Nowadays, computational-aided investigations become an essential part in the chemical, biochemical or pharmaceutical research. With increasing computing power, the calculation of larger biological systems becomes feasible. In this work molecular mechanical (MM) and quantum mechanical approaches (QM) and the combination of both (QM/MM) have been applied to study several questions which arose from different working groups. Thus, this work comprises eight different subjects which deals with chemical reactions or proton transfer in enzymes, conformational changes of ligands or proteins and verification of experimental data. This work firstly deals with reaction mechanisms of aromatic inhibitors of cysteine proteases which can be found in many organisms. These enzymes are responsible for various cancer or diseases as for example Human African Trypanosomiasis (HAT) or the Chagas disease. Aromatic SNAr-type electrophiles might offer a new possibility to covalently modify these proteases. Quantum mechanical calculations have been performed to gain insights into the energetics and possible mechanisms. The next chapter also deals with Trypanosomiasis but the focus was set on a different enzyme. The particularity of Trypanosomiasis is the thiol metabolism which can also be modified by covalent inhibitors. In this context, the wild type and point mutations of the enzyme tryparedoxin have been investigated via molecular dynamic (MD) simulations to examine the influence of specific amino acids in regard to the inhibitor. Experimental data showed that a dimerization of the enzyme occurs if the inhibitor is present. Simulations revealed that the stability of the dimer decreases in absence of the inhibitor and thus confirms these experiments. Further investigations concerning cysteine proteases such as cruzain and rhodesain have been conducted with respect to experimental kinetic data of covalent vinylsulfone inhibitors. Several approaches such as QM or QM/MM calculations and docking, MD or MMPBSA/MMGBSA simulations have been applied to reproduce these data. The utilization of force field approaches resulted in a qualitatively accurate prediction. The kinase AKT is involved in a range of diseases and plays an important role in the formation of cancer. Novel covalent-allosteric inhibitors have been developed and crystallized in complex with AKT. It was shown that depending on the inhibitor a different cysteine residue is modified. To investigate these differences in covalent modification computational simulations have been applied. Enoyl-(acyl carrier) (ENR) proteins are essential in the last step of the fatty acid biosynthesis II (FAS) and represent a good target for inhibition. The diphenylether inhibitor SKTS1 which was originally designed to target the ENR’s of Staphylococcus aureus was also crystallized in InhA, the ENR of Mycobacterium tuberculosis (TB). Crystal structures indicate a change of the inhibitor's tautomeric form. This subject was investigated via MD simulations. Results of these simulations confirmed the tautomerization of the inhibitor. This work also deals with the development of a covalent inhibitor originating from a non-covalent ligand. The target FadA5 is an essential enzyme for the degradation of steroids in TB and is responsible for chronic tuberculosis. This enzyme was crystallized in complex with a non-covalent ligand which served as starting point for this study. Computations on QM or QM/MM level and docking and MD simulations have been applied to evaluate potential candidates. The next chapter focuses on the modification of the product spectrum of Bacillus megaterium levansucrase, a polymerase which catalyzes the biosynthesis of fructans. The covalent modification of the wild type or mutants of the enzyme lead to an accumulation of oligosaccharides but also to polymers with higher polymerization degree. To understand these changes in product spectra MD simulations have been performed. Finally, the proton transfer in catalytic cysteine histidine dyads was investigated. The focus was set on the influence of the relaxation of the protein environment to the reaction. Calculations of the enzymes FadA5 and rhodesain revealed that the preferred protonation state of the dyade depends on the protein environment and has an impact on the reaction barrier. Furthermore, the adaptation of the environment to a fixed protonation state was analyzed via MD simulations. / Heutzutage sind computergestützte Untersuchungen ein essentieller Teil in der chemischen, biochemischen oder pharmazeutischen Forschung. Durch die in den Jahren gestiegene Rechenleistung ist die Berechnung biologischer Systeme möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden