@phdthesis{Schlund2007,
  author    = {Schlund, Sebastian},
  title     = {Quantifying Non-covalent Interactions - Rational in-silico Design of Guanidinium-based Carboxylate Receptors},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-24388},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {Die nat{\"u}rlichen Vorbilder effektiver Anionenrezeptoren sind Enzyme, welche oftmals Arginin als entscheidende Aminos{\"a}ure in der Bindungstasche tragen. Die positiv geladenene Guanidiniumgruppe, wie sie in der Seitenkette von Arginin vorkommt, ist daher das zentrale Strukturmerkmal f{\"u}r viele k{\"u}nstliche Anionenrezeptoren. Im Jahre 1999 gelang es Schmuck und Mitarbeitern eine neue Klasse von Guanidinium-basierten Oxoanionenrezeptoren zu entwickeln, die Carboxylate sogar in w{\"a}ssrigen Medien binden k{\"o}nnen. Die Bindungsmodi der 2-(Guanidiniocarbonyl)-1H-pyrrole basieren auf einer Kombination von einzeln betrachtet schwachen nicht-kovalenten Wechselwirkungen wie Ionenpaarbildung und multiplen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zwischen k{\"u}nstlichem Rezeptor und Substrat. Durch Substitution einer Carboxylatgruppe in Position 5 des Pyrrolringes erh{\"a}lt man ein zwitterionisches Derivat welches sich in Wasser mit einer Assoziationskonstante von sch{\"a}tzungsweise 170 M-1 zu einzelnen Dimeren zusammenlagert (Dimer 1). Um das Strukturmotiv hinsichtlich einer noch effektiveren Anionenbindung weiter verbessern zu k{\"o}nnen, ist es daher von großem Interesse, die verschiedenartigen intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den beiden monomeren Einheiten von Dimer 1 zu quantifizieren. Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene theoretische ab initio Studien durchgef{\"u}hrt, um die Einfl{\"u}sse von intrinsischen Eigenschaften sowie von Solvenseffekten auf die Stabilit{\"a}t sich selbst zusammenlagernden Dimeren aufzukl{\"a}ren. In Kapitel 4.1 wurden die molekularen Wechselwirkungen im Dimer 1 durch Vergleich mit verschiedenen „Knock-out" Analoga untersucht. In diesen Analoga wurden einzelne Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen durch Substitution von Wasserstoffdonoren mit Methylengruppen oder Etherbr{\"u}cken ausgeschaltet. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwendung eines vereinfachten Kontinuum-Solvensmodells nicht ausreicht, die absoluten Energien der „Knock-out" Analoga in stark polaren L{\"o}sungsmitteln vorherzusagen, jedoch k{\"o}nnen die berechneten Trends Auskunft {\"u}ber die relativen Stabilit{\"a}ten geben. In Kapitel 4.2 wurde die strukturelle {\"A}hnlichkeit von Arginin mit Struktur 1 ausgenutzt, um die Abh{\"a}ngigkeit der St{\"a}rke der Dimerisierung von der Flexibilit{\"a}t der molekularen Struktur eingehender zu untersuchen. In Kapitel 4.2.1 wurden neue globale Minimumsstrukturen des kanonischen und zwitterionischen Arginins in der Gasphase bestimmt. Dies geschah mit Hilfe von umfangreichen kraftfeldbasierten Konformationssuchen in Verbindung mit ab initio Strukturoptimierungen der energetisch niedrigsten Konformere. Die meisten der neu identifizierten Minimumskonformere sowohl des zwitterionischen als auch des kanonischen Tautomers zeigten geometrische Anordnungen mit bis dahin unbekannten gestapelten Orientierungen der endst{\"a}ndigen Gruppen. Es