Spectroscopic properties from hybrid QM, MM molecular dynamics simulation

The central aim of this thesis work is the application and further development of a hybrid quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) based approach to compute spectroscopic properties of molecules in complex chemical environments from electronic structure theory. In the framework of this thesis, an existing density functional theory implementation of the QM/MM approach is first used to calculate the nuclear magnetic resonance (NMR) solvent shifts of an adenine molecule in aqueous solution. The findings show that the aqueous solvation with its strongly fluctuating hydrogen bond network leads to specific changes in the NMR resonance lines. Besides the absolute values, also the ordering of the NMR lines changes under the influence of the solvating water molecules. Without the QM/MM scheme, a quantum chemical calculation could have led to an incorrect assignment of these lines. The second part of this thesis describes a methodological improvement of the QM/MM method that is designed for cases in which a covalent chemical bond crosses the QM/MM boundary. The development consists in an automatized protocol to optimize a so-called capping potential that saturates the electronic subsystem in the QM region. The optimization scheme is capable of tuning the parameters in such a way that the deviations of the electronic orbitals between the regular and the truncated (and "capped") molecule are minimized. This in turn results in a considerable improvement of the structural and spectroscopic parameters when computed with the new optimized capping potential within the QM/MM technique. This optimization scheme is applied and benchmarked on the example of truncated carbon-carbon bonds in a set of small test molecules. It turns out that the optimized capping potentials yield an excellent agreement of NMR chemical shifts and protonation energies with respect to the corresponding full molecules. These results are very promising, so that the application to larger biological complexes will significantly improve the reliability of the prediction of the related spectroscopic properties.

Untersuchungen zu COX/LOX-Inhibitoren mit Hydroxylradikalfängereigenschaften – Synthese, Testung und Modelling

In der vorliegenden Arbeit werden 52 Verbindungen beschrieben, welche auf COX/LOX-Inhibition mit zusätzlichen Hydroxylradikalfängereigenschaften getestet worden sind. rnEs war möglich eine neue Synthesestrategie für noch nicht beschriebene 4,5-Diarylisoselenazole zu entwickeln und eine vorhandene Synthese für Isothiazoliumchloride von zwei Stufen, mit mäßigen Ausbeuten, auf eine Stufe, mit hoher Ausbeute, zu verkürzen.rnEs wurden mehrere COX-Inhibitoren identifiziert. MSD4a, MSD4h, MSD5a und MSD5h konnten als COX-1-, COX-2- und 5-LOX-Hemmer identifiziert werden. Besonders hervorzuheben ist die Verbindung MSD5h, die zusätzlich zur COX-1-, COX-2- und 5-LOX-Inhibition eine leichte Hemmung im Hydroxylradikalfänger-Assay zeigt, für die ein clog P-Wert von 2,65 berechnet wurde und die im XTT-Zytotoxizitätstestsystem, selbst bei einer Konzentration von 100 µM, kaum toxische Eigenschaften besitzt.rnWeiterhin war es möglich zu zeigen, dass Carbonsäuren gute Hydroxylradikalfängereigenschaften in unserem, auf der Fenton-Reaktion basierenden, Testsystem haben. Die Potenz der Carbonsäuren MSD8b und MSD11j im Vergleich zu den unwirksamen korrespondierenden Ester MSD8a und MSD11i führte zu Untersuchungen mit weiteren Carbonsäuren und deren Ester. Um den Wirkungsmechanismus zu erforschen wurde das Testsystem modifiziert, um eine Komplexierung der Eisenionen durch die Carbonsäuren auszuschließen. An Hand der Substanzen MSD8b und MSD11j wurde nachgewiesen, dass diese mit dem Hydroxylradikal reagieren, ohne zu decarboxylieren oder andere Zerfallsreaktionen einzugehen.rnZusätzlich zu den Untersuchungen der Enzym-Inhibition sowie des Hydroxylradikal-Scavenings wurden Molecular Modelling Studien durchgeführt. Die Ergebnisse der Dockingstudien in COX-1- (1eqg), COX-2- (1cx2) und in COX-1 mutierte COX-2-Kristallstrukturen (1cx2) führen zu einer kritischen Bewertung des folgenden Ansatzes: Es ist nicht unbedingt sinnvoll zuerst Strukturen mit dem Computer zu entwerfen und zu modeln und sie erst dann zu synthetisieren und in Enzym- oder Zellassays zu testen. Die Begründung dafür liegt in der Schwierigkeit einschätzen zu können, wie nah das gewählte Modell der Wirklichkeit ist. In den durchgeführten Dockingstudien konnte der sehr große Einfluss des kokristallisierten Liganden in der als Grundlage dienenden Kristallstruktur auf die Dockingergebnisse gezeigt werden. Durch einen zu kleinen kokristallisierten Liganden in der COX-1-Bindungstasche wurden als Ergebnis der Dockingstudie alle Verbindungen als nicht potent eingestuft, obwohl diese zum Teil im Enzymtestsystem wirksam waren. Dies konnte mit den Mutationsversuchen ausgeglichen werden. rnDeshalb kann man aus diesen Ergebnissen als Fazit ziehen, dass eine Strategie, Strukturen zu synthetisieren, in vitro zu testen und dabei die Strukturentwicklung mit Molecular Modelling Studien zu unterstützen, die Methode der Wahl darstellt.rn

2D and 3D numerical modelling of multilayer detachment folding and salt tectonics

Numerical modelling was performed to study the dynamics of multilayer detachment folding and salt tectonics. In the case of multilayer detachment folding, analytically derived diagrams show several folding modes, half of which are applicable to crustal scale folding. 3D numerical simulations are in agreement with 2D predictions, yet fold interactions result in complex fold patterns. Pre-existing salt diapirs change folding patterns as they localize the initial deformation. If diapir spacing is much smaller than the dominant folding wavelength, diapirs appear in fold synclines or limbs.rnNumerical models of 3D down-building diapirism show that sedimentation rate controls whether diapirs will form and influences the overall patterns of diapirism. Numerical codes were used to retrodeform modelled salt diapirs. Reverse modelling can retrieve the initial geometries of a 2D Rayleigh-Taylor instability with non-linear rheologies. Although intermediate geometries of down-built diapirs are retrieved, forward and reverse modelling solutions deviate. rnFinally, the dynamics of fold-and-thrusts belts formed over a tilted viscous detachment is studied and it is demonstrated that mechanical stratigraphy has an impact on the deformation style, switching from thrust- to folding-dominated. The basal angle of the detachment controls the deformation sequence of the fold-and-thrust belt and results are consistent with critical wedge theory.rn

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results.