molekularmechanische (MM) und quantenmechanische (QM) Methoden sowie die Kombination beider (QM/MM) für verschiedene Studien eingesetzt, die teilweise aus Fragestellungen verschiedener Arbeitsgruppen hervorgegangen sind. Dadurch umfasst diese Arbeit acht verschiedene Themenkomplexe, bei denen chemische Reaktionen, aber auch der Protonentransfer in Enzymen, Konformationsänderungen von Liganden oder Proteinen und die Verifizierung experimenteller Daten im Fokus standen. Die Arbeit befasst sich anfangs mit Reaktionsmechansimen aromatischer Inhibitoren für Cysteinproteasen, Enzyme, welche in vielen Organismen enthalten sind. Diese Enzyme sind für verschiedene Karzinome oder Krankheiten wie der Afrikanischen Trypanosomiasis oder der Chagas-Krankheit verantwortlich. Aromatische SNAr-Elektrophile bieten hierbei eine neue Möglichkeit der kovalenten Modifikation dieser Proteasen. Quantenmechanische wurden durchgeführt, um Einblicke in die Energetik und mögliche Mechanismen zu erhalten. Das nächste Kapitel befasst sich ebenfalls mit Trypanosomiasis, setzt aber den Fokus auf ein anderes Enzym. Die Besonderheit von Trypanosomiasis ist der Thiol Metabolismus, welcher durch kovalente Inhibitoren modifiziert werden kann. In diesem Kontext wurden der Wildtyp und Punktmutationen des Enzyms Tryparedoxin mittels Molekulardynamik Simulationen untersucht, um Interaktionen einzelner Aminosäuren mit dem kovalenten Inhibitor zu evaluieren. Experimentelle Daten zeigten, dass eine Dimerisierung des Enzyms in Anwesenheit des Inhibitors stattfindet. Durch MD-Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Stabilität des Dimers in Abwesenheit des Inhibitors sinkt, wodurch experimentellen Daten bestätigt wurden. Weitere Untersuchungen zu Cysteinproteasen wie Cruzain und Rhodeasin wurden durchgeführt, um experimentelle kinetische Daten von kovalenten Vinylsulfon Inhibitoren zu reproduzieren. Hierbei wurden Methoden wie QM oder QM/MM Rechnungen aber auch Docking, MD und MMPBSA/MMGBSA Simulationen angewandt, um diese Daten zu reproduzieren. In den Untersuchungen zeigte sich, dass die Verwendung der Kraftfeld-basierten Methoden zu qualitativ richtigen Vorhersagen führte. Die Kinase AKT ist in einer Reihe von Krankheiten involviert und spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Krebs. Neue kovalent-allosterische Inhibitoren wurden entwickelt und im kovalenten Komplex mit AKT kristallisiert. Die Kristallstrukturen zeigten, dass je nach Inhibitor ein anderes Cystein adressiert wurde. Um diese Unterschiede zu untersuchen, wurden computergestützte Simulationen verwendet. Enoyl-(acyl carrier) (ENR) Proteine sind essentiell für den letzten Schritt in der Fettsäurebiosynthese II (FAS) und bilden ein gutes Target zur Inhibition. Der Diphenylether Inhibitor SKTS1, welchen man ursprünglich als Target für den ENR von Staphylococcus aureus entwarf, wurde auch in InhA, dem ENR von Mycobacterium Tuberculosis (TB), kristallisiert. Die Kristallstrukturen weisen je nach Protein auf einen Wechsel der tautomeren Form des Inhibitors hin. Dieser Sachverhalt wurde mittels MD Simulationen untersucht. Hierbei zeigten die Ergebnisse eine Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Diese Arbeit befasst sich ebenfalls mit der Entwicklung eines kovalenten Inhibitors ausgehend von einem nicht-kovalenten Liganden. Das Target FadA5 ist ein integrales Enzym zur Degradation von Steroiden in TB und ist für die chronische Tuberkulose verantwortlich. Dieses Enzym wurde im Komplex mit einem nicht-kovalenten Liganden kristallisiert, welches als Startpunkt dieser Untersuchungen diente. QM, QM/MM, Docking und MD Simulationen wurden hierbei verwandt, um potentielle Kandidaten zu evaluieren. Das nächste Kapitel befasst sich mit der Modifikation des Produktspektrums von Bacillus megaterium Levansucrase, eine Polymerase, welche die Biosynthese von Fruktanen katalysiert. Durch kovalente Modifikatoren im Wildtyp oder bei Mutanten des Enzyms konnte sowohl eine Anreicherung von Oligosacchariden, aber auch von Polymeren mit höherem Polymerisationsgrad erzielt werden. Um diese Änderungen im Produktspektrum zu verstehen, wurden MD Simulationen durchgeführt. Schließlich wurde die Untersuchung des Protonentransfers in katalytischen Cystein Histidin Dyaden durchgeführt. Hierbei stand der Einfluss der Relaxation der Proteinumgebung auf diese Reaktion im Fokus. Berechnungen in den Enzymen FadA5 und Rhodesain zeigten, dass der präferierte Protonierungszustand der Diade von der Proteinumgebung abhängt und einen großen Einfluss auf die Reaktionsbarriere hat. Um dynamische Effekte einzubeziehen, wurde die Adaption der Umgebung auf einen fixierten Protonierungszustand mittels MD Simulationen analysiert.