wurde letztendlich eine neuartige globale Minimumsstruktur (N1) gefunden, welche eine um mehr als 8 kJ mol-1 niedrigere Energie besitzt als die bislang ver{\"o}ffentlichten Konformere. Die gleiche Strategie f{\"u}r das Auffinden von energetischen Minimumskonformeren, wie sie bereits f{\"u}r das Arginin Monomer benutzt wurde, wurde auch im Falle der Dimere von Arginin verwendet. Im Gegensatz zu vorhergehenden theoretischen Untersuchungen ist die neue globale Minimumsstruktur ungef{\"a}hr 60 kJ mol-1 stabiler und weist ebenfalls eine gestapelte Orientierung der Guanidinium- und Carboxylatgruppen auf. Der Einfluss der Rigidit{\"a}t auf die Dimerstabilit{\"a}t wurde durch Berechnungen eines k{\"u}nstlich versteiften Arginin Dimersystems bewiesen. Die hohe Bindungsaffinit{\"a}t des Dimers 1 ergibt sich daher zu etwa 50\% aus der Rigidit{\"a}t der Monomere, welche jegliche intramolekulare Stabilisierung verhindert. Um Vorschl{\"a}ge f{\"u}r ein verbessertes Carboxylatbindungsmotiv machen zu k{\"o}nnen, wurden in Kapitel 4.3 neuartige Strukturmotive mit ver{\"a}nderten Ringsystemen auf DFT Niveau untersucht. Die direkte Abh{\"a}ngigkeit der Dimerisierungsenergie von einem zunehmenden Dipolmoment wurde durch verschiedene anellierte Ringstrukturen bewiesen. Der Einfluss der Delokalisierung in den Monomeren auf die Dimerisierungsenergie wurde durch Ver{\"a}nderung der Elektronenstruktur von elektronisch entkoppelten Biphenylenen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Carbonylfunktion haupts{\"a}chlich f{\"u}r eine gute Pr{\"a}organisation verantwortlich ist, wohingegen der Effekt auf die Azidit{\"a}t eine geringere Bedeutung besitzt. Im letzten Kapitel wurden Kooperativit{\"a}tseffekte in supramolekularen Systemen untersucht. Als Modellsysteme dienten hierbei Adenosin-Carbons{\"a}ure-Komplexe, deren berechnete NMR Verschiebungen mit experimentellen Niedrigtemperatur-NMR-Studien verglichen wurden. Wir konnten zeigen, dass nur durch die Verwendung von schwingungsgemittelten NMR Verschiebungen die experimentelle Protonenverschiebung reproduziert werden kann, welche unter Tieftemperaturbedingungen im Austauschregime von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen erhalten wurde.},
  subject      = {nicht-kovalente Wechselwirkungen},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Rupprecht2006,
  author    = {Rupprecht, Daniel},
  title     = {Synthese und Optimierung sequenzselektiver k{\"u}nstlicher Rezeptoren f{\"u}r biologisch relevante Oligopeptide},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-20277},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Entwicklung von k{\"u}nstlichen Rezeptoren f{\"u}r biologisch relevante Oligopeptide und besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wurde auf der Basis von computergest{\"u}tzten de novo Berechnungen ein k{\"u}nstlicher Rezeptor f{\"u}r den D-Alanin-D-Alanin-C-Terminus entwickelt. Diese Peptidsequenz befindet sich in bakteriellen Zellw{\"a}nden und nimmt eine Schl{\"u}sselfunktion in der Wirkungsweise des Antibiotikums Vancomycin ein. Zur Entwicklung dieses Rezeptors wurde ein Guanidiniocarbonylpyrrol als Bindungsmotiv f{\"u}r Carboxylate mit einer Cyclotribenzylen-Einheit verkn{\"u}pft. Letztere ist entsprechend der theoretischen Berechnungen in der