Theory of Amid vibrational dynamics in polypeptides and proteins

• Applicant: Privatdozent Dr. Volkhard May
• Subject Area: Theoretical Chemistry: Electronic Structure, Dynamics, Simulation
• Term: from 2002 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5358959

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Mit den geförderten Untersuchungen gelang zum einen die vollständige quantenmechanische Beschreibung der Polypetid–Dynamik in einem Modell reduzierter Dimensionalität, also einer Beschrankung auf wenige, als entscheidend angesehene Koordinaten des Systems. Hier lag der Fokus auf dem Studium von Effekten der räumlichen Selbstlokalisation der Amide1–Schwingungen, die eigentlich, bedingt durch ihre gegenseitig Wechselwirkung den Trend zur Delokalisation zeigen. Außerdem gelang es aufzuzeigen, dass ein Nachweis über ultraschnelle Infrarot–Spektroskopie (Experimente zur transienten Absorption) möglich ist. Diese Herangehensweise war zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung neu in der Literatur. Bedingt durch die Beschränkung auf 10 Peptidgruppen konnten nur andeutungsweise Signaturen zur Bewegung von selbstlokalisierten Amide1–Schwingungen aufgezeigt werden. Zur Überwindung der charakteristischen Beschränkungen von Modellen reduzierter Dimensionalität können Molekulardynamik–Simulation genutzt werden. Damit wird die Bewegung aller Atome, die das zu untersuchende Molekül bilden, erfaßt. Falls sich dieses in einem Lösungsmittel befindet, ist auch eine Berücksichtigung der Bewegung aller Atome der Lösungsmittel–Molekule möglich. Zum Zeitpunkt der Bearbeitung der im Fortzetzungsantrag formulierten Fragen fanden sich ähnliche Untersuchungen anderer Gruppen bereits in der Literatur vor. Es wurden daher im vorliegenden Projekt entprechende Molekulardynamik–Simulationen zu einem wichtigen zyklischen Polypeptid – dem Cyclosporin A – ausgeführt. Neu sind die dabei aufgezeigten vielfältigen, durch Wasserstoffbrucken–Bindungen realisierten Konformationen des Molekuls. Gemessene Infrarot–Spektren konnten gut bestätigt werden.

Publications

• Adiabatic Vibrational Excitons: Amide I States in α–Helices as an Example. Chem. Phys. Lett. 408, 360 (2005)
  D. Tsivlin and V. May
  
• Self–Trapping of the N–H Vibrational Mode in α–Helical Polypeptides. J. Chem. Phys. 125, 224902 (2006)
  D. Tsivlin and V. May
  
• Ultrafast Exciton Dynamics in Molecular Systems in D. A. Micha and I. Burghardt (eds.) Quantum Dynamics in Complex Molecular Systems. Springer Series in Chemical Physics 83 (Springer–Verlag 2006), p. 31 – 56
  B. Brüggemann, D. Tsivlin and V. May
  
• Vibrational Excitons in α–Helical Poplypeptides: Multiexciton Self–Trapping and Related Infrared Transient Absorption. J. Chem. Phys. 124, 134907 (2006)
  D. Tsivlin, H.–D. Meyer, and V. May
  
• Multidimensional Wave Packet Dynamics in Polypeptides: Coupled Amide–Exciton Chain–Vibrational Motion in an α-Helix. Chem. Phys. 338, 150 (2007)
  D. Tsivlin and V. May
  
• A Harmonic Approximation of Intramolecular Vibrations in a Mixed Quantum–Classical Methodology: Linear Absorbance of a Dissolved Pheophorbid–a Molecule as an Example. Chem. Phys. Lett.
  J. Megow, A. Kulesza, Z.-W. Qu, Th. Ronneberg, V. Bonaˇ ic– Koutecky, and V. May
  
• Unambiguous Assignment of Vibrational Spectra of Cyclosporins A and H. J. Phys. Chem. A
  Z.-W. Qu, H. Zhu, and V. May
  
• Vibrational Spectral Signatures of Peptide Secondary Structures: N-methylation and Side–Chain Hydrogen Bond in Cyclosporin A. Phys. Chem. Chem. Phys.
  Z.-W. Qu, H. Zhu, and V. May