IQA-embedded fragment attributed molecular system energy change in exploring intramolecular interactions

Energy of intramolecular interaction cannot be measured experimentally. Deeply-rooted in the Interacting Quantum Atoms framework, expressions for a fragment attributed molecular system energy change (FAMSEC) are proposed and implemented to quantify energy contribution made by a molecular fragment G ¼ fA; Bg made of interacting atoms. A classical nature of (i) N H (in protonated ethylenediamine, Hen) and O H (in protonated ethanolamine, Hea) and (ii) O O (in eclipsed glycol, gc) was fully recovered and their origin explored; N H and O H stabilize respective molecules locally, local-FAMSEC, and globally, mol-FAMSEC (opposite applies to O O in gc). Higher energy of planar biphenyl (bph) was attributed to (i) C-atoms linking the rings due to an unfavorable change in interactions with all atoms of bph and (ii) increase in self-atomic energies of the remaining C-atoms of the bph bay. Considering ortho-hydrogens, they (i) do not conform to steric clash, (ii) resemble stabilizing interactions in Hen and Hea and (iii) follow changes in physical properties (on interaction formation) found for heteroatoms in Hen and Hea (opposite was found for O-atoms in gc). Moreover, the mol-FAMSEC term (i) accounts to some extent, although indirectly, for the geometric deformation energy of all atoms not involved in the intramolecular interaction, (ii) equally applies to any kind of (de)stabilizing or QTAIM (non)bonded interaction, and (iii) can equally be used for any size of a molecular fragment (e.g. functional groups) as well as for intermolecular interactions.National Research Foundation of South Africa (Grant No. 87777) and the University of Pretoria.http://www.elsevier.com/locate/comptc2016-08-15hb201

Intramolecular Hydrogen Bonding 2021

This book describes the results of both theoretical and experimental research on many topical issues in intramolecular hydrogen bonding. Its great advantage is that the presented research results have been obtained using many different techniques. Therefore, it is an excellent review of these methods, while showing their applicability to the current scientific issues regarding intramolecular hydrogen bonds. The experimental techniques used include X-ray diffraction, infrared and Raman spectroscopy (IR), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), nuclear quadrupole resonance spectroscopy (NQR), incoherent inelastic neutron scattering (IINS), and differential scanning calorimetry (DSC). The solvatochromic and luminescent studies are also described. On the other hand, theoretical research is based on ab initio calculations and the Car–Parrinello Molecular Dynamics (CPMD). In the latter case, a description of nuclear quantum effects (NQE) is also possible. This book also demonstrates the use of theoretical methods such as Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM), Interacting Quantum Atoms (IQA), Natural Bond Orbital (NBO), Non-Covalent Interactions (NCI) index, Molecular Tailoring Approach (MTA), and many others

