Conformational Ensembles in Solution Studied by NMR and Computational Methods

Abstract

Summary: In this thesis, the use of spectroscopic data of small and medium-sized molecules in combination with computational approaches is investigated as a means to gain insight into the solution ensemble of the molecules and their various properties. In Chapter 1, the importance of the correct description of the conformational ensemble is discussed. The relevant observables from nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy in isotropic and anisotropic environments are presented together with the structural information that can be derived from them to describe the conformational ensemble. The basic concepts of molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory (DFT) calculations are covered, and the importance of the choice of starting conformation in these approaches is considered. In Chapter 2, the conformational behavior and ionophoric properties of cyclooctadepsipeptides with different anthelmintic activity are investigated with NMR spectroscopy and extensive MD simulations. In Chapter 3, the transferability of the stabilizing effect of intramolecular hydrogen bonds between side-chain N-methylated asparagine residues, as seen for the β6.3-helix of the natural product polytheonamide B, is studied with two different model systems. Among other techniques, the characterization was carried out with distances derived from the nuclear Overhauser effect (NOE), 23Na NMR spectroscopy, and MD simulations. In Chapter 4, a new set of precise residual dipolar coupling (RDC) data for cyclosporin A is presented, recorded in a cross-linked poly(methyl methacrylate) (PMMA) gel swollen in chloroform is presented. The impact of the RDCs when used as restraints in an MD simulation of this flexible compound is investigated. In Chapter 5, 1H and 13C chemical shifts of 35 small and rigid organic molecules are measured under standardized conditions in chloroform-d and in tetrachloromethane. The effect of directed solute-solvent interactions is evaluated, and the chemical shifts are compared to shielding constants calculated with DFT in vacuum and with an implicit solvent model. In Chapter 6, a new approach for the interpretation of NOE data called NOE volumes affected by spin diffusion (NOVAS) is developed and used to fit experimental NOESY spectra beyond the linear build-up regime for different organic molecules. The usefulness of NOVAS for stereospecific assignment as well as for the correct identification of relative configuration is investigated. In Chapter 7, we aim to assign the relative configuration of eight flexible diastereomers of a trichlorinated-hexa-1-3-diol by comparison between experimental and DFT calculated 1H and 13C chemical shifts, NOESY spectra as well as infrared (IR) spectra. The chemical shieldings obtained from DFT calculations are compared to the measured chemical shifts by applying the findings from Chapter 5, while the NOESY spectra are calculated and fitted to the experimental spectra using the NOVAS approach presented in Chapter 6. For the IR spectra, we apply an improved version of the IR sequence alignment (IRSA) algorithm, developed in our laboratory. In Chapter 8, a short conclusion and an outlook are provided regarding the topics discussed in this thesis.

Zusammenfassung: In dieser Dissertation wird die Verwendung spektroskopischer Daten kleiner und mittelgroßer Moleküle in Kombination mit rechnergestützten Methoden untersucht als ein Mittel, um Einblick in das konformationelle Ensemble der Moleküle und ihre verschiedenen Eigenschaften zu gewinnen. In Kapitel 1 wird die Bedeutung der korrekten Beschreibung des konformationellen Ensembles diskutiert. Die wichtigsten Observablen aus der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) in isotropen und anisotropen Umgebungen werden vorgestellt, zusammen mit den darin enthaltenen strukturellen Informationen, die zur Beschreibung des konformationellen Ensembles verwendet werden können. Die grundlegenden Konzepte von Molekulardynamik-Simulationen (MD) und Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (DFT) werden behandelt und die Bedeutung der Wahl der Ausgangskonformation für diese Methoden wird betrachtet. In Kapitel 2 werden NMR-Spektroskopie und umfangreiche MD-Simulationen verwendet für die Untersuchung des konformationellen Verhaltens und der ionophoren Eigenschaften von zyklischen Oktadepsipeptiden mit unterschiedlicher anthelmintischer Aktivität. In Kapitel 3 wird die Übertragbarkeit des stabilisierenden Effekts von intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen N-methylierten Asparagin-Seitenketten, wie für die β6.3-Helix des Naturstoffs Polytheonamid B beobachtet, mit zwei verschiedenen Modellsystemen untersucht. Unter anderem wurde die Charakterisierung mit NOE-Distanzen, 23Na-NMR-Spektroskopie und MD-Simulationen durchgeführt. In Kapitel 4 wird ein neuer Satz präziser RDC Daten (Dipolare Restkopplungen) für Cyclosporin A präsentiert, die in einem vernetzten, in Chloroform gequollenen Poly(methylmethacrylat)-Gel (PMMA) aufgenommen wurden. Der Einfluss der Verwendung dieser RDCs als Restraints in einer MD-Simulation von Cyclosporin A wird untersucht. In Kapitel 5 werden die 1H und 13C chemischen Verschiebungen von 35 kleinen, starren organischen Molekülen in Chloroform-d und in Tetrachlormethan unter standardisierten Bedingungen gemessen. Der Einfluss gerichteter Wechselwirkungen zwischen gelöster Substanz und Lösungsmittel wird untersucht, und die chemischen Verschiebungen werden mit Abschirmungskonstanten verglichen, die mit DFT im Vakuum und mit einem impliziten Lösungsmittelmodell berechnet wurden. In Kapitel 6 wird eine neue Methode für die Interpretation von NOE-Daten namens NOVAS (NOE volumes affected by spin diffusion) entwickelt und verwendet, um experimentelle NOESY-Spektren jenseits des linearen Aufbauregimes für verschiedene organische Moleküle zu fitten. Die Nützlichkeit von NOVAS für die stereospezifische Zuordnung sowie die Identifizierung der relativen Konfiguration wird untersucht. In Kapitel 7 versuchen wir, die relative Konfiguration von acht flexiblen Diastereomeren eines trichlorierten Hexa-1-3-diols zuzuordnen, indem wir experimentelle und DFT-berechnete 1H und 13C chemische Verschiebungen, NOESY-Spektren und Infrarotspektren (IR) vergleichen. Die aus DFT-Berechnungen gewonnenen Abschirmungskonstanten werden mit den gemessenen chemischen Verschiebungen unter Anwendung der Erkenntnisse aus Kapitel 5 verglichen, während die NOESY-Spektren mit dem in Kapitel 6 vorgestellten NOVAS-Ansatz berechnet und an die experimentellen Spektren gefittet werden. Für die IR-Spektren wenden wir eine verbesserte Version des in unserem Labor entwickelten IR-Spektrenangleichungs-Algorithmus (IRSA) an. Kapitel 8 enthält eine kurze Schlussfolgerung und einen Ausblick in Bezug auf die in dieser Arbeit behandelten Themen.