Dokument: Computational Investigations of the Biocatalytic, Photophysical and Spectroscopic Properties of Flavins and Flavoproteins

Titel:	Computational Investigations of the Biocatalytic, Photophysical and Spectroscopic Properties of Flavins and Flavoproteins
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=33579
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150305-100940-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Karasulu, Bora [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 23,54 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.03.2015 / geändert 04.03.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Thiel, Walter [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Marian, Christel M. [Betreuer/Doktorvater]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	This dissertation addresses three different aspects of the interdisciplinary research on flavins and flavoproteins, which have been shown to be responsible for a myriad of essential biological, chemical and physical phenomena, from a computational point of view. Sections of the dissertation are outlined below. Amine Oxidation Mediated by Flavin-dependent Catalysts. The main goal of this part was to probe at the molecular level the catalytic mechanism of the rate-limiting oxidation step of a typical amine demethylation, a common process in diverse biochemical processes. Models were created for the active site of two amine oxidases, lysine-specific-demethylase-1 (LSD1) and N-methyltryptophan oxidase (MTOX) that utilize a covalently or noncovalently bound flavin adenine dinucleotide (FAD) as cofactor. The model systems were studied using quantum mechanics (QM) and hybrid QM/molecular mechanics (QM/MM) methods, along with classical molecular dynamics (MD) simulations, to identify the most feasible of the proposed pathways for amine oxidation and to explain the role of active-site residues in the reaction. Photophysics and Photochemistry of Flavin Derivatives. In this part, we focus on the excited-state properties of nine different natural and artificial riboflavin (RF) analogs. We provide an in-depth computational analysis of the photophysics and photodynamics of these flavins using time-dependent density functional theory (TD-DFT) and combined DFT/multi-refence configuration interaction (MRCI) methods. On the basis of this analysis, we identify the most plausible mechanism for the intramolecular charge transfer occurring in a natural RF analog, roseoflavin (RoF). In addition, we assess the potential of eight artificial flavin derivatives to replace wild-type RF in blue-light photoreceptor flavoproteins with the aim of realizing the relevant photoinduced processes with lower energy input. Optical Spectroscopy of Flavin Derivatives. Finally, we address the optical spectra of flavin derivatives using computational methods for simulating vibrationally broadened UV-vis spectra that are based on the Franck-Condon (FC) principle. We introduce a new technique that combines the vertical FC scheme with curvilinear displacements and compare its performance to previous schemes with rectilinear displacements. Thereafter we present a comprehensive benchmark of the performance of most FC-based spectroscopic simulation methods using a carefully chosen set of three flavins with distinctive structural features. In dieser Arbeit werden drei Themenbereiche aus der interdisziplinären Forschung zu Flavinen und Flavoproteinen mit den Methoden der Theoretischen Chemie behandelt. Flavine sind verantwortlich für eine Vielzahl von essentiellen biologischen, chemischen und physikalischen Phänomenen. Aminoxidation durch Flavin-abhängige Katalysatoren. Das Hauptziel dieses Teils war es, den katalytischen Mechanismus einer typischen Amindemethylierung in seinem ratenbestimmenden Schritt auf molekularem Niveau zu modellieren. Hierzu wurden Modelle von zwei Aminoxidasen erstellt, Lysin-spezifische Demethylase 1 (LSD1) und N-Methyltryptophan Oxidase (MTOX), die kovalent oder nicht-kovalent gebundenes Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) als Cofaktor nutzen. Die Modellsysteme wurden mit Hilfe von quantenmechanischen (QM) und gekoppelten QM/Molekularmechanik (QM/MM) Methoden untersucht, begleitet von klassischen Molekulardynamik (MD) Simulationen, um den bevorzugten Mechanismus zu identifizieren und die Rolle der Aminosäuren in der aktiven Tasche der Enzyme zu verstehen. Photophysik und Photochemie von Flavinderivaten. Dieser Teil widmet sich den Eigenschaften der elektronisch angeregten Zustände in neun Riboflavinanaloga natürlichen oder künstlichen Ursprungs. Hierzu wurde eine detaillierte computergestützte Analyse der Photophysik und Photodynamik dieser Flavine durchgeführt, mit Hilfe von zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT) und einer Kombination aus DFT und Multireferenz-Konfigurationswechselwirkung (DFT/MRCI). Aus den Ergebnissen konnte auf den plausibelsten Mechanismus für den intramolekularen Ladungstransfer in einem natürlichen Riboflavinanalog, Roseoflavin (RoF), geschlossen werden. Zusätzlich wurde das Potential von acht künstlichen Flavinderivaten hinsichtlich ihrer Nutzung in Flavin-abhängigen Blaulichtrezeptoren evaluiert, mit dem Ziel, die gewünschten Photoprozesse mit niedrigerer Anregungsenergie induzieren zu können. Optische Spektroskopie von Flavinderivaten. Im letzten Teil wurden die optischen Spektren von Flavinderivaten untersucht, unter Verwendung von Rechenmethoden zur Simulation von vibrationsverbreiterten UV/Vis Spektren, welche auf dem Franck-Condon (FC) Prinzip beruhen. Hierfür wurde eine neue Methode entwickelt, die das bekannte vertikale FC Schema in krummlinigen Koordinaten implementiert, gefolgt von einem Vergleich mit den üblichen FC-basierten Rechenverfahren in cartesischen Koordinaten. Mit Hilfe der entwickelten Software wurde ein umfassender Benchmark zur Leistungsfähigkeit von (fast) allen möglichen FC-basierten Simulationsmethoden zur Spektrenberechnung erstellt, anhand von drei sorgfältig ausgewählten Flavinen mit bestimmten Struktureigenschaften.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Theoretische Chemie und Computerchemie
Dokument erstellt am:	05.03.2015
Dateien geändert am:	05.03.2015
Promotionsantrag am:	10.12.2014
Datum der Promotion:	11.02.2015