Inducers and induction of the tetracycline repressor protein [Elektronische Ressource] : computational studies / vorgelegt von Olaf G. Othersen

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Inducers and Induction of the Tetracycline Repressor Protein: Computational Studies Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades vorgelegt von Olaf G. Othersen aus Bamberg Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 19.12.2006 Vorsitzender der Promotionskommission: Professor Dr. E. Bänsch Erstberichterstatter: Professor Dr. T. Clark Zweitberichterstatter: Professor DrA. Burkovski Meinen Eltern gewidmet Some have called this molecule a biologist's dream …, but others have seen it as a chemist's nightmare … Stuart B. Levy M. D. Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von Januar 2001 bis Oktober 2006 am Computer Chemie Centrum der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Danksagung Prof. Dr. Tim Clark danke ich für die interessante Themenstellung, die stetige Betreuung und die Möglichkeit diverse computerchemische Methoden kennenzulernen Mein besonderer Dank gilt Dr. Harald Lanig, der mich an die Computerchemie herangeführt hat und mir immer mit Rat und Tat zur Seite stand Bei Dr. Reiner Waibel bedanke ich mich für die Durchführung und Auswertung der NMR-Messungen und den entsprechenden Erklärungen Dr.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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Inducers and Induction of the
Tetracycline Repressor Protein:
Computational Studies





Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades






vorgelegt von
Olaf G. Othersen
aus
Bamberg

Als Dissertation genehmigt
von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Universität Erlangen-Nürnberg















Tag der mündlichen Prüfung: 19.12.2006

Vorsitzender der
Promotionskommission: Professor Dr. E. Bänsch
Erstberichterstatter: Professor Dr. T. Clark
Zweitberichterstatter: Professor DrA. Burkovski












Meinen Eltern gewidmet






















Some have called this molecule a biologist's dream …,
but others have seen it as a chemist's nightmare …
Stuart B. Levy M. D.










Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von Januar 2001 bis Oktober 2006 am
Computer Chemie Centrum der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg



Danksagung
Prof. Dr. Tim Clark danke ich für die interessante Themenstellung, die stetige
Betreuung und die Möglichkeit diverse computerchemische Methoden
kennenzulernen
Mein besonderer Dank gilt Dr. Harald Lanig, der mich an die Computerchemie
herangeführt hat und mir immer mit Rat und Tat zur Seite stand
Bei Dr. Reiner Waibel bedanke ich mich für die Durchführung und Auswertung der
NMR-Messungen und den entsprechenden Erklärungen
Dr. Oliver Scholz gebührt mein Dank für Diskussionen über das Tetrazyklin
Repressor Protein
Dr. Nico van Eikema Hommes danke ich für die schnelle Hilfe bei Hard- und
Softwareproblemen
Bei Dr. Frank "Bub" Beierlein, Florian Haberl und Ute Seidel bedanke ich mich
sowohl für die mentale Unterstützung als auch für die stete Bereitschaft sich in
unseren gemeinsam durchgeführten Projekten einzusetzen
Weiterhin bedanke ich mich bei den jetzigen und ehemaligen, mir bekannten
Mitgliedern des AK Clark für die lockere Atmosphäre, die stete Hilfsbereitschaft und
die Unterstützung bei verschiedensten organisatiorischen Aufgaben, insbesondere
bei Dr. Gudrun Schürer, Isa Schraufstetter und Daniela Richter für ihre
aufmunternden Worte
Meiner Lebensgefährtin Christine für ihre Geduld und ihr Verständnis während der
letzten Jahre
Last but not least, bedanke ich mich bei Familie Lorz für die finanzielle und
emotionale Hilfe während meiner gesamten Hochschulzeit