New methods for automated NMD data analysis and protein structure determination

Die Ermittlung von Proteinstukturen mittels NMR-Spektroskopie ist ein komplexer Prozess, wobei die Resonanzfrequenzen und die Signalintensitäten den Atomen des Proteins zugeordnet werden. Zur Bestimmung der räumlichen Proteinstruktur sind folgende Schritte erforderlich: die Präparation der Probe und 15N/13C Isotopenanreicherung, Durchführung der NMR Experimente, Prozessierung der Spektren, Bestimmung der Signalresonanzen ('Peak-picking'), Zuordnung der chemischen Verschiebungen, Zuordnung der NOESY-Spektren und das Sammeln von konformationellen Strukturparametern, Strukturrechnung und Strukturverfeinerung. Aktuelle Methoden zur automatischen Strukturrechnung nutzen eine Reihe von Computeralgorithmen, welche Zuordnungen der NOESY-Spektren und die Strukturrechnung durch einen iterativen Prozess verbinden. Obwohl neue Arten von Strukturparametern wie dipolare Kopplungen, Orientierungsinformationen aus kreuzkorrelierten Relaxationsraten oder Strukturinformationen, die sich in Gegenwart paramagnetischer Zentren in Proteinen ergeben, wichtige Neuerungen für die Proteinstrukturrechnung darstellen, sind die Abstandsinformationen aus NOESY-Spektren weiterhin die wichtigste Basis für die NMR-Strukturbestimmung. Der hohe zeitliche Aufwand des 'peak-picking' in NOESY-Spektren ist hauptsächlich bedingt durch spektrale Überlagerung, Rauschsignale und Artefakte in NOESY-Spektren. Daher werden für das effizientere automatische 'Peak-picking' zuverlässige Filter benötigt, um die relevanten Signale auszuwählen. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Algorithmus für die automatische Proteinstrukturrechnung beschrieben, der automatisches 'Peak-picking' von NOESY-Spektren beinhaltet, die mit Hilfe von Wavelets entrauscht wurden. Der kritische Punkt dieses Algorithmus ist die Erzeugung inkrementeller Peaklisten aus NOESY-Spektren, die mit verschiedenen auf Wavelets basierenden Entrauschungsprozeduren prozessiert wurden. Mit Hilfe entrauschter NOESY-Spektren erhält man Signallisten mit verschiedenen Konfidenzbereichen, die in unterschiedlichen Schritten der kombinierten NOE-Zuordnung/Strukturrechnung eingesetzt werden. Das erste Strukturmodell beruht auf stark entrauschten Spektren, die die konservativste Signalliste mit als weitgehend sicher anzunehmenden Signalen ergeben. In späteren Stadien werden Signallisten aus weniger stark entrauschten Spektren mit einer größeren Anzahl von Signalen verwendet. Die Auswirkung der verschiedenen Entrauschungsprozeduren auf Vollständigkeit und Richtigkeit der NOESY Peaklisten wurde im Detail untersucht. Durch die Kombination von Wavelet-Entrauschung mit einem neuen Algorithmus zur Integration der Signale in Verbindung mit zusätzlichen Filtern, die die Konsistenz der Peakliste prüfen ('Network-anchoring' der Spinsysteme und Symmetrisierung der Peakliste), wird eine schnelle Konvergenz der automatischen Strukturrechnung erreicht. Der neue Algorithmus wurde in ARIA integriert, einem weit verbreiteten Computerprogramm für die automatische NOE-Zuordnung und Strukturrechnung. Der Algorithmus wurde an der Monomereinheit der Polysulfid-Schwefel-Transferase (Sud) aus Wolinella succinogenes verifiziert, deren hochaufgelöste Lösungsstruktur vorher auf konventionelle Weise bestimmt wurde. Neben der Möglichkeit zur Bestimmung von Proteinlösungsstrukturen bietet sich die NMR-Spektroskopie auch als wirkungsvolles Werkzeug zur Untersuchung von Protein-Ligand- und Protein-Protein-Wechselwirkungen an. Sowohl NMR Spektren von isotopenmarkierten Proteinen, als auch die Spektren von Liganden können für das 'Screening' nach