| Theoretische Untersuchungen kooperativer Effekte der Wasserstoffbrückenbindungen in biomolekularen Systemen |
Schlüsselwörter:
bio-informatics; DNA; statistic; base pairs; geometry optimization; jordan block; double proton transfer; potential energy scan
Bio-Informatik; DNA, Statistik; Basenpaare; Geometrieoptimierung; Jordan-Block; doppelter Protonentransfer; Potentialscan
Sachgruppe der DNBAbstract
The present work investigates signatures of cooperative effects of H-bonds especially
in DNA with statistical and quantum chemical methods.
Part I investigates results of information-theoretical analyses of DNA sequences
of living organisms, which are tested qualitatively and quantitatively
with respect to their biological aspects and/or
implications.
The results concern 'long-range correlations' and
'fractals' in intron-containing DNA sequences, their possible
'linguistic' structure, and other related aspects. The investigations
demonstrate that the findings a 'fractal' structure in DNA are
trivially equivalent to variations of the base pair composition, or
patchiness, of different regions in a natural DNA sequence.
It is explicitly shown that neither a well-defined
'scaling' or 'fractal' exponent, nor a well-defined Zipf exponent of
the 'linguistic' test does exist.
The biological origins of such variations are discussed. Quantitative
comparisons of natural DNAs with computer-generated, artificial
sequences are made.
But the present work shows that certain natural DNA sequences (especially
those with compact genomes) do have certain stochastic characteristics
(say, pseudo-fractal exponents, averaged Zipf slopes, etc.) which are
intrinsically different from artificial sequences.
To shed more light on this point, investigations concerning the short range
correlation of base pair, which may be caused by short-lived quantum
entanglement of protons, are presented. The most striking finding is that
quantum entanglement appears preferably between the third base of a codon
and the first base of the following one.
Results on a large number of DNA sequences of various types and from widely different
taxa are reported. Additionally, results of current
investigations concerning the so-called 'detrended fluctuation analysis'
and the 'Kullback information measure' of DNA sequences are reported.
Part II deals with quantum chemical investigations of the AT, GC and the
artificial $\kappa\chi$ base pair. Different levels of theory have been
applied with full geometry optimization and the 'frozen-core' approximation;
among them are B3LYP/6-31G** and MP2/6-31G**.
The
calculations in the 'frozen-core' approximation confirm the double well
character of all investigated potential energy surfaces, with a decreased
energy of the transition states on the inclusion of the electron correlation
effects. Couplings of the
different proton transfer reactions are discussed, testing quantitavely the
assumptions of a quantum mechanical Jordan-Block structure found in the GC pase pair.
The geometry optimization of the relevant stationary points of the double proton
transfer reactions in the AT and GC base pair has been performed at the B3LYP/6-31G**
level of theory. The most striking finding is found during the normal mode
analysis of the vibrations.
A vibrational mode involving the relevant protons for the double proton
transfer does exist in the GC base pair and all tautomers, whereas the AT
base pair does not have such a vibrational mode. Implications are
discussed. Finally, two experiments are proposed to test the findings.
Die vorliegende Arbeit untersucht Anzeichen, die durch kooperatives Verhalten von
H-Bindungen im besonderen in der DNA verursacht wurden, mit statistischen und
quantenchemischen Methoden.
Teil I beschäftigt sich unter anderem mit
qualitativen und quantitativen Ergebnissen von Analysen aus der
Informationstheorie, angewendet auf die DNA lebender Organismen. Die biologischen
Aspekte und Implikationen werden betrachtet. Die Resultate betreffen sogenannte
'Korrelationen langer Reichweite' und 'Fraktale' in DNA Sequenzen, die Introns
enthalten, und deren mögliche 'linguistische' Struktur, sowie weiter verwandte
Aspekte. Die Untersuchungen zeigen, daß die o.g. Ergebnisse durch Variationen in der
Basenzusammensetzung in verschiedenen Regionen einer natürlichen DNA
hervorgerufen werden. Es wird explizit gezeigt, daß weder ein wohl
definierter 'Skalierungs-' oder 'fraktaler' Exponent, noch ein wohl definierter
Zipf Exponent des 'linguistischen' Testes existiert. Weiterhin zeigt Shannon's
Redundanz Analyse keine besonderen Veränderungen bei einer 'Distanz' von 3
Basenpaaren für
stark Protein kodierende Sequenzen, was aufgrund der Kodon-Struktur zu erwarten
ist. Die biologischen Ursprünge
solcher Variationen werden diskutiert. Natürliche DNA Sequenzen werden mit
künstlichen, computer-generierten Sequenzen quantitativ verglichen. Es
wird gezeigt, daß sehr wohl bestimmte natürliche DNA Sequenzen bestimmte
stochastische Eigenschaften (z.B. pseudo-fraktale Exponenten, gemittelte
Zipfgraphen usw.) aufzeigen, die sich intrinsisch von denen der künstlichen
Sequenzen unterscheiden. Um dies näher zu betrachten, werden Untersuchungen
präsentiert, die
die Nahordung oder Korrelationen kurzer Reichweite betreffen, welche durch
kurzlebige Quantenkorrelationen (Qantumentanglement) hervorgerufen werden.
