Submolecular partitioning and investigation of the transferability of atomic properties for biologically active compounds based on their experimental electron densities

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Bei der Bestimmung und Analyse der elektronischen Ladungsdichte einer chemischen Struktur haben sich in letzter Zeit enorme experimentelle Fortschritte ergeben, die unter anderem vergleichende Untersuchungen an ganzen Verbindungsklassen ermöglichen. Gleichzeitig erlauben jüngste methodische Fortschritte im Rahmen der AIM-Theorie (AIM = Atoms in Molecules) feinste Details in bindenden und nichtbindenden Regionen eines Moleküls sichtbar zu machen. Durch submolekulare Partitionierungstechniken läßt sich ferner die Gesamtelektronendichte eines Moleküls in additive Teilfragmente zerlegen, die es erlauben, Atome und damit atomare Eigenschaften eindeutig zu charakterisieren. Wesentliche Elemente dieser Theorie sind Transferierbarkeit und Additivität, die zu dem Ansatz führen, Moleküleigenschaften aus der Summe ihrer Fragmente zu berechnen. Gegenstand dieses Vorhabens ist die experimentelle Bestimmung von Ladungsdichten in den Substanzklassen der Aminosäuren/Oligopeptide sowie der Nucleotidbasen/Nucleoside/Nucleotide, die die entscheidenden Bausteine der wichtigsten biologischen Makromoleküle darstellen, sowie ihre Zerlegung in submolekulare Fragmente. Die Untersuchung ihrer Transferierbarkeit ist wesentliches Ziel des Vorhabens. Hierfür sind Oligopeptide und Oligonucleotide methodisch und wegen ihrer enormen biologischen Bedeutung besonders gut geeignet. Denn sie bestehen aus wenigen ähnlichen Bausteinen, deren Verknüpfungsstellen immer gleich sind, so dass eine relativ hohe Transferierbarkeit erwartet werden kann. Kennt man aus der Ladungsdichte die Eigenschaften dieser transferierbaren submolekularen Bausteine, so sollten sie zu einem Molekül gewünschter Struktur verknüpfbar sein, dessen Eigenschaften verstanden und vorhergesagt werden können. Damit eröffnet sich die Chance, Aussagen auch über die elektronische Struktur biologisch wichtiger Makromoleküle zu erhalten, die derzeit experimentell kaum zugänglich sind. Die für das Vorhaben erforderlichen Röntgenbeugungsexperimente sollen bei ultratiefen Temperaturen um 20 Kelvin und moderner APEX-CCD-Flächendetektionstechnik durchgeführt werden, was eine größere Zahl vergleichender experimenteller Ladungsdichtebestimmungen ermöglicht.