@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{Wich2009,
  author    = {Wich, Peter Richard},
  title     = {Multifunctional Oligopeptides as an Artificial Toolkit for Molecular Recognition Events},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-38108},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {The main focus of this thesis was the synthesis and analysis of multifunctional oligopeptides. The study of their non-covalent interactions with various counterparts revealed interesting new results, leading to both methodological and application related progress. The first project of this thesis concentrated on the in-depth analysis of the peptide receptor CBS-Lys-Lys-Phe-NH2 to acquire a better understanding of its binding mode upon complexation with a substrate. In this context it was possible to develop—in cooperation with the group of Prof. Sebastian Schl{\"u}cker—a direct and label free spectroscopic detection of immobilized compounds which are often found in combinatorial libraries. This new screening method utilizes the advantages of the surface enhanced Raman spectroscopy and allowed for the first time a surface mapping of a single polystyrene bead for the identification of peptides in femtomolar concentrations. Hence, this method allows a very fast and sensitive detection of resin bound compounds. The development of this promising new approach set the starting point for future experiments to enable on-bead library screenings and to investigate the complex formation of immobilized compounds. After the comprehensive analysis of the basic structural features of small peptide receptors in the first part of this thesis, the second big block focused on its in vitro evaluation using biological relevant targets. Therefore, several different modifications of the initial peptide structures were synthesized. These modifications provided a molecular toolkit for the tailor made synthesis of structures individually designed for the respective target. The first tests addressed the interaction with Alzheimer's related amyloid fibrils. During these experiments, the successful SPPS syntheses of tri- and tetravalent systems were achieved. The comparison of the multivalent form with the corresponding monovalent version was then under special investigations. These concentrated mainly on the interaction with various bacteria strains, as well as with different parasites. To localize the compounds within the organisms, the synthesis of fluorescence labelled versions was achieved. In addition, several compounds were tested by the Institute for Molecular Infection Biology of the University of W{\"u}rzburg for their antibacterial activity. This thorough evaluation of the biological activity generated precious information about the influence of small structural changes in the peptide receptors. Especially the distinct influence of the multivalency effect and the acquired synthetic skills led to the development of an advanced non-covalent recognition event, as described in the final project of this thesis. The last part of this thesis discussed the development of a novel inhibitor for the serine protease beta-tryptase based on a tailor-made surface recognition event. It was possible to study and analyze the complex interaction with the unique structure of tryptase, that features a tetrameric frame and four catalytic cleavage sites buried deep inside of the hollow structure. However, the point of attack were not the four binding pockets, as mostly described in the literature, but rather the acidic areas around the cleavage sites and at the two circular openings. These should attract peptides with basic residues, which then can block the accessibility to the active sites. A combinatorial library of 216 tetravalent peptide compounds was synthesized to find the best structural composition for the non-covalent inhibition of beta-tryptase. For the screening of the library a new on-bead assay was applied. With this method a simultaneous readout of the total inhibition of all library members was possible, thus allowing a fast and direct investigation of the still resin bound inhibitors. Several additional experiments in solution unveiled the kinetics of the inhibition process. In conclusion, both mono- and multivalent inhibitors interact in a non-destructive and reversible way with the tryptase.},
  subject      = {Peptidsynthese},
  language  = {en}
}