Lage, die Methylreste des Alanins gr{\"o}ßenselektiv durch hydrophobe Wechselwirkungen zu koordinieren. Dieser Rezeptor wurde in umfangreichen Bindungsstudien bez{\"u}glich seiner Affinit{\"a}t in Wasser und seiner Substratselektivit{\"a}t untersucht. Zur Erh{\"o}hung der L{\"o}slichkeit und zur Bestimmung der Komplexstruktur mit NMR-Techniken in Wasser wurde ein weiteres Derivat des Rezeptors synthetisiert, welches in peripherer Position mit Triethylenglykolseitenketten substituiert ist. Auf diese Weise gelang es, einen hoch affinen (log K = 4,7) und hoch selektiven k{\"u}nstlichen Rezeptor f{\"u}r den D-Ala-D-Ala-Terminus darzustellen und umfassend zu charakterisieren. So konnte gezeigt werden, dass ein de novo Design derartiger Rezeptoren prinzipiell m{\"o}glich ist. In einem weiteren Teilprojekt wurde ein k{\"u}nstlicher Rezeptor f{\"u}r die interne RGD-Peptidsequenz entwickelt. Diese nimmt eine zentrale Funktion in Zell-Zell- und Zell-Matrix-Erkennungsprozessen ein. Dieses Teilprojekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Schrader (Universit{\"a}t Marburg) durchgef{\"u}hrt. Dazu wurde ein Bindungsmotiv f{\"u}r Alkylguanidine (in der Seitenkette von Arg, R) {\"u}ber einen geeigneten Spacer mit einem Bindungsmotiv f{\"u}r Carboxylate (in der Seitenkette von Asp, D) verkn{\"u}pft. Nach der Synthese und Charakterisierung einer Reihe von vier Rezeptoren konnte die grunds{\"a}tzliche Anwendbarkeit dieses Ansatzes best{\"a}tigt werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass der verwendete Spacer f{\"u}r die Effektivit{\"a}t der Koordinierung von besonderer Bedeutung ist. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde in einem dritten Teilprojekt ein kombinatorisches Festphasenprotokoll zur Optimierung derartiger Spacer entwickelt. Dabei wurde das Carboxylat-Bindungsmotiv (ein Guanidiniocarbonylpyrrol) auf einem polymeren Tr{\"a}ger immobilisiert. Zu diesem Zweck wurden umfangreiche Studien zur Synthese von Pyrrol-Tricarboxylaten und zur Verwendung verschiedener Schutzgruppen unternommen. Die Eigenschaften von drei Schutzgruppen unterschiedlicher Sensitivit{\"a}t (basisch, stark sauer und photolytisch spaltbar) auf dem Acylguanidin wurden in L{\"o}sung und an der festen Phase untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein umfangreiches HPLC-Protokoll zur Charakterisierung der Reaktion entwickelt. So gelang die Entwicklung und Etablierung eines universell einsetzbaren Protokolls zur Optimierung derartiger Rezeptoren, womit zahlreiche Anwendungsm{\"o}glichkeiten in der kombinatorischen Chemie aber auch in weiteren Teilbereichen wie der Katalyse oder der Chromatographie erm{\"o}glicht werden.},
  subject      = {Oligopeptide},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Heil2004,
  author    = {Heil, Martin},
  title     = {Synthese und Screening einer kombinatorischen Rezeptorbibliothek f{\"u}r biologisch relevante Tetrapeptide},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-9355},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Im Rahmen der hier vorliegenden Doktorarbeit wurde eine 512 Mitglieder umfassende kombinatorische Rezeptorbibliothek auf der Basis eines Guanidiniocarbonylpyrrols mit einer tripeptidischen Seitenkette dargestellt werden. Die kombinatorische Synthese der Bibliothek