Dabei werden die Basenfolgen in 5'-3' Richtung AG, TG, TA, GC,
CA, und CT als quantenkorreliert betrachtet und die Basenfolgen GA, GT, AT, CG,
AC und TC als nicht quantenkorreliert.
Das prägnanteste Ergebnis ist, daß diese Quantenkorrelationen
vermehrt zwischen der dritten Base eines Kodons und der ersten Base des
daraufolgenden Kodons auftreten. Es wird über Ergebnisse zahlreicher natürlicher
DNA Sequenzen verschiedener Taxa berichtet. Zusätzlich werden
Ergebnisse bezüglich der sogenannten 'detrended fluctuation analysis' und der
Analyse von DNA Sequenzen mit Hilfe des Kullback Maßes der Informationstheorie
gezeigt. Es zeigt sich, daß in der Abfolge der Basenpaare mehr Information
enthalten ist als in der Abfolge der Pyrimidine und Purine.
Teil II befaßt sich mit der quantenchemischen Untersuchung der AT und
GC Basenpaare, sowie des künstlichen $\kappa\chi$ Basenpaares. Dabei wurden
verschiedene Grade der Näherung bei voller Geometrieoptimierung und bei
fixierten Atomen, der sogenannten 'frozen-core' Näherung, angewandt. Unter den
verwendeten Methoden befinden sich B3LYP/6-31G** und MP2/6-31G**. Die
Untersuchungen mit der 'frozen-core' Näherung bestätigen den Doppel-Minimum
Charakter der Hyperfläche. Der Energieabstand zwischen den Minima und dem
Übergangszustand vermindert sich, wenn die Elektronenkorrelationsenergie mit
berücksichtigt wird. Kopplungen der verschiedenen Protonentransferreaktionen
werden diskutiert, und die Annahmen, die zu einer quantenmechanischen Jordan-Block Struktur im GC
Basenpaar führen, werden quantitativ getestet und bestätigt. Die Jordan-Block
Struktur führt dazu, daß zwei Freiheitsgrade, hier zwei
Doppelprotonentransferreaktionen, zu einem Freiheitsgrad kolabieren, d.h. die
Doppelprotonentransferreaktionen sind gekoppelt. Hierbei
verläuft die relevante Differenz der Energie der Protonentransferreaktionen im
GC Basenpaar linear für alle untersuchten Methoden.
Die
Geometrieoptimierung der relevanten stationären Punkte der
Protonentransferreaktionen wurde mit der B3LYP/6-31G** durchgeführt, welche für die
kanonischen Basenpaare AT und GC eine exzellente Übereinstimmung mit den
kristallographischen Daten für die Bindungslängen und Bindungswinkel
liefert.
Nach dieser Methode ist die pyramidale Konformation der oft diskutierten
Aminogruppe des freien Adenin energetisch bevorzugt. Die Energiedifferenz
zur planaren Konformation ist allerdings
so gering, daß die Gruppe bei biologisch relevanten Temperaturen nicht in
einer Konformation vorliegt.
Es konnten keine
stationären Punkte lokalisiert werden, die auf ionische Strukturen hinweisen.
Weiterhin konnte im GC Basenpaar
nur ein stationärer Punkt für ein Tautomer bestimmt werden. Ein stationärer
Punkt für den Protonentransfer, an dem die H-Bindungen, die an der großen und
kleinen Furche liegen, beteiligt sind, existiert nicht. Dies Ergebnis wird mit
NMR Untersuchungen verglichen und diskutiert.
Die relative Energie der Minima, die die Tautomere beschreiben, gegenüber den
Übergangszuständen beträgt nach der Berücksichtigung der
Nullpunktsschwingungsenergie
-3.0 kcal mol-1
für das AT Basenpaar, bzw. -1.0 kcal mol-1 für das
GC Basenpaar. Die in einem Doppelprotonentransfer beteiligten H-Bindungen
werden um bis zu 0.4 Å verkürzt.
Das prägnanteste Ergebnis
wurde bei der Bestimmung der Normal-Moden der Schwingungen gefunden. Im GC
Basenpaar und den Tautomeren existiert eine Schwingung an der alle relevanten Protonen des
doppelprotonentransfers teilnehmen, während eine solche Schwingung im AT
Basenpaar fehlt. Schließlich werden zwei Experimente vorgeschlagen, um einige
Ergebisse dieser Arbeit zu testen.
| Betreuer | Dreismann, Chariton; Prof. Dr. |
| Gutachter | Dreismann, Chariton; Prof. Dr. |
| Gutachter | Renger, Gernot; Prof. Dr. |
| Upload: | 2001-05-30 |
| URL of Theses: | http://edocs.tu-berlin.de/diss/2001/streffer_friedrich.pdf |