@phdthesis{Hupp2003,
  author    = {Hupp, Thomas},
  title     = {Ab Initio Treatment of Complex Systems Kohn-Sham Orbitals for Multi Reference Methods and the Base Pairing Properties of Xanthine},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8244},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen. Der erste untersucht die Eignung von LHF-Orbitalen f{\"u}r Multireferenzverfahren. Das Ziel dieses Teils ist eine effizientere Berechnung angeregter Zust{\"a}nde, was zur spektroskopischen Charakterisierung vieler organischer und bioorganischer Molek{\"u}le wichtig ist. Der zweite Teil befasst sich mit bioorganischen Fragestellungen und untersucht die Paarungseigenschaften der Purinbase Xanthin. Es wird unter anderem die unerwartet hohe Stabilit{\"a}t der Xanthin Selbstpaarung in Alanyl-PNA erkl{\"a}rt und es wird untersucht, auf welche Weise Xanthin in der DNA mutagene Fehlpaarungen mit Thymin eingehen kann. Teil1: Im Unterschied zu HF- und Standard-DFT-Methoden f{\"u}hrt der LHF-Ansatz zu einem vollst{\"a}ndig gebundenen Orbitalspektrum, da Coulomb-Selbstwechselwirkungen im LHF-Ansatz exakt korrigiert werden. Durch die Korrektur der Coulomb-Selbstwechselwirkungen sind im LHF-Ansatz auch die Energien der besetzten Orbitale nicht wie in Standard-DFT-Methoden zu h{\"o}heren Werten verschoben, so dass das Koopmans' Theorem g{\"u}ltig bleibt und die besetzten LHF-Orbitale etwas kompakter als Standard-DFT-Orbitale sind. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass beide Eigenschaften deutliche Vorteile f{\"u}r MR-Verfahren darstellen. Die virtuellen LHF-Orbitale sind gut optimiert und erlauben eine effizienteBeschreibung sowohl angeregter Zust{\"a}nde als auch statischer Korrelationseffekte in MRCI und MRPT2-Ans{\"a}tzen. Weiterhin f{\"u}hrt die kompaktere Struktur der besetzten LHF-Orbitale zu einer besseren Beschreibung des kationischen Rumpfes von Rydbergzust{\"a}nden. Andererseits wurden zu beiden genannten Vorteilen auch jeweils ein Beispielmolek{\"u}l gefunden, in dem die Vorteile nicht zum Tragen kommen, und zu deren Beschreibung Orbitale aus HF- oder Standard-DFT-Methoden besser geeignet sind. Diese Beispiele zeigen, dass jeder Einzelfall f{\"u}r sich getestet werden muss, auch wenn die angeregten Zust{\"a}nde der meisten Molek{\"u}le sehr gut mit LHF-Orbitalen beschrieben werden k{\"o}nnen. Teil 2: Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die Paarungseigenschaften von Xanthin und Xanthinderivaten untersucht. Ziel dieses Teils war es, eine Erkl{\"a}rung f{\"u}r die unerwartet hohe Stabilit{\"a}t des Xanthin Alanyl-PNA Selbstpaarung zu finden. Weiterhin wurde untersucht, weshalb Xanthin, das in der DNA u.a. unter chemischem Stress gebildet wird, mutagene Fehlpaarungen mit der Pyrimidinbase Thymin eingehen kann. Stabilit{\"a}t der Xanthin Alanyl PNA: Zun{\"a}chst wurde durch den Vergleich experimenteller und berechneter 13C-NMR-Spektra das Regiosomer von Xanthin bestimmt, welches zu der ungew{\"o}hnlich hohen Stabilit{\"a}t der Xanthin-Xanthin-Selbstpaarung in Alanyl-PNA verantwortlich ist. Zur Untersuchung der Stabilit{\"a}t der Xanthin-Selbstpaarung wurde ein stark vereinfachendes Modell aufgestellt,in dem die Stabilit� at der PNA-Duplexe nur {\"u}ber die Energiebeitr{\"a}ge aus den Wasserstoffbr{\"u}cken (EDim) und der Basenstapelung (EStap) bestimmt wird. Die Dimerisierungs- und Stapelungsenergien unterschiedlicher Paarungen wurden mit DFT- und MP2-Methoden bestimmt. Solvenseffekte wurden {\"u}ber ein Kontinuummodell erfasst und der Einfluss des peptidischen R{\"u}ckgrats auf die Stapelungsgeometrie wurde durch Kraftfeldmethoden ber{\"u}cksichtigt. W{\"a}hrend die einzelnen Energiekomponenten aus den H-Br� ucken und der Basenstapelung keinen eindeutigen Zusammenhang zu den Schmelztemperaturen erkennen lassen, korreliert die Summe aus beiden linear mit den