erfolgte nach der „Split and Mix" Methode auf Amino-TentaGel als fester Phase in IRORI MikroKans unter Benutzung der IRORI Radiofrequenzcodierung zur Dekodierung der einzelnen Mitglieder der Bibliothek. Die Bibliothek ist f{\"u}r die selektive Erkennung von Tetrapeptiden mit freien C-Termini konzipiert. Als Zielliganden wurden zwei biologisch relevante Modellpeptide ausgew{\"a}hlt, zum einen das Alzheimer Modellpeptid L Val L Val L Ile L-Ala-OH und zum anderen das Tetrapeptid D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH, das im Zusammenhang mit dem Aufbau von Zellw{\"a}nden bei Bakterien eine wichtige Rolle einnimmt. Die Bestimmung von Bindungskonstanten auf der festen Phase erfolgte mit Hilfe eines Fluoreszenzscreenings, wobei die intensive Fluoreszenz eines Dansylrestes ausgenutzt wurde. Es wurden f{\"u}r alle 512 Mitglieder der Bibliothek Bindungskonstanten in Wasser auf der festen Phase f{\"u}r beide Liganden bestimmt. Die Bindungskonstanten f{\"u}r das Alzheimer Modellpeptid variierten von 4200 M-1 f{\"u}r die besten Rezeptoren bis zu 20 M-1, also einem vollst{\"a}ndigen Verlust der Bindungsaktivit{\"a}t, f{\"u}r die schlechtesten Rezeptoren. Hierbei zeigte sich, dass die Mehrzahl gut bindender Rezeptoren in Position AA1 eine Lys(Boc) Seitenkette aufwiesen. Anschließend wurden molekulardynamische Rechnungen durchgef{\"u}hrt, um Struktur-Stabilit{\"a}tsbeziehungen aufstellen zu k{\"o}nnen. Die auf der festen Phase erhaltenen Ergebnisse konnten durch die Bestimmung von Bindungskonstanten in L{\"o}sung durch UV-Titrationen best{\"a}tigt werden. Weiterhin wurden Untersuchungen mit einem Rezeptor in der Gasphase mit Hilfe von FT-ICR IRMPD ESI-MS durchgef{\"u}hrt. Dar{\"u}ber hinaus wurden in vitro Untersuchungen zur Inhibierung der Fibrillenbildung der Amyloid Proteine A\&\#61538; (1-42) und A\&\#61538; (1-40) mit ausgew{\"a}hlten Rezeptoren durchgef{\"u}hrt. F{\"u}r die kinetische und quantitative Inhibierung der Fibrillenbildung konnten zwei Rezeptoren gefunden werden, die den Nukleationsprozess bei beiden Peptiden signifikant verz{\"o}gerten und auch zu einer geringeren Menge an gebildeten Amyloid-Plaques gegen{\"u}ber der Kontrolle f{\"u}hrten. Die Bestimmung von Bindungseigenschaften der Rezeptorbibliothek gegen das Tetrapeptid D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH, das im Zusammenhang mit der Entwicklung von neuen Antibiotika steht, wurde ebenfalls {\"u}ber fluoreszenzspektroskopische Methoden auf der festen Phase durchgef{\"u}hrt. In diesem Fall wurde nicht nur D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH, sondern auch die inverse Sequenz auf Bindungsaktivit{\"a}t untersucht. Hierbei zeigte sich, dass das Bakterien Modellpeptid mit deutlich h{\"o}heren Bindungskonstanten auf der festen Phase erkannt wurde als das inverse Peptid. Die Bindungskonstanten f{\"u}r D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH liegen f{\"u}r die besten Rezeptoren bei 17000 M-1, f{\"u}r die inverse Sequenz nur bei 5500 M-1, obwohl beide Liganden f{\"u}r Rezeptoren mit einem oder zwei Lysinen an Position AA1, AA2 oder AA3 die h{\"o}chsten Bindungskonstanten aufwiesen. Der Faktor der Bindungskonstanten zwischen sehr gut bindenden Rezeptoren und schlecht bindenden Rezeptoren betrug f{\"u}r beide Peptide {\"u}ber 200! Die