In dieser Arbeit wurde die unimolekulare Dissoziations- und Rekombinations-Reaktion von Jodmolekülen untersucht, die in mikroporösen Porosil-Kristalliten eingelagert waren. Hierfür wurden sowohl experimentelle Pump-Probe-Experimente als auch theoretische Untersuchungen auf der Femtosekunden-Zeitskala durchgeführt. Die Idee, die diesen Experimenten zugrunde lag, bestand darin, zu erfahren, in welcher Weise und in welchem Maße die Struktur der Umgebung einen Einfluss auf die elementaren dynamischen Prozesse der Reaktion ausübt. Die hier untersuchten Systeme I$_2$ in DDR-, TON-, FER- und MFI-Porosilen sind Modellsysteme für komplexere Moleküle, eingelagert in einer mikroporösen kristallinen Umgebung. / The thesis presents experimental as well as theoretical investigations of the unimolecular reaction of iodine molecules embedded in different porosils. The elementary steps of the reaction could be accessed using femtosecond time-resolved pump-probe spectroscopy. The main goal of the research work was to learn more about the influence of the surroundings of the reacting molecules on the reaction dynamics resulting in dissociation and recombination processes. The iodine molecules enclosed in varying geometrical structures of DDR, TON, FER, and MFI porosils can be considered models for more complex molecular systems even including elementary catalytical processes in the microporous zeolites.

In this work, the laser control of molecules was investigated theoretically. In doing so, emphasis was layed on entering vectorial properties and in particular the orientation in the laboratory frame. Therefore, the rotational degree of freedom had to be included in the quantum mechanical description. The coupled vibrational and rotational dynamics was examined, which is usually not done in coherent control theory. Local control theory was applied, where the field is determined from the dynamics of a system, which reacts with an instantaneous response to the perturbation and, in turn, determines the field again. Thus, the field is entangled with the quantum mechanical motion and the presented examples document, that this leads to an intuitive interpretation of the fields in terms of the underlying molecular dynamics. The limiting case of a classical treatment was shown to give similar results and hence, eases to understand the complicated structure of the control fields. In a different approach, the phase- and amplitude shaping of laser fields was systematically studied in the context of controlling population transfer in molecules. / Das Ziel dieser Arbeit war die theoretische Analyse der Laserkontrolle von Molekülen. Ein Schwerpunkt lag dabei auf vektoriellen Eigenschaften und im Besonderen auf der Orientierung eines Moleküls im Laboratorium. Hierfür wurde der Rotationsfreiheitsgrad in die quantenmechanische Beschreibung einbezogen. Die Kopplung zwischen Vibrations- und Rotationsdynamik wurde explizit berücksichtigt, während dieser Vorgang normalerweise bei theoretischen Untersuchungen zur kohärenten Kontrolle vernachlässigt wird. Als Kontrollschema wurde die lokale Kontrolltheorie (LCT) verwendet, in der das Feld aus der Dynamik eines Systems bestimmt wird, welche sofort auf diese äußere Störung antwortet und damit wiederum das Feld bestimmt. Somit ist das Feld mit der quantenmechanischen Bewegung verknüpft. Die vorgestellten Beispiele dokumentieren, dass dies zu einer intuitiven Interpretation der Felder bzgl. der zu Grunde liegenden molekularen Dynamik führt. In der vereinfachten, klassischen Darstellung der Probleme findet man vergleichbare Resultate. Die klassische Sichtweise ermöglicht ein anschauliches Verständnis der komplizierten Strukturen der Kontrollfelder. Zusätzlich wurde mit einem anderen Ansatz die Phasen- und Amplitudenformung von Laserfeldern systematisch untersucht, wobei der Populationstransfer in Molekülen kontrolliert werden sollte.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Universiẗat, Habil.-Schr., 2002--Jena.