Inhibitoren benutzt werden. Im ersten Fall wird die Sensitivität der 1H- und 15N-chemischen Verschiebungen des Proteinrückgrats auf kleine geometrische oder elektrostatische Veränderungen bei der Ligandbindung als Indikator benutzt. Als 'Screening'-Verfahren, bei denen Ligandensignale beobachtet werden, stehen verschiedene Methoden zur Verfügung: Transfer-NOEs, Sättigungstransferdifferenzexperimente (STD, 'saturation transfer difference'), ePHOGSY, diffusionseditierte und NOE-basierende Methoden. Die meisten dieser Techniken können zum rationalen Design von inhibitorischen Verbindungen verwendet werden. Für die Evaluierung von Untersuchungen mit einer großen Anzahl von Inhibitoren werden effiziente Verfahren zur Mustererkennung wie etwa die PCA ('Principal Component Analysis') verwendet. Sie eignet sich zur Visualisierung von Ähnlichkeiten bzw. Unterschieden von Spektren, die mit verschiedenen Inhibitoren aufgenommen wurden. Die experimentellen Daten werden zuvor mit einer Serie von Filtern bearbeitet, die u.a. Artefakte reduzieren, die auf nur kleinen Änderungen der chemischen Verschiebungen beruhen. Der am weitesten verbreitete Filter ist das sogenannte 'bucketing', bei welchem benachbarte Punkte zu einen 'bucket' aufsummiert werden. Um typische Nachteile der 'bucketing'-Prozedur zu vermeiden, wurde in der vorliegenden Arbeit der Effekt der Wavelet-Entrauschung zur Vorbereitung der NMR-Daten für PCA am Beispiel vorhandener Serien von HSQC-Spektren von Proteinen mit verschiedenen Liganden untersucht. Die Kombination von Wavelet-Entrauschung und PCA ist am effizientesten, wenn PCA direkt auf die Wavelet-Koeffizienten angewandt wird. Durch die Abgrenzung ('thresholding') der Wavelet-Koeffizienten in einer Multiskalenanalyse wird eine komprimierte Darstellung der Daten erreicht, welche Rauschartefakte minimiert. Die Kompression ist anders als beim 'bucketing' keine 'blinde' Kompression, sondern an die Eigenschaften der Daten angepasst. Der neue Algorithmus kombiniert die Vorteile einer Datenrepresentation im Wavelet-Raum mit einer Datenvisualisierung durch PCA. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass PCA im Wavelet- Raum ein optimiertes 'clustering' erlaubt und dabei typische Artefakte eliminiert werden. Darüberhinaus beschreibt die vorliegende Arbeit eine de novo Strukturbestimmung der periplasmatischen Polysulfid-Schwefel-Transferase (Sud) aus dem anaeroben gram-negativen Bakterium Wolinella succinogenes. Das Sud-Protein ist ein polysulfidbindendes und transferierendes Enzym, das bei niedriger Polysulfidkonzentration eine schnelle Polysulfid-Schwefel-Reduktion katalysiert. Sud ist ein 30 kDa schweres Homodimer, welches keine prosthetischen Gruppen oder schwere Metallionen enthält. Jedes Monomer enhält ein Cystein, welches kovalent bis zu zehn Polysulfid-Schwefel (Sn 2-) Ionen bindet. Es wird vermutet, dass Sud die Polysulfidkette auf ein katalytischen Molybdän-Ion transferiert, welches sich im aktiven Zentrum des membranständigen Enzyms Polysulfid-Reduktase (Psr) auf dessen dem Periplasma zugewandten Seite befindet. Dabei wird eine reduktive Spaltung der Kette katalysiert. Die Lösungsstruktur des Homodimeres Sud wurde mit Hilfe heteronuklearer, mehrdimensionaler NMR-Techniken bestimmt. Die Struktur beruht auf von NOESY-Spektren abgeleiteten Distanzbeschränkungen, Rückgratwasserstoffbindungen und Torsionswinkeln, sowie auf residuellen dipolaren Kopplungen, die für die Verfeinerung der Struktur und für die relative Orientierung der Monomereinheiten wichtig waren. In den NMR Spektren der Homodimere haben alle symmetrieverwandte Kerne äquivalente magnetische Umgebungen, weshalb ihre chemischen