experimentell ermittelten Tm-Werten. Dies bedeutet, dass die Beitr{\"a}ge aus der Entropie, der molekularen Wasserumgebung und der R{\"u}ckgratspannung sich entweder aufheben oder f� ur alle behandelten Systeme sehr {\"a}hnlich sind. Die Stabilit{\"a}t der Xanthin-Xanthin- und die der 2,6-Diaminopurin-Xanthin-Paarung, ergibt sich durch einen erh{\"o}hten Stapelungsbeitrag der Purinpaarungen, w{\"a}hrend die Wasserstoffbr{\"u}cken der Xanthin Selbstpaarung nur wenig zur Stabilisierung des Xanthin-Xanthin und des Xanthin-Diaminopurin-Alanyl-PNA-Doppelstrangs beitragen. Paarungseigenschaften von N9-Xanthin: Zur Untersuchung der Paarungseigenschaften von N9-Xanthin wurden zun� achst H-verbr{\"u}ckte Homodimere von Xanthin untersucht. Hierbei wurden extreme Variationen in den Bindungsst{\"a}rken der einzelnen H-Br{\"u}cken gefunden, die sich zwischen -4 bis -11 kcal/mol in der Gasphase und -2.5 bis -5 kcal/mol im Solvens betragen. Durch Vergleich mit Modellsystemen konnte die starke Varianz der H-Br{\"u}ckenst{\"a}rke auf anziehende bzw. abstoßende sekund{\"a}re elektrostatische Wechselwirkungen zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Weiterhin wurde das Homodimer von Hypoxanthin untersucht, bei dem die H-Br{\"u}cken durch eine Erh{\"o}hung der Aromatizit{\"a}t im Pyrimidinring zus{\"a}tzlich verst{\"a}rkt werden, was zu einer deutlichen Stabilisierung des Dimers f{\"u}hrt. Elektronische Effekte m{\"u}ssen vor allem deshalb ber{\"u}cksichtigt werden, da sie im Unterschied zu rein elektrostatischen Effekten deutlich weniger von der Solvensumgebung beein usst werden. Mutagenit{\"a}t von Hypoxanthin und Xanthin: Zur Erkl{\"a}rung der Mutagenit{\"a}t von Hypoxanthin und Xanthin wurden verschiedene neutrale und anionische Watson-Crick Basenpaarungen von Hypoxanthin und Xanthin mit Pyrimidinbasen berechnet. Hierbei wurden u. a. auch tautomere und anionische Formen von Xanthin ber{\"u}cksichtigt. Zur Bewertung der erhaltenen Dimerisierungsenergien wurden die Paarungen danach klassifiziert, ob ihre Geometrien mit denen der kanonischen Basenpaarungen deckungsgleich sind, oder ob sie in einer verzerrten Watson-Crick Geometrie vorliegen, was die Einbaurate in die DNA aufgrund des r{\"a}umlichen Anspruchs der DNA-Polymerase vermindert. Die Rechnungen zeigen, dass Xanthin nur mit Cytosin Watson-Crick-Paarungen eingehen kann, welche jedoch nur sehr schwach gebunden sind. In der neutralen Form scheint eine dreiz{\"a}hnige Basenpaarung unter Beteiligung einer tautomeren Form des Xanthins etwas stabiler zu sein als die zweiz{\"a}hnige Paarung von Diketoxanthin mit Cytosin. Da die Dimerisierungsenergie sowohl der neutralen als auch der anionischen Basenpaarung nur wenig unter 0 kcal/mol liegt, ist der Einbau der Xanthin-Cytosin-Paarung in die DNA zwar aufgrund der g{\"u}nstigen Geometrie m{\"o}glich, wird aber nicht durch einen Energiebeitrag aus den H-Br{\"u}cken verst{\"a}rkt. Die im Vergleich zur Guanin-Cytosin Paarung deutlich geringere Aromatizit{\"a}t von Xanthin zu Cytosin ist im Einklang mit dem experimentellen Befund, dass die Cytosin-Xanthin Paarung deulich langsamer als die Guanin-Cytosin Paarungen in die DNA eingebaut werden. W{\"a}hrend die Rechnungen nur eine geringe Aromatizit{\"a}t von Xanthin zu Cytosin vorhersagen, scheint das Anion von Xanthin in der Lage zu sein, eine sehr stabile Basenpaarung mit Thymin einzugehen. Allerdings muss die Dimerisierungsenergie die schlechtere Anpassung in die Bindungstasche der DNA-Polymerase ausgleichen, da die Paarung in einer etwas verzerrten Watson-Crick Geometrie vorliegt. Insgesamt wird die Paarung daher nicht schneller in die DNA eingebaut, wie erwartet aufgrund der H-Br{\"u}ckenst{\"a}rken, stattdessen besitzt sie eine {\"a}hnliche Einbaurate wie die geometrisch g{\"u}nstigere aber weniger stabile Xanthin-Cytosin Paarung.},
  language  = {en}
}