Funktionalisierte organische Perylenbisimidfarbstoffe (PBI) und aus Cadmiumselenid bestehende Halbleiternanokristalle werden hinsichtlich physikalischer sowie chemischer Wechselwirkungsprozesse miteinander und mit ihrer Umgebung mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht. Im Mittelpunkt der Studien an diesem organisch/anorganischen Modellsystem nanoskopischer Größe steht die Aggregatbildungskinetik und die Identifikation und Quantifizierung von Transferpozessen. Die Anbindung der gut löslichen PBI-Farbstoffe an die Oberfläche solcher Halbleiternanokristalle mittels spezieller Ankergruppen wird durch Selbstorganisation in Lösung realisiert. Die Kombination von Absorptions- und zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie zeigt einen unterschiedlich starken Einfluss von Liganden und Farbstoffen auf die Fluoreszenzlöschung der Nanokristalle und belegt, dass Resonanzenergietransfer zum Farbstoff nur in sehr geringem Maße die physikalische Ursache der Fluoreszenzlöschung ist. Die Anzahl adsorbierter Farbstoffe und die Stärke der Fluoreszenzlöschung eines einzelnen Farbstoffmoleküls werden aus zeitaufgelösten Einzelmolekülexperimenten an immobilisierten Emittern gewonnen, welche den direkten spektroskopischen Zugang zur Verteilung gebundener und freier Farbstoffe/Nanokristalle erlaubt. Darüber hinaus werden ankergruppen- und umgebungsspezifische Einflüsse auf die Konformations- und Orientierungsdynamik von Perylenbisimidmolekülen dargestellt. Abschließend werden photo-physikalische Gemeinsamkeiten chemisch unterschiedlich hervorgerufener Fluoreszenzlöschungsprozesse herausgearbeitet und im Kontext von Einzelkristall-Blinkprozessen diskutiert.

Funktionalisierte organische Perylenbisimidfarbstoffe (PBI) und aus Cadmiumselenid bestehende Halbleiternanokristalle werden hinsichtlich physikalischer sowie chemischer Wechselwirkungsprozesse miteinander und mit ihrer Umgebung mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht. Im Mittelpunkt der Studien an diesem organisch/anorganischen Modellsystem nanoskopischer Größe steht die Aggregatbildungskinetik und die Identifikation und Quantifizierung von Transferpozessen. Die Anbindung der gut löslichen PBI-Farbstoffe an die Oberfläche solcher Halbleiternanokristalle mittels spezieller Ankergruppen wird durch Selbstorganisation in Lösung realisiert. Die Kombination von Absorptions- und zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie zeigt einen unterschiedlich starken Einfluss von Liganden und Farbstoffen auf die Fluoreszenzlöschung der Nanokristalle und belegt, dass Resonanzenergietransfer zum Farbstoff nur in sehr geringem Maße die physikalische Ursache der Fluoreszenzlöschung ist. Die Anzahl adsorbierter Farbstoffe und die Stärke der Fluoreszenzlöschung eines einzelnen Farbstoffmoleküls werden aus zeitaufgelösten Einzelmolekülexperimenten an immobilisierten Emittern gewonnen, welche den direkten spektroskopischen Zugang zur Verteilung gebundener und freier Farbstoffe/Nanokristalle erlaubt. Darüber hinaus werden ankergruppen- und umgebungsspezifische Einflüsse auf die Konformations- und Orientierungsdynamik von Perylenbisimidmolekülen dargestellt. Abschließend werden photo-physikalische Gemeinsamkeiten chemisch unterschiedlich hervorgerufener Fluoreszenzlöschungsprozesse herausgearbeitet und im Kontext von Einzelkristall-Blinkprozessen diskutiert.