@phdthesis{Schinzel2009,
  author    = {Schinzel, Sandra},
  title     = {Quantum Chemical Investigations of Structure, Bonding and EPR Parameters of Manganese Complexes relevant to Photosystem II},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-35320},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Im Wasser-oxidierenden Cluster („oxygen-evolving complex", OEC) des Photosystem II findet sich die prim{\"a}re Quelle der Sauerstoffproduktion der Erde. Der OEC katalysiert in gr{\"u}nen Pflanzen unter Absorption von Sonnenlicht die Vierelektronen-Oxidation von Wasser zu Sauerstoff in einer zyklischen Sequenz von Oxidationszust{\"a}nden (Kok-Zyklus). In dieser Arbeit wurden Strukturen, Spindichteverteilungen sowie EPR-Parameter ein-, zwei- und vierkerniger Mangankomplexe, die in Bezug auf den OEC modelliert wurden, mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechnet. Hauptziel war das Verst{\"a}ndnis der molekularen und elektronischen Struktur des vierkernigen Manganclusters des OEC durch direkten Vergleich mit experimentellen EPR-Daten.},
  subject      = {DFT},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Remenyi2006,
  author    = {Remenyi, Christian},
  title     = {Density Functional Studies on EPR Parameters and Spin-Density Distributions of Transition Metal Complexes},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-19848},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {In dieser Arbeit wurden EPR-Parameter und Spindichteverteilungen von {\"U}bergangsmetallkomplexen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechnet. Um das Potential der DFT bei der Beschreibung solcher Systeme zu zeigen, wurden mehrere Validierungsstudien durchgef{\"u}hrt, die in den Kapiteln 3-5 vorgestellt werden. Die Kapitel 6-8 besch{\"a}ftigen sich dagegen eher mit konkreten chemischen Fragestellungen, die einige biologisch relevante {\"U}bergangsmetallkomplexe betreffen.},
  subject      = {Dichtefunktionalformalismus},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kacprzak2006,
  author    = {Kacprzak, Sylwia},
  title     = {Investigations of the EPR parameters of bioradicals by density functional methods},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-19108},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die quantenchemische Modellierung von Parametern der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) stellt, in Kombination mit Daten aus modernen Hochfeld-/Hochfrequenz (HF) EPR-Techniken, eine {\"u}beraus wichtige analytische Methode dar, um Einblicke in die Radikal-Protein-Wechselwirkung zu gewinnen. Diese Wechselwirkung bestimmt zu einem großen Teil die Abl{\"a}ufe radikalischer biochemischer Prozesse. In dieser Arbeit untersuchten wir in einer Reihe von Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Studien die EPR-Parameter diverser biologisch wichtiger Radikale sowie mehrerer durch Radikal-Protein-Wechselwirkungen im Photosystem I inspirierter Modellsysteme. Wir demonstrierten die Genauigkeit sowie die Kapazit{\"a}t unserer Methode, um Einblicke in die in vivo Umgebung und Reaktivit{\"a}t von Bioradikalen zu erhalten. Unser DFT-Ansatz zur Berechnung elektronischer g-Tensoren wurde auf Semichinonradikalanionen in verschiedenen Proteinumgebungen photosynthetischer Reaktionszentren angewandt. Supermolekulare Modelle wurden, basierend auf einer Kombination aus kristallographischen und quantenchemischen Strukturdaten, f{\"u}r die aktiven Zentren QA und QB bakterieller Reaktionszentren, f{\"u}r A1 des Photosystems I sowie f{\"u}r Ubisemichinon in gefrorenem 2-Propanol erstellt. Nach der Skalierung der berechneten \&\#8710;gx Komponenten um 0.92 stimmen die auf gradienten-korrigertem DFT-Niveau mit den bestenverf{\"u}gbaren Spin-Bahn-Operatoren berechneten Komponenten \&\#8710;gx sowie \&\#8710;gy mit den Hochfeld-EPR-Referenzdaten innerhalb