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Roman D. Gorbunov

• Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Überprüfung von Modellen zur Berechnung von Schwingungspektren von Peptiden und Proteinen. Solche Modelle verbinden die Konformationsstruktur eines Moleküls mit seinen Schwingungseigenschaften und sind demzufolge wichtig für die Interpretation der Schwingungspektren. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte theoretische Erforschung dieses Gebietes beschränkt sich auf die Betrachtung der Amide-I-Moden, welche aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften sich zur Untersuchung der Peptidkonformationen eignen. Die Arbeit kann prinzipiell in zwei Teile separiert werden. In dem ersten Teil werden Fragen betrachtet, die mit der Entwicklung des Schwingungshamiltonian verbunden sind. Im zweiten Teil wurden die erhaltenen Hamiltonian für die Berechnung der Schwingungspektren verwendet. Bei der Berechnung der Schwingungspektren wurden verschiedene spektroskopische Näherungen verwendet und erforscht. Die Entwicklung des Schwingungshamiltonian beinhaltet zwei Aufgaben. Die ab initio Parametrisierung des Schwingungshamiltonian von Dipeptiden, sowie die Analyse der Entwicklungsmethoden für Schwingungshamiltonian von Polypeptiden. Die Entwicklungsmethoden stützen sich auf ab initio berecheten Schwingungseigenschaften von Dipeptiden und/oder elektrostatische Modelle. Die ab initio Parametrisierung basiert auf einer Geometrieoptimierung und anschließender Berechnung von Normalmoden. Hierbei wurde die Abhängigkeit der Ergebnisse vom theoretischen Niveau und dem verwendeten Basissatz untersucht. Die Transformation der errechneten Normalmoden lieferte die Schwingungseigenschaften der lokale Amide-I-Mode. Die Lokalisierung der Normalmode folgt diversen Kriterien. Sie ist von der Wahl der Lokalmoden und somit implizit auch von der Art der Geometrieoptimierung abhängig. Mit dieser Arbeit konnte die Abhängigkeit der Ergebnisse von der Parameterwahl weitgehend aufgeklärt und eine für das Amide-I-System geeignet Parametrisierung gefunden werden. Im nächsten Arbeitsschritt wurde die Abhängigkeit der Amide-I-Schwingungseigenschaften von den Peptidseitenketten und terminalen Gruppen untersucht. Desweiteren wurden Methoden zur Formulierung der Hamiltonian für Polypeptide konzeptionell entwickelt. Diese Untersuchung ist außerordentlich wichtig, da direkte quantenmechanische Berechnungen von Polypeptiden zu zeitaufwendig sind. Solche Methoden beruhen auf dem sogenannten “Building-Block”-Ansatz und verschiedenen elektrostatischen Modellen. In dieser Arbeit wurden sowohl die einzelnen Methoden als auch ihre Kombination für die Entwicklung des Hamiltonians verwendet. Zur Abschätzung der Genauigkeit der verwendeten Methoden wurden Vergleichsrechnungen durchgeführt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die erhaltenen Schwingungshamiltonian zur Berechnung von Schwingungsspektren diverser gelöster Peptide angewandt. In diesem Zusammenhang konnte die Genauigkeit unterschiedlicher spektroskopischer Approximationen überprüft werden. Auf Grundlage der erhaltenen Ergebnisse können wir sagen, dass eine angemessene Beschreibung der konformationellen Verteilung und eine korrekte Berechnung des dynamischen Absorptionsspektrum gewährleistet ist. Was noch fehlt, ist ein hinreichend genaues quantenchemisches Modell für die Schwingungsfrequenzen eines gelösten Peptids. Diese Aufgabe stellt zur Zeit ein aktives Forschungsgebiet dar. Zuletzt wurde das Schwingungsspektrum eines sogenanten “Photoschaltbaren”-Peptids simuliert. Mit Hilfe des dafür aufgestellten Hamiltonians ist man in der Lage spektroskopische Beobachtungen auf Konformationsänderungen direkt zu übertragen.