TY  - THES
A1  - Paasche, Alexander
T1  - Mechanistic Insights into SARS Coronavirus Main Protease by Computational Chemistry Methods
T1  - Mechanistische Einblicke in die SARS Coronavirus Hauptprotease mit computerchemischen Methoden
N2  - The SARS virus is the etiological agent of the severe acute respiratory syndrome, a deadly disease that caused more than 700 causalities in 2003. One of its viral proteins, the SARS coronavirus main protease, is considered as a potential drug target and represents an important model system for other coronaviruses. Despite extensive knowledge about this enzyme, it still lacks an effective anti-viral drug. Furthermore, it possesses some unusual features related to its active-site region. This work gives atomistic insights into the SARS coronavirus main protease and tries to reveal mechanistic aspects that control catalysis and inhibition. Thereby, it applies state-of-the-art computational methods to develop models for this enzyme that are capable to reproduce and interpreting the experimental observations. The theoretical investigations are elaborated over four main fields that assess the accuracy of the used methods, and employ them to understand the function of the active-site region, the inhibition mechanism, and the ligand binding. The testing of different quantum chemical methods reveals that their performance depends partly on the employed model. This can be a gas phase description, a continuum solvent model, or a hybrid QM/MM approach. The latter represents the preferred method for the atomistic modeling of biochemical reactions. A benchmarking uncovers some serious problems for semi-empirical methods when applied in proton transfer reactions. To understand substrate cleavage and inhibition of SARS coronavirus main protease, proton transfer reactions between the Cys/His catalytic dyad are calculated. Results show that the switching between neutral and zwitterionic state plays a central role for both mechanisms. It is demonstrated that this electrostatic trigger is remarkably influenced by substrate binding. Whereas the occupation of the active-site by the substrate leads to a fostered zwitterion formation, the inhibitor binding does not mimic this effect for the employed example. The underlying reason is related to the coverage of the active-site by the ligand, which gives new implications for rational improvements of inhibitors. More detailed insights into reversible and irreversible inhibition are derived from in silico screenings for the class of Michael acceptors that follow a conjugated addition reaction. From the comparison of several substitution patterns it becomes obvious that different inhibitor warheads follow different mechanisms. Nevertheless, the initial formation of a zwitterionic catalytic dyad is found as a common precondition for all inhibition reactions. Finally, non-covalent inhibitor binding is investigated for the case of SARS coranavirus main protease in complex with the inhibitor TS174. A novel workflow is developed that includes an interplay between theory and experiment in terms of molecular dynamic simulation, tabu search, and X-ray structure refinement. The results show that inhibitor binding is possible for multiple poses and stereoisomers of TS174.
N2  - Das Schwere Akute Respiratorische Syndrom (SARS) wird durch eine Infektion mit dem SARS Virus ausgelöst, dessen weltweite Verbreitung 2003 zu über 700 Todesfällen führte. Die SARS Coronavirus Hauptprotease stellt ein mögliches Wirkstoffziel zur Behandlung dar und hat Modellcharakter für andere Coronaviren. Trotz intensiver Forschung sind bis heute keine effektiven Wirkstoffe gegen SARS verfügbar. Die vorliegende Arbeit gibt Einblicke in die mechanistischen Aspekte der Enzymkatalyse und Inhibierung der SARS Coronavirus Hauptprotease. Hierzu werden moderne computerchemische Methoden angewandt, die mittels atomistischer Modelle experimentelle Ergebnisse qualitativ reproduzieren und interpretieren können. Im Zuge der durchgeführten theoretischen Arbeiten wird zunächst eine Fehlereinschätzung der Methoden durchgeführt und diese nachfolgend auf Fragestellungen zur aktiven Tasche, dem Inhibierungsmechanismus und der Ligandenbindung angewandt. Die Einschätzung der quantenchemischen Methoden zeigt, dass deren Genauigkeit teilweise von der Umgebungsbeschreibung abhängt, welche als Gasphasen, Kontinuum, oder QM/MM Modell dargestellt werden kann. Letzteres gilt als Methode der Wahl für die atomistische Modellierung biochemischer Reaktionen. Die Vergleiche zeigen für semi-empirische Methoden gravierende Probleme bei der Beschreibung von Proton-Transfer Reaktionen auf. Diese wurden für die katalytische Cys/His Dyade betrachtet, um Einblicke in Substratspaltung und Inhibierung zu erhalten. Dem Wechsel zwischen neutralem und zwitterionischem Zustand konnte hierbei eine zentrale Bedeutung für beide Prozesse zugeordnet werden. Es zeigt sich, dass dieser „electrostatic trigger“ von der Substratbindung, nicht aber von der Inhibitorbindung beeinflusst wird. Folglich beschleunigt ausschließlich die Substratbindung die Zwitterionbildung, was im Zusammenhang mit der Abschirmung der aktiven Tasche durch den Liganden steht. Dies gibt Ansatzpunkte für die Verbesserung von Inhibitoren. Aus in silico screenings werden genauere Einblicke in die reversible und irreversible Inhibierung durch Michael-Akzeptor Verbindungen gewonnen. Es wird gezeigt, dass unterschiedlichen Substitutionsmustern unterschiedliche Reaktionsmechanismen in der konjugierten Additionsreaktion zugrunde liegen. Die vorangehende Bildung eines Cys-/His+ Zwitterions ist allerdings für alle Inhibierungsmechanismen eine notwendige Voraussetzung. Letztendlich wurde die nicht-kovalente Bindung eines Inhibitors am Beispiel des TS174-SARS Coronavirus Hauptprotease Komplexes untersucht. Im Zusammenspiel von Theorie und Experiment wurde ein Prozess, bestehend aus Molekulardynamik Simulation, Tabu Search und Röntgenstruktur Verfeinerung ausgearbeitet, der eine Interpretation der Bindungssituation von TS174 ermöglicht. Im Ergebnis zeigt sich, dass der Inhibitor gleichzeitig in mehreren Orientierungen, als auch in beiden stereoisomeren Formen im Komplex vorliegt.