Verschiebungen entartet sind. Die symmetrische Entartung vereinfacht das Problem der Resonanzzuordnung, da nur die Hälfte der Kerne zugeordnet werden müssen. Die NOESY-Zuordnung und die Strukturrechnung werden dadurch erschwert, dass es nicht möglich ist, zwischen den Intra-Monomer-, Inter-Monomer- und Co-Monomer- (gemischten) NOESY-Signalen zu unterscheiden. Um das Problem der Symmetrie-Entartung der NOESY-Daten zu lösen, stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: (I) asymmetrische Markierungs-Experimente, um die intra- von den intermolekularen NOESY-Signalen zu unterscheiden, (II) spezielle Methoden der Strukturrechnung, die mit mehrdeutigen Distanzbeschränkungen arbeiten können. Die in dieser Arbeit vorgestellte Struktur wurde mit Hilfe der Symmetrie-ADR- ('Ambigous Distance Restraints') Methode in Kombination mit Daten von asymetrisch isotopenmarkierten Dimeren berechnet. Die Koordinaten des Sud-Dimers zusammen mit den NMR-basierten Strukturdaten wur- den in der RCSB-Proteindatenbank unter der PDB-Nummer 1QXN abgelegt. Das Sud-Protein zeigt nur wenig Homologie zur Primärsequenz anderer Proteine mit ähnlicher Funktion und bekannter dreidimensionaler Struktur. Bekannte Proteine sind die Schwefeltransferase oder das Rhodanese-Enzym, welche beide den Transfer von einem Schwefelatom eines passenden Donors auf den nukleophilen Akzeptor (z.B von Thiosulfat auf Cyanid) katalysieren. Die dreidimensionalen Strukturen dieser Proteine zeigen eine typische a=b Topologie und haben eine ähnliche Umgebung im aktiven Zentrum bezüglich der Konformation des Proteinrückgrades. Die Schleife im aktiven Zentrum umgibt das katalytische Cystein, welches in allen Rhodanese-Enzymen vorhanden ist, und scheint im Sud-Protein flexibel zu sein (fehlende Resonanzzuordnung der Aminosäuren 89-94). Das Polysulfidende ragt aus einer positiv geladenen Bindungstasche heraus (Reste: R46, R67, K90, R94), wo Sud wahrscheinlich in Kontakt mit der Polysulfidreduktase tritt. Das strukturelle Ergebnis wurde durch Mutageneseexperimente bestätigt. In diesen Experimenten konnte gezeigt werden, dass alle Aminosäurereste im aktiven Zentrum essentiell für die Schwefeltransferase-Aktivität des Sud-Proteins sind. Die Substratbindung wurde früher durch den Vergleich von [15N,1H]-TROSY-HSQC-Spektren des Sud-Proteins in An- und Abwesenheit des Polysulfidliganden untersucht. Bei der Substratbindung scheint sich die lokale Geometrie der Polysulfidbindungsstelle und der Dimerschnittstelle zu verändern. Die konformationellen Änderungen und die langsame Dynamik, hervorgerufen durch die Ligandbindung können die weitere Polysulfid-Schwefel-Aktivität auslösen. Ein zweites Polysulfid-Schwefeltransferaseprotein (Str, 40 kDa) mit einer fünffach höheren nativen Konzentration im Vergleich zu Sud wurde im Bakterienperiplasma von Wolinella succinogenes entdeckt. Es wird angenommen, dass beide Protein einen Polysulfid-Schwefel-Komplex bilden, wobei Str wässriges Polysulfid sammelt und an Sud abgibt, welches den Schwefeltransfer zum katalytischen Molybdän-Ion auf das aktive Zentrum der dem Periplasma zugewandten Seite der Polysulfidreduktase durchführt. Änderungen chemischer Verschiebungen in [15N,1H]-TROSY-HSQC-Spektren zeigen, dass ein Polysulfid-Schwefeltransfer zwischen Str und Sud stattfindet. Eine mögliche Protein-Protein-Wechselwirkungsfläche konnte bestimmt werden. In der Abwesenheit des Polysulfidsubstrates wurden keine Wechselwirkungen zwischen Sud und Str beobachtet, was die Vermutung bestätigt, dass beide Proteine nur dann miteinander wechselwirken und den Polysulfid-Schwefeltransfer ermöglichen, wenn als treibende Kraft Polysulfid präsent ist

