out for an adenovirus (Ad11) that binds selectively to its cellular receptor CD46, while a doubly charged arginine pair is essential for an effective binding. The present study shows that amino acids of the microenvironment are responsible for the stabilization of the essential pair while electrostatic effects and hydrogen bonds play a crucial role in this context. In this way experimental findings concerning the binding behavior were confirmed. Finally, calculated hydrogenation energies of substituted azaborolidines are presented. Molecules of this kind were proposed as possible candidates for chemical hydrogen storage. The calculated hydrogenation energies support the experimental findings that reversible hydrogenation should be possible for the investigated molecules