KW  - SARS
KW  - Inhibitor
KW  - Enzym
KW  - Computational chemistry
KW  - Coronaviren
KW  - SARS
KW  - Protease
KW  - Mechanismus
KW  - Inhibitor
KW  - Computerchemie
KW  - SARS
KW  - protease
KW  - mechanism
KW  - inhibitor
KW  - computational chemistry
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79029
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schaumlöffel, Anu Lena
T1  - Quantenchemische Studien der Chiroptischen Eigenschaften ausgedehnter π-Systeme sowie Beiträge zu SpecDis
T1  - Quantum-Chemical Studies of the Chiroptical Properties of Extended π Systems and Contributions to SpecDis
N2  - Für die Aufklärung der absoluten Stereostruktur von chiralen Molekülen, die ein Chromophorsystem besitzen, hat sich die Kombination der experimentellen und theoretischen Spektroskopie des elektronischen Circulardichroismus (ECD) als Methode bewährt. In der vorliegenden Arbeit wurden die chiroptischen Eigenschaften von Bisbibenzyl-Makrocyclen, Mono- und Bis(cycloketo)porphyrinen, der Mohnblütenpigmente Nudicaulin I und II sowie von Bordipyrrol-Dimeren mit quantenchemischen Methoden untersucht. Zu diesem Zweck wurden verschiedene dichtefunktionaltheoretische (DFT) Ansätze und post-HF-Methoden, wie z. B. der Coupled-Cluster-Ansatz RI-CC2, bezüglich ihrer Eignung, die Grund- und angeregten Zustände (UV/vis- und ECD-Eigenschaften) der einzelnen Verbindungen korrekt wiederzugeben, evaluiert. Da bei quantenchemischen UV- und ECD-Rechnungen an ausgedehnten π-Systemen aufgrund energetisch nah beieinander liegender Anregungen die Wahrscheinlichkeit für ghost states und charge-transfer-Übergänge sowie Multireferenz-Problematiken steigt, wurden diese Aspekte genauer betrachtet. Die ersten zwei Phänomene lassen sich bereits auf TD-DFT-Niveau durch genaue Analyse der theoretischen spektroskopischen Daten ermitteln und unter Umständen durch entsprechend korrigierte Funktionale sogar sehr gut beschreiben. Im Gegensatz dazu können Doppelanregungsanteile überhaupt erst durch Rechnungen mit geeigneten Methoden, wie z. B. das hier verwendete SORCI-Verfahren, erfasst werden. Zusätzlich wurde das zur Auswertung von UV und ECD-Daten entwickelte Programm SpecDis um Funktionalitäten erweitert, welche die Berechnung des Übereinstimmungsgrades zweier UV- bzw. ECD-Kurven ermöglichen, und dadurch ein zusätzliches quantitatives Kriterium für die Verlässlichkeit des Spektrenvergleichs und folglich für die Zuordnung der absoluten Konfiguration bieten.
N2  - For the elucidation of the absolute stereostructure of chiral molecules possessing a chromophore, the combination of experimental and theoretical spectroscopy of the electronic circular dichroism (ECD) has proven a valuable tool. In the present work, the chiroptical properties of bisbibenzyl macrocycles, mono- and bis(cycloketo)porphyrins, the poppy-petal pigments nudicaulins I and II, and boron-dipyrrole dimers were investigated with quantum-chemical methods. For this purpose, different density-functional and post-HF methods, for example the coupled-cluster approach RI-CC2, were evaluated regarding their suitability to correctly describe the ground and exited states (UV/vis and ECD properties) of each compound. Since the probability of ghost states, charge-transfer transitions, and multi-reference problems increases for quantum-chemical UV and CD calculations of extended π systems due to energetically close-lying excitations, these aspects were closely examined. The first two phenomena can be detected on TD-DFT level of theory by a thorough analysis of the theoretical spectroscopic data, and can in some cases even be described quite well by specially corrected functionals. By contrast, double excitations can only be included in the calculations by using suitable methods, e.g. the herein used SORCI approach. Additionally, functionalities were added to the program SpecDis which allow for the calculation of the degree of similarity of either two UV or ECD curves, and thus, offer an additional quantitative measure for the comparison of spectra and, in consequence, for the reliability of the assignment of an absolute configuration.
KW  - Chiralität <Chemie>
KW  - Zirkulardichroismus
KW  - CD-Spektroskopie
KW  - Computational chemistry
KW  - Absolute Konfiguration
KW  - Elektronischer Circulardichroismus
KW  - Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie
KW  - Coupled-Cluster-Theorie
KW  - SpecDis
KW  - Absolute Configuration
KW  - Electronic Circular Dichroism
KW  - Time-dependent Density Functional Theory
KW  - Coupled-Cluster Theory
KW  - SpecDis
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108291
ER  -