Elektrostatische Wechselwirkungen in komplexen Flüssigkeiten und ihre Beschreibung mit Molekulardynamiksimulationen

Wasser ist eine hochpolare Flüssigkeit. Ihre ungewöhnlichen
elektrostatischen Eigenschaften haben das organische Leben, das
sich dort entwickelt hat, geprägt. Daher bestimmen beispielsweise
die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der wässrigen
Zellflüssigkeit und den darin gelösten Proteinen, den molekularen
Funktionsträgern der Biologie, sowohl die Struktur als auch die
Dynamik dieser Makromoleküle. Mikroskopische
Simulationsbeschreibungen der in Protein-Lösungsmittel Systemen
ablaufenden Prozesse müssen deshalb jene Probleme lösen, welche
durch den sehr langsamen 1/r Abfall der Coulomb Wechselwirkung und
die endliche Größe von Simulationsmodellen aufgeworfen werden. Die
vorliegende Arbeit fasst eine Reihe von Publikationen zusammen, in
denen zunächst mit dem sog. SAMM/RF Algorithmus eine genaue und
recheneffiziente Lösung für die angesprochenen methodischen
Probleme vorgeschlagen und verifiziert wird [G. Mathias, B. Egwolf,
M. Nonella, P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Bei
molekularmechanischen (MM) Molekulardynamik (MD) Simulationen
ermöglicht dieser Algorithmus die Beschreibung sehr großer Systeme
mit mehr als 10^5 Atomen auf einer Nanosekunden-Zeitskala. Für
flüssiges Wasser konnten damit winkelaufgelöste
Korrelationsfunktionen, die von mir vorgeschlagen wurden, auch bei
großen Abständen statistisch genau berechnet werden [G. Mathias, P.
Tavan, J. Chem. Phys. 120, 4393-4403 (2004)]. Damit ließ sich die
dipolare Struktur der Solvatschalen um ein gegebenes Wassermolekül
analysieren. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass sich Wasser ab
Distanzen von etwa 15 A° wie ein homogenes Dielektrikum verhält.
Die SAMM/RF Methode wurde ferner zur Beschreibung der
langreichweitigen Elektrostatik bei Hybridrechnungen eingesetzt,
welche Dichtefunktional Methoden mit MM Kraftfeldern kombinieren,
um so Schwingungsspektren biologischer Chromophore in polaren und
in komplexen Lösungsmitteln quantitativ genau berechnen zu können.
An den Beispielen des Retinalchromophors im Meta-III Zustand des
Rhodopsins [R. Vogel, F. Siebert, G. Mathias, P. Tavan, G. Fan, M.
Sheves, Biochemistry 42, 9863-9874 (2003)], der Chinone im
bakteriellen Reaktionszentrum [M. Nonella, G. Mathias, M.
Eichinger, P. Tavan, J. Phys. Chem. B 107, 316-322 (2003)] und
eines Chinonmoleküls in wässriger Lösung [M. Nonella, G. Mathias,
P. Tavan, J. Phys. Chem. A 107, 8638-8647 (2003)] wird gezeigt, wie
elektrostatische Wechselwirkungen eines Moleküls mit seiner
Lösungsmittelumgebung seine Schwingungsspektren modifizieren.