Ab Initio Treatment of Complex Systems Kohn-Sham Orbitals for Multi Reference Methods and the Base Pairing Properties of Xanthine
Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen. Der erste untersucht die Eignung von LHF-Orbitalen für Multireferenzverfahren. Das Ziel dieses Teils ist eine effizientere Berechnung angeregter Zustände, was zur spektroskopischen Charakterisierung vieler organischer und bioorganischer Moleküle wichtig ist. Der zweite Teil befasst sich mit bioorganischen Fragestellungen und untersucht die Paarungseigenschaften der Purinbase Xanthin. Es wird unter anderem die unerwartet hohe Stabilität der Xanthin Selbstpaarung in Alanyl-PNA erklärt und es wird untersucht, auf welche Weise Xanthin in der DNA mutagene Fehlpaarungen mit Thymin eingehen kann. Teil1: Im Unterschied zu HF- und Standard-DFT-Methoden führt der LHF-Ansatz zu einem vollständig gebundenen Orbitalspektrum, da Coulomb-Selbstwechselwirkungen im LHF-Ansatz exakt korrigiert werden. Durch die Korrektur der Coulomb-Selbstwechselwirkungen sind im LHF-Ansatz auch die Energien der besetzten Orbitale nicht wie in Standard-DFT-Methoden zu höheren Werten verschoben, so dass das Koopmans' Theorem gültig bleibt und die besetzten LHF-Orbitale etwas kompakter als Standard-DFT-Orbitale sind. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass beide Eigenschaften deutliche Vorteile für MR-Verfahren darstellen. Die virtuellen LHF-Orbitale sind gut optimiert und erlauben eine effizienteBeschreibung sowohl angeregter Zustände als auch statischer Korrelationseffekte in MRCI und MRPT2-Ansätzen. Weiterhin führt die kompaktere Struktur der besetzten LHF-Orbitale zu einer besseren Beschreibung des kationischen Rumpfes von Rydbergzuständen. Andererseits wurden zu beiden genannten Vorteilen auch jeweils ein Beispielmolekül gefunden, in dem die Vorteile nicht zum Tragen kommen, und zu deren Beschreibung Orbitale aus HF- oder Standard-DFT-Methoden besser geeignet sind. Diese Beispiele zeigen, dass jeder Einzelfall für sich getestet werden muss, auch wenn die angeregten Zustände der meisten Moleküle sehr gut mit LHF-Orbitalen beschrieben werden können. Teil 2: Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die Paarungseigenschaften von Xanthin und Xanthinderivaten untersucht. Ziel dieses Teils war es, eine Erklärung für die unerwartet hohe Stabilität des Xanthin Alanyl-PNA Selbstpaarung zu finden. Weiterhin wurde untersucht, weshalb Xanthin, das in der DNA u.a. unter chemischem Stress gebildet wird, mutagene Fehlpaarungen mit der Pyrimidinbase Thymin eingehen kann. Stabilität der Xanthin Alanyl PNA: Zunächst wurde durch den Vergleich experimenteller und berechneter 13C-NMR-Spektra das Regiosomer von Xanthin bestimmt, welches zu der ungewöhnlich hohen Stabilität der Xanthin-Xanthin-Selbstpaarung in Alanyl-PNA verantwortlich ist. Zur Untersuchung der Stabilität der Xanthin-Selbstpaarung wurde ein stark vereinfachendes Modell aufgestellt,in dem die Stabilit� at der PNA-Duplexe nur über die Energiebeiträge aus den Wasserstoffbrücken (EDim) und der Basenstapelung (EStap) bestimmt wird. Die Dimerisierungs- und Stapelungsenergien unterschiedlicher Paarungen wurden mit DFT- und MP2-Methoden bestimmt. Solvenseffekte wurden über ein Kontinuummodell erfasst und der Einfluss des peptidischen Rückgrats auf die Stapelungsgeometrie wurde durch Kraftfeldmethoden berücksichtigt. Während die einzelnen Energiekomponenten aus den H-Br� ucken und der Basenstapelung keinen eindeutigen Zusammenhang zu den Schmelztemperaturen erkennen lassen, korreliert die Summe aus beiden linear mit den experimentell ermittelten Tm-Werten. Dies bedeutet, dass