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Zusammenfassung:
In dieser Dissertationsschrift haben wir unser Verständnis der Hydratation
gelöster Moleküle durch die detaillierte Analyse der Dynamik und Thermodynamik des Lösungsmittels vertieft. Zu diesem Zweck, haben wir Molekular-
Dynamik-Simulationen solvatisierter Ionen, Edelgas-Atome, kleinen Molekülen,
und von Enzymen wie der Membran-Typ-1 Matrix-Metallo-Proteinase (MT1-MMP) und der künstlich entwickelten Kemp-Eliminasen, KE07 und KE70,
analysiert. Insbesondere haben wir existierende empirische Kraftfeld-Potentiale
modifiziert um eine realistische Beschreibung der Koordination des katalytisch
aktiven Metall-Ionen-Zentrums im MT1-MMP Enzym, sowie die Ladungsverteilung in seiner Umgebung, korrekt zu ermöglichen, während für Simulationen der Kemp Eliminasen ein fortschrittliches polarisierbares Kraftfeld
verwendet wurde. Unsere Analysemethoden erlauben es die Schwingungsfreiheitsgrade von Wassermolekülen im fern-infraroten/Terahertz Frequenzbereich (0–30 THz), die Entropie von Hydratwasser-Molekülen, und lokale poten-
tielle Energiebeiträge durch Wechselwirkungen zwischen dem gelösten Molekül
und dem umgebenden Lösungsmittel, sowie durch Interaktionen zwischen den
Lösungsmittel-Molekülen, mit hoher räumlicher Auflösung zu berechnen. Mit
dieser Methode untersuchen wir den Einfluss von gelöster Ionen auf das umgebende Wasserstoffbrücken-Bindungs-Netzwerk, dessen Schwingungsspektrum,
und sich daraus ergebende thermodynamische Eigenschaften. Wir definieren
unterschiedliche Klassifizierungs-Schemata, basierend auf den Schwingungsfreiheitsgraden, lokalen Diffusionseigenschaften und der lokalen Teilchendichte
von Wassermolekülen, um unterschiedliche Klassen von Hydrat-Wasser-Spezies
in der Solvatations-Umgebung untersuchter gelöster Moleküle zu identifizieren.
In jedem einzelnen Fall waren wir in der Lage Variationen in der lokalen Entropie von Hydratwasser-Moleklen spezifischen
Änderungen intermolekularer
Schwingungen zwischen den Wassermolekülen zuzuordnen. Dies stellt eine
wichtige Verbindung zur thermodynamischen Interpretation von Schwingungs-
Signaturen her, welche mittels THz-Absorptions und Raman-spektroskopischen
Methoden untersucht werden können. Unsere Ergebnisse heben die heterogenen Eigenschaften der Hydrathülle von Proteinen hervor, welche von Variationen der lokalen Krümmung der Protein-Oberfläche und die grosse Anzahl
unterschiedlicher funktioneller Gruppen verursacht wird. Wir haben gezeigt,
dass die Geometrie der Protein-Oberfläche, quantifiziert anhand der Anzahl
von Proteinatomen in der Umgebung eines Hydratwassermoleküls, zusammen
mit den chemischen Eigenschaften von funktionellen Gruppen, die Dynamik
und Thermodynamik des Hydratwassers beeinflusst. Für KE07 und KE70 und
ihre mutierten Varianten haben wir Unterschiede in den Hydratations-Profilen
während der katalytischen Aktivität untersucht. Darüber hinaus haben wir
den Einfluss gesteuerter künstlicher Evolution auf die Hydratisierung der
katalytischen Zentren der Enzyme untersucht. Für KE07 resultiert die ges-
teuerte künstliche Evolution in einer Reduzierung der Schwankungen in der
Hydratation des polaren katalytischen Zentrums während der Bindung des
Substrats durch den Erhalt starker Protein–Wasser Wechselwirkungen. Bei
der KE70 Variante des Enzyms zeichnet sich das katalytische Zentrum durch
eine signifikant erhöhte Hydrophobizität aus, für das die Verdrängung von
Wassermolekülen mit einer niedrigen Entropie substanziell erhöht ist. Für
den Übergangszustand dieser Enzyme haben wir nur geringfgige Änderungen
in der Solvatisierung beobachtet, welche durch die gesteuerte künstliche Evolution weniger beeinflusst wurden.