Exploring free-energy landscapes and microscopic interactions of selected small-molecules and proteins wih cell membranes

The present Thesis is devoted to the study of the physical-chemical properties of selected small-molecules (such as amino-acids like tryptophan or hormones like melatonin) and proteins (such as KRAS-4B) absorbed in model lipid bilayers located at physiological environments. Since in such conditions biological membranes composed of phospholipids and cholesterol are surrounded by electrolyte solutions, understanding the interactions of the small molecule or protein with the surrounding phospholipids, cholesterol, water and all sorts of ion species is a topic of great fundamental importance. In particular, the present Thesis has advanced into the analysis of the structural and energetic aspects of an oncogenic protein from the RAS family, characterising the physical conditions that allow such protein to remain anchored to the cell. The findings reported in the Thesis may help to shed light in the understanding of a wide variety of cancers, with direct impact on the design of drugs or treatments useful for curation. The lipids considered in this Thesis include the saturated lipids dimyristoilphosphatidylcholine (DMPC) and dipalmytoilphosphatidylcholine (DPPC), the unsaturated lipids dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) and dioleoylphosphatidylserine(DOPS) and cholesterol. Classical molecular dynamics simulations and well-tempered metadynamics simulations have been applied in this thesis so that all considered systems have been modelled and simulated at the all-atom level, with systems containing up to 200000 atoms. Using classical molecular dynamics simulations at the microsecond time scale, we studied the microscopic structure and dynamics of the small-molecules and KRAS4B proteins, the latter in the wild-type and mutated (oncogenic) forms. The cell membrane has been always considered in the liquid crystalline phase, what in some cases required to rise the temperature of the system up to 323 K. Structural properties such as the area per lipid and thickness of the membrane, density profiles, deuterium-order parameters, orientational distributions and the extent of water penetration in the membrane have been analysed. Molecular self-diffusion and spectral densities of atomic species reveal a variety of time scales playing a role in membrane dynamics. The physical meaning of all spectral features from lipid atomic sites is analysed and correlated with experimental data. Most relevant have been the location of individual sites of binding of probes at the interface of the membrane. Finally, using reversible work techniques, we estimated the extent of free energy required to form such liaisons. By applying 1-microsecond well-tempered metadynamics simulations, we have performed systematic free energy calculations of probe binding to the membrane and water for the first time. Free energy landscapes unveil specific binding behaviour of small-molecules and proteins at phospholipid membranes. This Thesis provides a general methodology to explore such free energy landscapes at complex biological interfaces which can be extended to study other interactions of interest between molecules, peptides, proteins or drugs and charged head-groups in colloidal chemistry and biology. We further applied this methodology to study the case of a prototypical oncogenic protein (KRAS), being able to produce a wide variety of cancers. Our results from resulting free energy landscapes indicate the existence of specific hydrogen-bonding connections between parts of the protein (hypervariable region and farnesylated tail) that might be responsible of the permanent infection of healthy cells through its anchoring at the interface of the membrane.La presente Tesis doctoral está dedicada al estudio de las propiedades físico-químicas de moléculas pequeñas seleccionadas (por ejemplo aminoácidos como el triptófano u hormonas como la melatonina) y proteínas (como la KRas-4B) absorbidas en membranas celulares formadas por fosfolípidos y ubicadas en entornos fisiológicos. Dado que en estas condiciones, las membranas biológicas compuestas por fosfolípidos y colesterol están rodeadas de soluciones de electrólitos, entender las interacciones de la molécula pequeña o proteína con los fosfolípidos circundantes, el colesterol, el agua y todo tipo de especies iónicas es un tema de gran importancia fundamental. En particular, la presente Tesis se ha avanzado en el análisis de los aspectos estructurales y energéticos de una proteína oncogènica de la familia Ras, caracterizando las condiciones físicas que permiten que esta proteína se mantenga anclada a la célula. Las resultados descritos a la tesis pueden ayudar a dar luz a la comprensión de una gran variedad de cánceres, con un impacto directo en el diseño de medicamentos o tratamientos útiles para su curación. Los lípidos considerados en esta Tesis incluyen los lípidossaturados dimiristoilfosfatidilcolina y dipalmitoilfosfatidilcolina, los lípidos insaturados dioleoilfosfatidilcolina y dioleoilfosfatidilserina y el colesterol. En esta Tesis se han aplicado simulaciones de dinámica molecular clásica y simulaciones de metadinámica bien temperada, de forma que todos los sistemas considerados han estado modelizados y simulados a nivel puramente atómico, con sistemas de hasta 200000 átomos. Utilizando simulaciones clásicas de dinámica molecular (a escala 1 microsegundo), hemos estudiado la estructura y la dinámica microscópicas de las moléculas pequeñas y las proteínas KRas4B, estas últimas en formas pura y mutada (oncogénica). La membrana celular siempre se ha considerado en fase cristalina líquida, cosa que en algunos casos ha requerido aumentar la temperatura del sistema hasta 323 K. Se han calculado propiedades estructurales como por ejemplo el área por lípido y el grosor de la membrana, perfiles de densidad, parámetros de orden del deuterio, distribuciones orientacionals y el alcance de la penetración del agua a la membrana. Los coeficientes de difusión moleculares y las densidades espectrales atómicas revelan una gran variedad de escalas de tiempos que tienen un papel en la dinámica de membrana. El significado físico de todas las características espectrales de los lugares atómicos lipídicos se ha analizado y correlacionado con datos experimentales. El más relevante ha sido el hallazgo de la ubicación de lugares individuales de enlace de las varias sondas (pequeñas moléculas y proteínas) a la interfaz de la membrana. Finalmente, utilizando técnicas de trabajo reversible, se ha podido estimar la cantidad de energía libre necesaria para formar estos enlaces. Mediante la aplicación de simulaciones de metadinámica bien temperada de 1 microsegundo, hemos realizado por primera vez cálculos de energía libre sistemática de la unión de las varias sondas a la membrana y al agua. Las superficies de energía libre muestran un comportamiento específico de los enlaces de moléculas pequeñas y proteínas a las membranas fosfolípidiques. Esta Tesis proporciona una metodología general para explorar superficies de energía libre en interfaces biológicas complejas que se pueden ampliar para estudiar otras interacciones de interés entre moléculas, péptidos, proteínas o fármacos y membranas en Química y Biología coloidal. También hemos aplicado esta metodología para estudiar el caso de una proteína oncogènica prototípica (KRas), que se considera responsable de una gran variedad de cánceres. Nuestros resultados en superficies de energía libre indican la existencia de conexiones específicas de enlace de hidrógeno entre partes de la proteína (región hipervariabley cola farnesilada) que podrían ser responsables de la infección permanente de células sanas a través de su anclaje a la interfaz de la membrana.Postprint (published version

