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Abstract:
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 potentielle 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 gesteuerte 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.