Table of Contents
ZUSAMMENFASSUNG I
1 INTRODUCTION 1
1.1 Tetracyclines............................................................................................................................. 3
1.2 Tetracycline Repressor Protein (TetR) ................................................................................... 6
2 THEORY & METHODS 9
2.1 Molecular Mechanics (MM)...................................................................................................... 9
2.2 Self-consistent Field Methods .............................................................................................. 10
2.2.1 Roothaan-Hall Equations...................................................................................................11
2.2.2 Density-functional theory (DFT)........................................................................................ 13
2.3 Solvent treatment ................................................................................................................... 14
2.3.1 Dielectric Screening Constant........................................................................................... 14
2.3.2 Self-Consistent Reaction Field Methods (SCRF) ............................................................. 14
2.3.3 Explicit water..................................................................................................................... 15
2.4 Atomic charges...... 15
2.5 Data Analysis .......................................................................................................................... 15
2.5.1 Root Mean Square Deviation (RMSD).............................................................................. 15
2.5.2 Cluster Analysis ................................................................................................................ 16
2.5.3 Low-Frequency Normal Modes......................................................................................... 16
2.5.4 Interaction Energies .......................................................................................................... 17
2.5.5 Boltzmann Equation 17
2.5.6 Hydrogen-Bond Definition................................................................................................. 17
2.6 Systematic Surface Scan....................................................................................................... 18
2.6.1 Conformational Sampling.................................................................................................. 19
2.6.2 Magnesium Interaction Surface ........................................................................................ 20
2.6.3 Water-Complexation Sphere............................................................................................. 22
2.6.4 DFT-Calculations .............................................................................................................. 24
2.7 Tautomerism of Magnesium-free Tetracyclines .................................................................. 25
2.7.1 Input Structures................................................................................................................. 26
2.7.2 NMR calculations 26
2.7.3 NMR measurements ......................................................................................................... 28
2.8 Analyses of Structures. 28
2.8.1 Scaffold Conformation....................................................................................................... 28
2.8.2 RMSD................................................................................................................................ 28
2.8.3 Magnesium-Ion Position ................................................................................................... 29
2.9 Investigation of the Induction Mechanism of TetR ............................................................. 29
2.9.1 Low-Frequency Normal Modes (LFNM) ........................................................................... 29
2.9.2 Interaction Energies .......................................................................................................... 32
3 RESULTS 33
3.1 In silico Geometry of Tetracyclines ...................................................................................... 33
1493.1.1 Molecular Mechanics .................................................................................................... 33
149,1503.1.2 Semiempirical Quantum-Mechanics ......................................................................... 34
139,1403.1.3 Density-Functional Theory ........................................................................................ 36
3.2 In silico Complexes of Tetracyclines with Magnesium ...................................................... 47
149,1503.2.1 Semiempirical Quantum-Mechanics 47
3.2.2 DFT-Results ...................................................................................................................... 54
3.3 Structure comparison ............................................................................................................ 60
148,1513.4 Investigation of the TetR Induction Mechanism ......................................................... 61
3.4.1 Low-Frequency Normal Modes......................................................................................... 61
3.4.2 Interaction Energies .......................................................................................................... 65
4 DISCUSSION 67
4.1 Protonation patterns... 67
4.2 Scaffold conformations ......................................................................................................... 68
4.3 Tautomers................................................................................................................................ 71
4.4 Hydrogen Bonds..................................................................................................................... 72
4.5 Magnesium-binding Sites...................................................................................................... 72
4.6 Induction Mechanism of TetR................................................................................................ 73
4.7 Computational Methods......................................................................................................... 74
5 SUMMARY & CONCLUSIONS 75
REFERENCES 81
APPENDIXES 87
A1. DFT-optimized Tetracycline .................................................................................................... 87
A2. DFT-optimized 5a,6-Anhydrotetracycline.............................................................................. 89
A3. DFT-optimized Tc - Magnesium Complexes.......................................................................... 92
A4. DFT-optimized ATc - Magnesium Complexes ....................................................................... 98
A5. Figure List............................................................................................................................... 104
A6. Table List ................................................................................................................................ 106
PUBLIKATIONSLISTE 108
LEBENSLAUF 109

Abbreviations
TetR Tetracycline Repressor Protein
TetA Tetracycline Antiporter Protein
Tc, 1 Tetracycline (Figure 1, left; page 3)
ATc, 2 5a,6-Anhydrotetracycline (Figure 1, right; page 3)
E Extended scaffold conformation (Figure 2, left; page 4)
T Twisted scafFigure 2, middle; page 4)
B Bent scaffold conformation (Figure 2, right; page 4)
N Non-ionized protonation pattern (Figure 3, left; page 7)
Z Zwitterionic protonation pattern (Figure 3, middle; page 7)
A Zwitteranionic protonation pattern (Figure 3, right; page 7)
186H193H189H195H190H194H192H191H197H199H200H196H188H201H187H198H

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