Exploring free-energy landscapes and microscopic interactions of selected small-molecules and proteins with cell membranes

The present Thesis is devoted to the study of the physical-chemical properties of selected small-molecules (such as amino-acids like tryptophan or hormones like melatonin) and proteins (such as KRAS-4B) absorbed in model lipid bilayers located at physiological environments. Since in such conditions biological membranes composed of phospholipids and cholesterol are surrounded by electrolyte solutions, understanding the interactions of the small molecule or protein with the surrounding phospholipids, cholesterol, water and all sorts of ion species is a topic of great fundamental importance. In particular, the present Thesis has advanced into the analysis of the structural and energetic aspects of an oncogenic protein from the RAS family, characterising the physical conditions that allow such protein to remain anchored to the cell. The findings reported in the Thesis may help to shed light in the understanding of a wide variety of cancers, with direct impact on the design of drugs or treatments useful for curation. The lipids considered in this Thesis include the saturated lipids dimyristoilphosphatidylcholine (DMPC) and dipalmytoilphosphatidylcholine (DPPC), the unsaturated lipids dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) and dioleoylphosphatidylserine(DOPS) and cholesterol. Classical molecular dynamics simulations and well-tempered metadynamics simulations have been applied in this thesis so that all considered systems have been modelled and simulated at the all-atom level, with systems containing up to 200000 atoms. Using classical molecular dynamics simulations at the microsecond time scale, we studied the microscopic structure and dynamics of the small-molecules and KRAS4B proteins, the latter in the wild-type and mutated (oncogenic) forms. The cell membrane has been always considered in the liquid crystalline phase, what in some cases required to rise the temperature of the system up to 323 K. Structural properties such as the area per lipid and thickness of the membrane, density profiles, deuterium-order parameters, orientational distributions and the extent of water penetration in the membrane have been analysed. Molecular self-diffusion and spectral densities of atomic species reveal a variety of time scales playing a role in membrane dynamics. The physical meaning of all spectral features from lipid atomic sites is analysed and correlated with experimental data. Most relevant have been the location of individual sites of binding of probes at the interface of the membrane. Finally, using reversible work techniques, we estimated the extent of free energy required to form such liaisons. By applying 1-microsecond well-tempered metadynamics simulations, we have performed systematic free energy calculations of probe binding to the membrane and water for the first time. Free energy landscapes unveil specific binding behaviour of small-molecules and proteins at phospholipid membranes. This Thesis provides a general methodology to explore such free energy landscapes at complex biological interfaces which can be extended to study other interactions of interest between molecules, peptides, proteins or drugs and charged head-groups in colloidal chemistry and biology. We further applied this methodology to study the case of a prototypical oncogenic protein (KRAS), being able to produce a wide variety of cancers. Our results from resulting free energy landscapes indicate the existence of specific hydrogen-bonding connections between parts of the protein (hypervariable region and farnesylated tail) that might be responsible of the permanent infection of healthy cells through its anchoring at the interface of the membrane.La presente Tesis doctoral está dedicada al estudio de las propiedades físico-químicas de moléculas pequeñas seleccionadas (por ejemplo aminoácidos como el triptófano u hormonas como la melatonina) y proteínas (como la KRas-4B) absorbidas en membranas celulares formadas por fosfolípidos y ubicadas en entornos fisiológicos. Dado que en estas condiciones, las membranas biológicas compuestas por fosfolípidos y colesterol están rodeadas de soluciones de electrólitos, entender las interacciones de la molécula pequeña o proteína con los fosfolípidos circundantes, el colesterol, el agua y todo tipo de especies iónicas es un tema de gran importancia fundamental. En particular, la presente Tesis se ha avanzado en el análisis de los aspectos estructurales y energéticos de una proteína oncogènica de la familia Ras, caracterizando las condiciones físicas que permiten que esta proteína se mantenga anclada a la célula. Las resultados descritos a la tesis pueden ayudar a dar luz a la comprensión de una gran variedad de cánceres, con un impacto directo en el diseño de medicamentos o tratamientos útiles para su curación. Los lípidos considerados en esta Tesis incluyen los lípidossaturados dimiristoilfosfatidilcolina y dipalmitoilfosfatidilcolina, los lípidos insaturados dioleoilfosfatidilcolina y dioleoilfosfatidilserina y el colesterol. En esta Tesis se han aplicado simulaciones de dinámica molecular clásica y simulaciones de metadinámica bien temperada, de forma que todos los sistemas considerados han estado modelizados y simulados a nivel puramente atómico, con sistemas de hasta 200000 átomos. Utilizando simulaciones clásicas de dinámica molecular (a escala 1 microsegundo), hemos estudiado la estructura y la dinámica microscópicas de las moléculas pequeñas y las proteínas KRas4B, estas últimas en formas pura y mutada (oncogénica). La membrana celular siempre se ha considerado en fase cristalina líquida, cosa que en algunos casos ha requerido aumentar la temperatura del sistema hasta 323 K. Se han calculado propiedades estructurales como por ejemplo el área por lípido y el grosor de la membrana, perfiles de densidad, parámetros de orden del deuterio, distribuciones orientacionals y el alcance de la penetración del agua a la membrana. Los coeficientes de difusión moleculares y las densidades espectrales atómicas revelan una gran variedad de escalas de tiempos que tienen un papel en la dinámica de membrana. El significado físico de todas las características espectrales de los lugares atómicos lipídicos se ha analizado y correlacionado con datos experimentales. El más relevante ha sido el hallazgo de la ubicación de lugares individuales de enlace de las varias sondas (pequeñas moléculas y proteínas) a la interfaz de la membrana. Finalmente, utilizando técnicas de trabajo reversible, se ha podido estimar la cantidad de energía libre necesaria para formar estos enlaces. Mediante la aplicación de simulaciones de metadinámica bien temperada de 1 microsegundo, hemos realizado por primera vez cálculos de energía libre sistemática de la unión de las varias sondas a la membrana y al agua. Las superficies de energía libre muestran un comportamiento específico de los enlaces de moléculas pequeñas y proteínas a las membranas fosfolípidiques. Esta Tesis proporciona una metodología general para explorar superficies de energía libre en interfaces biológicas complejas que se pueden ampliar para estudiar otras interacciones de interés entre moléculas, péptidos, proteínas o fármacos y membranas en Química y Biología coloidal. También hemos aplicado esta metodología para estudiar el caso de una proteína oncogènica prototípica (KRas), que se considera responsable de una gran variedad de cánceres. Nuestros resultados en superficies de energía libre indican la existencia de conexiones específicas de enlace de hidrógeno entre partes de la proteína (región hipervariabley cola farnesilada) que podrían ser responsables de la infección permanente de células sanas a través de su anclaje a la interfaz de la membrana