die Beiträge aus der Entropie, der molekularen Wasserumgebung und der Rückgratspannung sich entweder aufheben oder f� ur alle behandelten Systeme sehr ähnlich sind. Die Stabilität der Xanthin-Xanthin- und die der 2,6-Diaminopurin-Xanthin-Paarung, ergibt sich durch einen erhöhten Stapelungsbeitrag der Purinpaarungen, während die Wasserstoffbrücken der Xanthin Selbstpaarung nur wenig zur Stabilisierung des Xanthin-Xanthin und des Xanthin-Diaminopurin-Alanyl-PNA-Doppelstrangs beitragen. Paarungseigenschaften von N9-Xanthin: Zur Untersuchung der Paarungseigenschaften von N9-Xanthin wurden zun� achst H-verbrückte Homodimere von Xanthin untersucht. Hierbei wurden extreme Variationen in den Bindungsstärken der einzelnen H-Brücken gefunden, die sich zwischen -4 bis -11 kcal/mol in der Gasphase und -2.5 bis -5 kcal/mol im Solvens betragen. Durch Vergleich mit Modellsystemen konnte die starke Varianz der H-Brückenstärke auf anziehende bzw. abstoßende sekundäre elektrostatische Wechselwirkungen zurückgeführt werden. Weiterhin wurde das Homodimer von Hypoxanthin untersucht, bei dem die H-Brücken durch eine Erhöhung der Aromatizität im Pyrimidinring zusätzlich verstärkt werden, was zu einer deutlichen Stabilisierung des Dimers führt. Elektronische Effekte müssen vor allem deshalb berücksichtigt werden, da sie im Unterschied zu rein elektrostatischen Effekten deutlich weniger von der Solvensumgebung beein usst werden. Mutagenität von Hypoxanthin und Xanthin: Zur Erklärung der Mutagenität von Hypoxanthin und Xanthin wurden verschiedene neutrale und anionische Watson-Crick Basenpaarungen von Hypoxanthin und Xanthin mit Pyrimidinbasen berechnet. Hierbei wurden u. a. auch tautomere und anionische Formen von Xanthin berücksichtigt. Zur Bewertung der erhaltenen Dimerisierungsenergien wurden die Paarungen danach klassifiziert, ob ihre Geometrien mit denen der kanonischen Basenpaarungen deckungsgleich sind, oder ob sie in einer verzerrten Watson-Crick Geometrie vorliegen, was die Einbaurate in die DNA aufgrund des räumlichen Anspruchs der DNA-Polymerase vermindert. Die Rechnungen zeigen, dass Xanthin nur mit Cytosin Watson-Crick-Paarungen eingehen kann, welche jedoch nur sehr schwach gebunden sind. In der neutralen Form scheint eine dreizähnige Basenpaarung unter Beteiligung einer tautomeren Form des Xanthins etwas stabiler zu sein als die zweizähnige Paarung von Diketoxanthin mit Cytosin. Da die Dimerisierungsenergie sowohl der neutralen als auch der anionischen Basenpaarung nur wenig unter 0 kcal/mol liegt, ist der Einbau der Xanthin-Cytosin-Paarung in die DNA zwar aufgrund der günstigen Geometrie möglich, wird aber nicht durch einen Energiebeitrag aus den H-Brücken verstärkt. Die im Vergleich zur Guanin-Cytosin Paarung deutlich geringere Aromatizität von Xanthin zu Cytosin ist im Einklang mit dem experimentellen Befund, dass die Cytosin-Xanthin Paarung deulich langsamer als die Guanin-Cytosin Paarungen in die DNA eingebaut werden. Während die Rechnungen nur eine geringe Aromatizität von Xanthin zu Cytosin vorhersagen, scheint das Anion von Xanthin in der Lage zu sein, eine sehr stabile Basenpaarung mit Thymin einzugehen. Allerdings muss die Dimerisierungsenergie die schlechtere Anpassung in die Bindungstasche der DNA-Polymerase ausgleichen, da die Paarung in einer etwas verzerrten Watson-Crick Geometrie vorliegt. Insgesamt wird die Paarung daher nicht schneller in die DNA eingebaut, wie erwartet aufgrund der H-Brückenstärken, stattdessen besitzt sie eine ähnliche Einbaurate wie die geometrisch günstigere aber weniger stabile Xanthin-Cytosin Paarung.
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