besseren Bindungseigenschaften von D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH im Vergleich zu der inversen Sequenz konnten durch molekulardynamische Rechnungen darauf zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden, dass das inverse Peptid beide Carboxylate intramolekular {\"u}ber eine Salzbr{\"u}cke mit der Lysin-Seitenkette stabilisieren kann, w{\"a}hrend D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH nur eine Salzbr{\"u}cke zu einem der beiden Carboxylate ausbilden kann und das andere Carboxylat somit f{\"u}r eine effektive Komplexierung mit dem Guanidiniocarbonylpyrrol zur Verf{\"u}gung steht. Die auf der festen Phase erhaltenen Bindungskonstanten f{\"u}r das Bakterien-Modellpeptid konnten ebenfalls durch die Bestimmung von Bindungskonstanten in L{\"o}sung durch UV- und Fluoreszenztitrationen best{\"a}tigt werden. Kationische Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren sind in der Lage anionische Tetrapeptide mit hohen Assoziationskonstanten, selbst in so polaren L{\"o}semitteln wie Wasser, zu binden. Abschließend kann gesagt werden, dass die Komplexstabilit{\"a}ten von einer fein abgestimmten Kombination von elektrostatischen und hydrophoben Wechselwirkung abh{\"a}ngen.},
  subject      = {Kombinatorische Synthese},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Geiger2004,
  author    = {Geiger, Lars},
  title     = {The versatile use of Guanidiniocarbonylpyrroles : from self-assembly to peptide recognition},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-9272},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Themenschwerpunkte. Ein supramolekulares Projekt beinhaltete die Entwicklung von neuen flexiblen, selbst-aggregierenden Zwitterionen als Bausteine f{\"u}r supramolekulare Polymere. In einem zweiten bioorganischem Teil bestand das Ziel darin, Rezeptoren f{\"u}r Aminos{\"a}uren und Dipeptide in Wasser zu entwickeln. Beide Projekte basieren auf dem Guanidiniocarbonylpyrrol als effizientes Bindungsmotiv f{\"u}r die Komplexierung von Carboxylaten in w{\"a}ssrigen L{\"o}sungen. Eine notwendige Voraussetzung f{\"u}r die Realisierung dieser Projekte war jedoch zun{\"a}chst die Entwicklung einer allgemeinen, effizienten und milden Synthese f{\"u}r Guanidiniocarbonylpyrrole. Die bei der zuvor verwendeten Methode aggressiven Reaktionsbedingungen und die problematische Aufreinigung verhinderten eine gr{\"o}ßere Anwendung dieses Bindungsmotivs in bioorganischen und supramolekularen Projekten. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es mir erfolgreich eine neue Syntheseroute zu entwickeln. Hierbei wurde mono-tBoc-Guanidine mit dem Benzylester mittels PyBOP gekuppelt und nach Entsch{\"u}tzung der Benzylschutzgruppe wurde die zentrale Zwischenstufe f{\"u}r die weiteren Synthesen, die tBoc-gesch{\"u}tzte Guanidinocarbonylpyrrol-S{\"a}ure erhalten. Durch diese neuartige Synthese war es m{\"o}glich, eine Reihe von flexiblen Zwitterionen 3-6 herzustellen und deren Selbst-Aggregation und den Einfluß der Kettenl{\"a}nge und somit Flexibilit{\"a}t der Alkylkette auf Struktur und Stabilit{\"a}t der gebildeten Aggregate in L{\"o}sung sowie auch in der Gasphase zu untersuchen. In DMSO deuten NMR-Verd{\"u}nnungsreihen darauf hin, dass die flexiblen Zwitterionen mit n = 1, 3 und 5 oligomere