Dynamics study of hydrogen transfer reactions by variational transition stste theory

Las reacciones de transferencia de hidr´ogeno se consideran unas de las m´as importantes en Qu´ımica, porque est´an presentes en multitud de procesos qu´ımicos, biol´ogicos e industriales. A modo de ejemplo, estas reacciones son relevantes en qu´ımica org´anica, qu´ımica atmosf´erica, qu´ımica de la combusti´on, qu´ımica interestelar, as´ı como en procesos biol´ogicos importantes tales como las reacciones enzim´aticas y la rotura de la cadena de ADN. Adem´as, tambi´en juegan un papel cr´ıtico en procesos industriales tales como la fabricaci´on de capas de diamante mediante la deposici´on qu´ımica de vapor a bajas presiones. Entender, no s´olo c´omo tienen lugar, sino cu´ales son los factores que influyen en su din´amica es de gran importancia y, por consiguiente, estas reacciones han recibido una amplia atenci´on, tanto desde los puntos de vista experimental, como te´orico. Este tipo de reacciones tienen en com´un que la part´ıcula que se transfiere, ya bien sea un ´atomo de hidr´ogeno, un prot´on o un hidruro, o bien sus an´alogos isot´opicos, es una part´ıcula ligera, lo que hace esencial en su estudio la consideraci´on de efectos cu´anticos tales como el efecto t´unel. El efecto t´unel se define como la capacidad de las part´ıculas de atravesar una barrera de energ´ıa potencial cuya altura es superior a la energ´ıa de la part´ıcula, pasando a trav´es de una regi´on cl´asicamente prohibida. Su nombre deriva de la analog´ıa con la ´unica manera de atravesar una barrera geogr´afica sin superarla. En el c´alculo de la contribuci´on del efecto t´unel a la constante de velocidad es necesario tener en cuenta el car´acter multidimensional del mismo, ya que la coordenada de reacci´on se acopla con el resto de modos normales de vibraci´on perpendiculares a la misma. Experimentalmente este fen´omeno se evidencia por la desviaci´on del valor de las constantes de velocidad respecto a la ley de Arrhenius, en especial a bajas temperaturas, y por presentar altos valores del efecto isot´opico cin´etico (“kinetic isotope effect”, KIE). El KIE se define como el cociente entre la constante de velocidad del sistema con hidr´ogeno y la constante de velocidad cuando dicho hidr´ogeno se sustituye por un is´otopo m´as pesado. Dado que el efecto t´unel depende en gran medida de la masa de la part´ıcula que se transfiere, la magnitud de este cociente es de gran importancia en la dilucidaci´on de los mecanismos de reacci´on. Para estudiar la constantes de velocidad de estas reacciones qu´ımicas existen diversas me- todolog´ıas. La din´amica cu´antica auna todas las ventajas de un tratamiento lo m´as riguroso posible desde el punto de vista microsc´opico mediante la resoluci´on de la ecuaci´on de Schr¨odin- ger dependiente del tiempo. Por contra tiene como gran desventaja que s´olo es aplicable a sistemas con un n´umero de ´atomos muy peque˜no debido a su alto coste computacional. Otras metodolog´ıas, como la de los instantones, ser´ıan en general adecuadas cuando las temperaturas son muy bajas, pero no tienen una extrapolaci´on obvia a temperaturas intermedias (por encima de 250 K). En este sentido la teor´ıa variacional del estado de transici´on con un tratamiento multidimensional del efecto t´unel (“variational transition state theory with multidimensional treatment of tunneling”, VTST/MT), encuadrada dentro de las aproximaciones semicl´asicas, ha demostrado ser una herramienta muy vers´atil a la hora de estudiar la din´amica de este tipo de reacciones a temperaturas a partir de aproximadamente 200 K. Esta teor´ıa permite el estudio de sistemas relativamente grandes, puesto que necesita una cantidad de informaci´on de la superficie de energ´ıa potencial muy reducida, adem´as de ser una metodolog´ıa susceptible de mejora

Kisses, ambivalent models and more: Contributions to the analysis of RNA secondary structure.