der experimentellen Genauigkeit in allen vier untersuchten Systemen {\"u}berein. Der Einfluss verschiedener nichtkovalenter Wechselwirkungen zwischen dem Semichinon und dem Protein wurde durch das sukzessive Verkleinern der Modellsysteme studiert. Dabei wurde festgestellt, dass der Effekt der Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zu den beiden Carbonyl-Sauerstoff-Atomen der Semichinone wegen der kompensierenden Spinpolarisationseffekte nicht additiv ist. Der Effekt der Tryptophan-Semichinon \&\#61552;-Stapelung hat auf QA und A1 unterschiedliche Auswirkungen. Dies konnte auf die andersartige Ausrichtung der wechselwirkenden Fragmente sowie auf die unterschiedliche Spinpolarisation zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Im n{\"a}chsten Teil dieser Arbeit wurden Semichinone der so genannten „hoch-affinen" Bindungsstelle der Chinoloxidase (QH) untersucht. Vor kurzem durchgef{\"u}hrte Multifrequenz-EPR-Studien der QH der Chinoloxidase legten asymmetrische Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zum Semichinonradikalanion nahe. Eine einzelne Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zum O1 des Carbonyls war ein weiteres vorgeschlagenes Strukturmerkmal, das allerdings im Gegensatz zu fr{\"u}heren experimentellen Hinweisen st{\"u}nde. Wir haben DFT Berechnungen der EPR-Parameter (g-Tensoren, 13C-, 1H- und 17O-Hyperfeinkopplungstensoren) einer großen Anzahl von supermolekularen Modellkomplexen durchgef{\"u}hrt, um detaillierte Einblicke in die Zusammenh{\"a}nge zwischen Struktur, Umgebung und EPR-Parametern von Ubisemichinon-Radikalanionen zu gewinnen. Ein Bindungsmodell, das nur eine einzige Wasserstoffbr{\"u}cke ber{\"u}cksichtigt, ist demnach weder in der Lage, die experimentell beobachteten niedrigen gx-Komponenten der g-Tensoren, noch die beobachtete große Asymmetrie von 13C-Carbonyl HFC-Tensoren zu erkl{\"a}ren. Basierend auf einem detaillierten Vergleich zwischen Rechnung und Experiment wurde ein Modell mit zwei Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zu O1 und einer Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zu O4 f{\"u}r QH vorgeschlagen. Ein Modell mit jeweils einer Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung mehr kann jedoch ebenfalls nicht v{\"o}llig ausgeschlossen werden. Zus{\"a}tzlich wurden weitere erkannte Zusammenh{\"a}nge zwischen EPR-Parametern und Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen von Ubisemichinonen in Proteinen diskutiert. Theoretische Untersuchungen bez{\"u}glich des Mechanismus des Elektronentransfers im Photosystem I gaben den Anstoß, relativ kleine rotierende molekulare Motoren, bestehend aus intramolekular verbundenen Dyaden, welche eine Chinoneinheit sowie eine Pyrrol- oder Indoleinheit verkn{\"u}pfen, zu modellieren. Die Berechnungen zeigten, dass f{\"u}r einige Systeme, abh{\"a}ngig von der L{\"a}nge und den Ankn{\"u}pfungspunkten der verbundenen Ketten, eine Reduktion des Chinons zum Semichinonradikalanion oder Chinolatdianion mit einer reversiblen intramolekularen Neuorientierung weg von einer \&\#61552;-Stapelung und hin zu einer T-Stapelung auftritt. Durch die Umstrukturierung wird eine Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung der Pyrrol- oder Indol-N-H-Funktion zum Semichinon- oder Chinolat-\&\#61552;-Systems nach der Reduktion ausgebildet. In einigen Systemen bilden sich jedoch Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zum Semichinon- oder Chinolat-Sauerstoffatom aus, die gegen{\"u}ber der T-Stapelung bevorzugt werden. Die intramolekularen Wechselwirkungen ver{\"a}ndern das Redoxpotential des Chinons. Der elektronische g-Tensor, welcher f{\"u}r die Semichinone berechnet wurde, beweist eindeutig das Vorhandensein dieser Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zum Semichinon. g-Tensoren stellen somit eine geeignete Kenngr{\"o}ße