Strukturen ausbilden. Im Falle von n = 1 werden hoch stabile helicale und Nanometer große Aggregate in der gebildet. In den Gasphasen-Studien wurde die Stabilit{\"a}t und Zerfallskinetik einer Reihe von Natriumaddukten der Dimere von n = 2, 3 und 5 untersucht. Dieses gelang durch die Methode der „infrared multiphoton dissociation Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry" (IRMPD-FT-ICR MS). Solche Studien erm{\"o}glichen m{\"o}glicherweise in Zukunft das gezielte Design von supramolekularen Bausteinen. Der bioorganische Teil meiner Arbeit setzte sich aus drei Einzelprojekten zusammen. So synthetisierte ich durch eine f{\"u}nfstufige Synthesesequenz vier neue Arginin-Analoga, die in Zukunft als Ersatz f{\"u}r Arginin in Peptide eingebaut werden k{\"o}nnen. Als Testreaktion f{\"u}r die Eignung dieser Verbindungen in einer Festphasenpeptidsynthese, wurde ein Tripetid Ala-AA1-Val (AA: Arginin-Analogon) mit einem eingebauten Arginin-Analogon erfolgreich hergestellt. In einem zweiten Projekt habe ich den Einfluß einer zus{\"a}tzlichen ionischen Wechselwirkung in unserem Bindungsmotiv untersucht. Dazu wurde ein zweifach-kationischer Rezeptor und der dreifach-geladenen Rezeptor synthetisiert und physikalisch-organisch ihre Bindungseigenschaften mit Hilfe von NMR-Titrationsexperimenten gegen eine Reihe von Aminos{\"a}uren untersucht. Der dreifach-kationische Rezeptor 11 zeigte hierbei herausragende Bindungseigenschaften und war um ca. den Faktor 100 besser als f{\"u}r die bisher bekannten Guanidiniocarbonylpyrrole. Die Assoziationskonstanten waren auch fast reinem Wasser mit bis zu Kass = 2000 noch bemerkenswert hoch. Im dritten Projekt habe ich einen de-novo entwickelten Rezeptor f{\"u}r C-terminale Dipeptide in einer beta-Faltblatt Struktur entwickelt.Dieser Rezeptor wurde mittels NMR and UV-Titrationen untersucht. In 40 \% Wasser/ 60 \% DMSO waren die Bindungskonstanten zu hoch um {\"u}berhaupt quantifiziert zu werden. Deshalb wurden die Bindungseigenschaften des Rezeptors mittels UV Titrationen in einer Mischung aus 90 \% Wasser mit 10 \% DMSO gegen eine Reihe von Dipeptiden und Aminos{\"a}uren getestet. Die Bindungsdaten zeigen, dass Rezeptor Dipeptide mit ausgezeichneten Bindungskonstanten (Kass > 10000 M-1) komplexiert. Im Gegensatz dazu bindet der Rezeptor 12 Aminos{\"a}uren um den Faktor zehn schlechter (Kass > 1000 M-1). Die Komplexstabilit{\"a}t nimmt hierbei in Abh{\"a}ngigkeit von der Seitenkette des Dipeptids in der Reihe Gly < Ala < Val zu, was sich mit der abnehmenden Flexibilit{\"a}t und zunehmenden Hydrophobizit{\"a}t der Seitenkette erkl{\"a}ren l{\"a}sst. Diese Eigenschaften machen den Rezeptor 12 zu dem besten bisher bekannten Dipeptidrezeptor in w{\"a}ssrigen L{\"o}sungen. Innerhalb meiner Arbeit gelang es mir somit, nicht nur eine essentiell wichtige, milde und effiziente Synthese f{\"u}r Guanidinocarbonylpyrrole zu entwickeln, sondern es gelang mir ebenso ein neues Bindungsmotiv f{\"u}r die Komplexierung von Aminos{\"a}uren in Wasser zu entwickeln. Zus{\"a}tzlich konnte noch der Dipeptidrezeptor erfolgreich synthetisiert und untersucht werden. Mit Bindungskonstanten f{\"u}r von Kass > 10000 M-1 ist er der derzeit beste Dipeptidrezeptor in w{\"a}ssriger L{\"o}sung.},
  subject      = {Guanidinderivate},
  language  = {en}
}