Janssen S. Kisses, ambivalent models and more: Contributions to the analysis of RNA secondary structure. Bielefeld: Universitätsbibliothek; 2014.The full functional role of RNA in all domains of life is yet to be explored. Deep sequencing technologies generate massive data about RNA transcripts with functional potential. To decipher this information, bioinformatics methods for structural analysis are in demand. With this thesis at hand, we want to improve current secondary structure prediction in different respects. The introductory chapter explains ADP with a focus on its comfortable, but atypical style of specifying algorithms. Then, we present five contributions to the analysis of RNA secondary structures. 1. It is the nature of models to abstract and simplify reality in order to master its complexity. Chapter 3 is an in depth analysis of four popular computational models of RNA secondary structure (Programs RNAshapes and RNAalishapes). 2. The secondary structure of RNA is too dynamic to be described by a single structure and in turn, there is no single optimal secondary structure. Thus, we compute the most likely abstract shape of a given RNA sequence. Improvements of the algorithms for computing the likelihood of abstract shapes are discussed in Chapter 4, specifically with regards to computational speed (Program RapidShapes). 3. For computational complexity reasons, models of RNA structures commonly exclude crossing base-pairs, the so-called "pseudoknots", from the secondary structure. In Chapter 5, we introduce a heuristic for mastering a frequent type of pseudoknots: "kissing-hairpins" (Program pKiss). 4. In Chapter 6 we revisit the old algorithmic idea of outside-in computation for the new programming framework Bellman’s GAP. This broadens the arsenal of rapid prototyping algorithms for RNA and other sequential problems. It adds "outside" and "MEA" functionality to RNAshapes and RNAalishapes. 5. Covariance Models representing RNA families assume a single consensus secondary structure for a set of related RNAs and serve as statistical tools to search for additional members. In Chapter 7, we evaluate CM scorings that are more structurespecific than the standard sequence-to-model alignments. Furthermore, we introduce a technique to incorporate "ambivalent" consensus structures into covariance models (Program aCMs). The results of this work are available at the Bielefeld Bioinformatic Server. The RNA Studio (http://bibiserv.cebitec.uni-bielefeld.de/rna) supports ready to use web-submissions, web-services and cloud computing for the programs developed in this thesis. debian packages foster a simple way to install our software on your local machine. Developers can benefit from our algorithmic analyses or use our sources for rapid prototyping as a primer for new implementations: http://bibiserv.cebitec.uni-bielefeld.de/fold-grammars

Postmodern Electronic Structure Theory

This dissertation is concerned with the development and applications of approaches to the electron correlation problem. We start with an introduction that summarizes modern approaches to the electron correlation problem. In our view, there are two remaining challenges that modern density functional theory cannot satisfactorily solve. The first challenge is due to self-interaction error and the second is due to strong correlation. We discuss two methods developed by the author that attempt to make progress to address the second challenge.The first approach is useful in distinguishing strong and weak correlation in a computationally economical way. It is based on orbital optimization in the presence of regularized second-order Moller-Plesset perturbation theory (k-OOMP2), which is an approximate method to obtain Brueckner orbitals. k-OOMP2 includes weak correlation while attenuating strong correlation. As such, it distinguishes artificial and essential symmetry breaking which occur at the Hartree-Fock (HF) level. Artificial symmetry breaking appears due to the lack of weak correlation, not due to the lack of strong correlation. Therefore, the common wisdom in quantum chemistry, which equates symmetry breaking at the HF level and strong correlation, can result in a wrong understanding of the system. Essential symmetry breaking, on the other hand, signals strong correlation that is beyond the scope of simple perturbation theory. k-OOMP2 has been shown to reliably distinguish these two: symmetry breaking in the k-OOMP2 orbitals is essential. This has been applied to a recent controversy about whether C60 is strongly correlated. Starting from a broken-symmetry HF solution, k-OOMP2 restores every symmetry. As such, C60 is not strongly correlated. Moreover, k-OOMP2 successfully predicts strong correlation for a known biradicaloid, C36, by showing essential symmetry breaking in its orbitals. We also exploited essential symmetry breaking in singlet biradicaloids using k-OOMP2 and showed quantitative accuracy in obtaining singlet-triplet gaps of various molecules. This new approach should be helpful for redefining the common wisdom in quantum chemistry.The second method is an exact, spin-pure, polynomial-scaling way to describe strong spin-correlation (SSC). SSC is present when there are many spatially separate open-shell electrons with small spin-flip energy cost. Describing SSC exactly requires the inclusion of all essential spin-couplings. The number of such spin-couplings scales exponentially with the number of electrons. Because of this, SSC was thought to require an exponential number of wavefunction parameters in general. However, new development suggests that there is an efficient way to obtain all these spin-couplings with only a quadratic number of wavefunction parameters, which is called the coupled-cluster valence-bond (CCVB) method. We discuss different challenges in CCVB: (1) its non-black-box nature and (2) its inability to describe SSC in spin-frustrated systems. We present two improved CCVB approaches that address these two challenges. These approaches were applied to describe emergent strong correlation in oligoacenes and SSC in spin-frustrated systems such as single molecular magnets and metalloenzymes. The remaining challenges in CCVB are the inclusion of ionic excitations which are not relevant for SSC, but crucial for obtaining quantitative accuracy