Photochemistry and photophysics of chemical and biologically relevant systems: mechanisms, dynamics and methodologies

El proyecto presentado en esta Tesis se basa en la aplicación y desarrollo de métodos teóricos y computacionales con el fin de describir la fotoquímica y la fotofísica de compuestos moleculares químicos y de relevancia biológica. Más detalladamente, se lograron los siguientes objetivos: i.Aplicación de la metodología CASPT2//CASSCF al estudio de un modelo de la conformación giro-beta, formado por dos glicinas enlazadas a través de un enlace de hidrógeno. Se consiguieron calcular los caminos de mínima energía encontrados a partir de la irradiación UV que permiten finalmente, la disipación de la energía de excitación como energía vibracional. ii.Aplicación de la metodología CASPT2//CASSCF/AMBER al estudio de mecanismos de fotoestabilidad en la proteína gamma-B-cristalina, que forma (junto con otras proteínas cristalinas) el cristalino del ojo humano. Especialmente, se destaca el papel que puede jugar el elemento denominado "Tyrosine corner", una parte seleccionada de la cadena proteica que permite un giro de aproximadamente 180? a través de un enlace de hidrógeno entre la cadena principal y el grupo lateral de una tirosina. iii.Desarrollo de un método de determinación cuantitativa de la energía de excitación de un cromóforo con diferente sustitución, en el caso de que la sustitución química afecte al cromóforo solo a nivel estructural y no a la naturaleza electrónica del estado excitado considerado. iv.Tratamiento de los efectos del entorno sobre un interruptor molecular inducido por luz, como fuerzas externas que actúan en los dos extremos del cromóforo. En el caso del azobenceno (uno de los interruptores moleculares inducidos por luz más empleado), los isómeros cis y trans muestran una fotosensibilidad considerable respecto a las fuerzas aplicadas, permitiendo la modulación de la longitud de onda del máximo de absorción

Photochemistry and photophysics of chemical and biologically relevant systems: mechanisms, dynamics and methodologies

El proyecto presentado en esta Tesis se basa en la aplicación y desarrollo de métodos teóricos y computacionales con el fin de describir la fotoquímica y la fotofísica de compuestos moleculares químicos y de relevancia biológica. Más detalladamente, se lograron los siguientes objetivos: i.Aplicación de la metodología CASPT2//CASSCF al estudio de un modelo de la conformación giro-beta, formado por dos glicinas enlazadas a través de un enlace de hidrógeno. Se consiguieron calcular los caminos de mínima energía encontrados a partir de la irradiación UV que permiten finalmente, la disipación de la energía de excitación como energía vibracional. ii.Aplicación de la metodología CASPT2//CASSCF/AMBER al estudio de mecanismos de fotoestabilidad en la proteína gamma-B-cristalina, que forma (junto con otras proteínas cristalinas) el cristalino del ojo humano. Especialmente, se destaca el papel que puede jugar el elemento denominado "Tyrosine corner", una parte seleccionada de la cadena proteica que permite un giro de aproximadamente 180? a través de un enlace de hidrógeno entre la cadena principal y el grupo lateral de una tirosina. iii.Desarrollo de un método de determinación cuantitativa de la energía de excitación de un cromóforo con diferente sustitución, en el caso de que la sustitución química afecte al cromóforo solo a nivel estructural y no a la naturaleza electrónica del estado excitado considerado. iv.Tratamiento de los efectos del entorno sobre un interruptor molecular inducido por luz, como fuerzas externas que actúan en los dos extremos del cromóforo. En el caso del azobenceno (uno de los interruptores moleculares inducidos por luz más empleado), los isómeros cis y trans muestran una fotosensibilidad considerable respecto a las fuerzas aplicadas, permitiendo la modulación de la longitud de onda del máximo de absorción

Computer simulation of biomolecular solvation, recognition and proton transfer equilibria