in der EPR Spektroskopie dar, um strittige Strukturen aufzukl{\"a}ren. Wir halten auch einen intramolekularer Protonentransfer im dianionischen Zustand f{\"u}r m{\"o}glich. Im Gegensatz zu Semichinonen welche paramagnetische Zust{\"a}nde von Enzymen-Cofaktoren darstellen sind Glyclradikale echte Proteinradikale. Als Schritt zum tiefer gehenden Verst{\"a}ndnis von EPR-Parametern des Glycylradikals in Proteinen wurden die Hyperfeinkopplungstensoren und insbesondere der g-Tensor des N-Acetylglycyls durch systematische hochgenaue quantenchemischen Berechnungen an diversen geeigneten Modellsystemen untersucht. Die quantitative Berechnung von g-Tensoren f{\"u}r solche Glycyl-{\"a}hnlichen Radikale ist eine enorme Herausforderung, insbesondere wegen der sehr kleinen g-Anisotropie. Diese ist zudem mit einer nichtsymmetrischen delokalisierten Spindichteverteilung auf verschiedene Atome des Molek{\"u}ls verbunden, die mit vergleichbaren Spinbahneffekten zum g-Tensor beitragen. Die Wahl eines geeigneten Eichursprungs des magnetischen Vektorpotentials und geeigneter Spin-Bahn-Operatoren, gestaltete sich weitaus anspruchsvoller als in vorausgegangen Arbeiten zu g-Tensoren organischer Radikale. Umgebungseffekte, die durch supermolekulare Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungs-Modelle ber{\"u}cksichtigt wurden, stellen sich hingegen als nicht so schwerwiegend heraus, zum Teil durch die gegenseitige Kompensierung des Einflusses von intramolekularen und intermolekularen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen. Den gr{\"o}ßten Einfluss auf den g-Tensor {\"u}bt die Konformation des Radikals aus. Die angewendete DFT Methode {\"u}bersch{\"a}tzt systematisch sowohl die \&\#8710;gx als auch die \&\#8710;gy Komponente des g-Tensors. Dieses Ergebnis ist wichtig f{\"u}r Untersuchungen von Protein-Glycyl-Radikalen (siehe weiter unten). Die 1H\&\#61537; und 13C\&\#61537; Hyperfeinkopplungen h{\"a}ngen nur wenig von den gew{\"a}hlten supermolekularen Modellen ab und scheinen weniger empfindlich gegen{\"u}ber der genauen Struktur und Umgebung des Molek{\"u}ls zu sein. Die Anzahl der bekannten Enzyme, die als funktionelle Gruppe ein Glycyl-Radikal besitzen, wird immer gr{\"o}ßer. Wir f{\"u}hrten in dieser Arbeit eine systematische quantenchemische Studie zur Spindichteverteilung, elektronischem g-Tensor und Hyperfeinkopplungskonstanten diverser Modelle von Protein-gebundenen Glycylradikalen durch. Wie schon bei N-Acetylglycyl gesehen (siehe oben) stellt auch hier die geringe g-Anisotropie dieses delokalisierten, asymmetrischen Systems selbst f{\"u}r moderne Rechenmethoden eine betr{\"a}chtliche Herausforderung dar. Dies betrifft zum einen die Qualit{\"a}t der Strukturoptimierung, zum anderen die Wahl des Spin-Bahn-Operators und des Eichursprungs des magnetischen Vektorpotentials. Umgebungseffekte aufgrund der Ausbildung von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen h{\"a}ngen in komplizierter Weise von den verschiedenen intramolekularen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen verschiedener Konformationen des Radikals ab. Die jeweilige Konformation hat insgesamt gesehen die gr{\"o}ßte Auswirkung auf den berechneten g-Tensor (jedoch weniger auf den Hyperfeinkopplungstensor). Wir diskutierten dies im Zusammenhang verschiedener g-Tensoren, welche vor kurzem durch Hochfeld-EPR Messungen f{\"u}r drei verschiedene Enzyme erhalten wurden. Basierend auf den Resultaten der Kalibrierungsstudie an N-Acetylgylcyl, schlagen wir vor, dass das Glycylradikal, welches f{\"u}r die E.coli anaerobische Ribonucleotid Reductase (RNR) beobachtet wurde, eine gestreckte Konformation besitzt, die sich von derjenigen der entsprechenden Radikale der Pyruvat Format-Lyase (PFL) oder Benzylsuccinatsynthase (BSS) unterscheidet.},
  subject      = {Biologisches System},
  language  = {en}
}