Kohärente mehrdimensionale Schwingungsspektroskopie von Biomolekülen: Konzepte, Simulationen und Herausforderungen

Abstract

Die Schwingungsantwort komplexer Moleküle auf Sequenzen von Infrarotpulsen liefert Momentaufnahmen ihrer Struktur und Dynamik im Femtosekundenbereich. Diese Technik, die analog ist zur mehrdimensionalen NMR‐Spektroskopie und Korrelationen von Bewegungsvorgängen während kontrollierter Zeitintervalle abbildet (siehe Schema), wurde zur Untersuchung von Proteinfaltungen, Wasserstoffbrücken, Lipidmembranen und chemischen Umlagerungen genutzt. Die Schwingungsanregung komplexer Biomoleküle mit Femtosekunden‐Infrarotpulsen ermöglicht einzigartige Einblicke in ihre Struktur, Dynamik und fluktuierende Umgebung. Dieser Aufsatz stellt die Grundlagen moderner zweidimensionaler Infrarot(2DIR)‐Methoden vor, die analog sind zu den Techniken der mehrdimensionalen NMR‐Spektroskopie. Störungstheoretische Ansätze zur Berechnung der nichtlinearen optischen Eigenschaften von gekoppelten lokalisierten Chromophoren werden eingeführt und auf Schwingungsübergänge im Amidrückgrat von Proteinen, flüssigem Wasser, Membranlipiden und Amyloidfibrillen angewendet. Die Signalanalyse erfolgt durch klassische Moleküldynamiksimulationen in Kombination mit einem fluktuierenden Hamilton‐Operator für gekoppelte lokalisierte anharmonische Schwingungen, dessen Abhängigkeit von der lokalen elektrostatischen Umgebung durch Ab‐initio‐Daten parametrisiert wird. Die verwendeten Simulationsverfahren (Kumulanten‐Entwicklung von Gauß‐Fluktuationen, Streuung von Quasipartikeln, stochastische Liouville‐Gleichungen, direkte numerische Reihenentwicklungen) sind in den SPECTRON‐Code integriert, der eine Schnittstelle mit Standardmoleküldynamikmethoden hat. Ebenfalls diskutiert werden chiralitätsinduzierte Techniken zur Auflösungssteigerung sowie die Signaturen von konformativen und H‐Brücken‐Fluktuationen, Proteinfaltungsvorgängen und chemischen Austauschprozessen.

Coherent Multidimensional Optical Spectroscopy of Excitons in Molecular Aggregates; Quasiparticle versus Supermolecule Perspectives

“…We then model the excitations as intrinsically boson-like with a finite U mmmm and ${\mathit{\mu }}_m^{(2)}=0$ (soft-core bosons). This approach has been applied to coupled vibrations in polypeptides 67,100,337…”

“…2D techniques, originally developed in NMR,53 were extended during the past decade to IR laser spectroscopy 60,338–343. Simulation protocols based on molecular dynamics (MD) strategies have been reviewed recently in ref 67. These applications use the same formalism; however, the vibrations are bosons.…”

Understanding the Signatures of Secondary‐Structure Elements in Proteins with Raman Optical Activity Spectroscopy

“…Keywords: ab initio calculations · chirality · helical structures · protein structures · vibrational spectroscopy over two frequency axes such as two-dimensional IR spectroscopy, [5,[9][10][11][12] or that filter specific spectroscopic information such as resonance Raman spectroscopy [13][14][15][16][17] often provide more detailed information on the secondary structure of polypeptides and proteins. Similarly, chiral vibrational spectroscopy filters out information related to the chirality of the investigated molecule.…”

“…One such alternative is provided by vibrational spectroscopy, which can be directly applied to proteins in solution and which potentially allows for femtosecond time resolution. [4,5] However, conventional infrared (IR) and Raman spectra of polypeptides and proteins suffer from congested line shapes (i.e., they contain a large number of close-lying peaks that cannot be resolved experimentally). [6][7][8] Hence, vibrational spectroscopic techniques that either enhance the resolution by spreading out the spectroscopic information Abstract: A prerequisite for the understanding of functional molecules like proteins is the elucidation of their structure under reaction conditions.…”

Theoretical Study of the Raman Optical Activity Spectra of 310‐Helical Polypeptides

“…in aqueous solution) and potentially provides femtosecond time resolution. [7,8] However, extracting structural information from vibrational spectra is a difficult task. First, conventional IR and Raman spectra of polypeptides and proteins are usually congested and contain a large number of transitions.…”