In the past decays, computer simulations technique became a powerful tool in biophysics, material sciences as well as in energy chemistry. Computer simulations, especially molecular dynamics (MD) simulation, can provide the ultimate detail concerning individual particle motions as a function of time, therefore, in today\u27;s research, computer simulations are used to address many specific questions and details that are of interest for biomolecular functions. In this thesis, we studied several biological/chemical systems using standard and variant molecular dynamics simulation techniques. In the simulations of polyproline peptides interacting with their binding domains, we identified the solvent conformations of the unbounded peptides: the formation of a PPII helix of the peptide is not induced by the binding processes alone. Peptide docking and subsequent MD simulations of the G8X mutants identified an alternative binding mode, where a shift in register for the interacting prolines was observed. In the calculation of the solvation free energies of peptides of various lengths using the multiconfiguration thermodynamic integration and the Generalized born surface area implicit solvent model, non-additivity of the solvation free energies is found by both methodologies for peptides shorter than 5 residues. This nonadditivity shows that the design of simplified models, where peptides and proteins are composed of residue-beads and interactions are modeled additively, appears challenging. We also investigated the dynamic protonation equilibria of acetic acid (AC-/ACH) and 4-methylimidazole (4MIH+/4MI) in aqueous solution with nearby proton accepting groups using the Q-HOP MD methods. In the simulations of acetic acid, we observed two different regimes of proton transfer: Extended phases of frequent proton swapping between acetic acid and nearby water were separated by phases where the proton freely diffuses in the simulation box until it is captured again by acetic acid. In the studied of 4-methylimidazole in aqueous solution and with nearby proton accepting groups, qualitatively different protonation behavior of 4- methylimidazole compared to that of acetic acid was found: On one hand, 4MIH+ has a high tendency to keep a proton once it is bound. On the other hand, 4MI has a relatively small proton capture radius, making it very hard to attract protons from long distances. Protonated acetic acid can easily share the proton with close titratable groups even if the acceptor group has a low pKa. Moreover, AC- has a large proton capture radius, making it a perfect proton "capturer".In den letzten Jahrzehnten entwickelten sich Computersimulationen zu einem leistungsstarken Instrument in den Bereichen Biophysik, Materialwissenschaft und Chemie. Insbesondere Moleküldynamik- (MD) Simulationen können detaillierte Informationen über individuelle Partikelbewegungen als Funktion über die Zeit liefern, weswegen in der heutigen Forschung solche Computersimulationen zur Klärung zahlreicher spezifischer Fragen und Details eingesetzt werden, die für biomolekulare Funktionen von Bedeutung sind. In dieser Arbeit untersuchte ich verschiedene biologische und chemische Systeme unter Verwendung von Standard- und alternativen Moleküldynamik-Simulationen. In Simulationen von Polyprolin- Peptiden, die mit ihren Bindungsdomänen interagieren, identifizierte ich die Solvenskonformation von ungebundenen Peptiden. Dabei zeigte sich, dass die Bildung einer PPII-Helix des Peptids nicht ausschließlich durch den Bindungsprozeß zustande kommt. Mit Hilfe von Peptid-Docking und anschließenden MDSimulationen der G8X Mutante konnte ein alternativer Bindungsmodus aufgespürt werden, bei dem eine positionelle Verschiebung der an der Interaktion beteiligten Proline beobachtet wurde. Bei der Berechnung von freien Solvatationsenergien von Peptiden unterschiedlicher Länge mit Hilfe von "multiconfiguration thermodynamic integration" und dem "generalized born surface area implicit solvent model", wurde eine Nichtadditivität der freien Solvatationsenergien von beiden Methoden für Peptide mit weniger als fünf Residuen festgestellt. Diese Nicht-Additivität zeigt, dass das Design von vereinfachten Modellen, in denen Peptide und Proteine aus "residue beads" bestehen und Interaktionen additiv modelliert werden, eine Herausforderung darstellt. Ich untersuchte ferner das dynamische Protonierungsgleichgewicht von Essigsäure (AC-/ACH) und 4-Methylimidazol (4MIH+/4MI) in wäßriger Lösung mit benachbarten Protonen-Akzeptorgruppen unter Verwendung der Q-HOP MDMethoden. In den Simulationen mit Essigsäure beobachtete ich zwei verschiedene Systeme von Protontransfers. Ausgedehnte Phasen von häufigen Protonensprüngen zwischen Essigsäure und benachbarten Wassermolekülen können von Phasen unterschieden werden, in denen sich das Proton frei in der Simulationsbox bewegt, bis es wieder von einem Essigsäuremolekül eingefangen wird. Während der Untersuchung von 4-Methylimidazol in wäßriger Lösung mit benachbarten Protonakzeptorgruppen wurde eine qualitativ unterschiedliche Protonierung von 4- Methylimidazol im Vergleich zur Essigsäure beobachtet. Zum einen wies 4MIH+ eine starke Tendenz dazu auf, an dem Proton festzuhalten, sobald es gebunden war, andererseits kann 4MI nur innerhalb eines relativ kleinen Radius Protonen einfangen, so daß es ihm sehr schwer fällt, weiter entfernte Protonen anzuziehen. Protonierte Essigsäure kann das Proton leicht an nahe gelegene titrierbare Gruppen abgeben, selbst wenn der Akzeptor nur einen geringen pKa-Wert hat. Darüber hinaus verfügt AC- über eine weiten Protoneneinfang-Radius, der es zu einem perfekten "Protonenfänger" macht