TY - THES A1 - Schröder, Henning T1 - Ultrafast electron dynamics in Fe(CO)5 and Cr(CO)6 T1 - Ultraschnelle Elektronendynamik in Fe(CO)5 und Cr(CO)6 N2 - In this thesis, the two prototype catalysts Fe(CO)₅ and Cr(CO)₆ are investigated with time-resolved photoelectron spectroscopy at a high harmonic setup. In both of these metal carbonyls, a UV photon can induce the dissociation of one or more ligands of the complex. The mechanism of the dissociation has been debated over the last decades. The electronic dynamics of the first dissociation occur on the femtosecond timescale. For the experiment, an existing high harmonic setup was moved to a new location, was extended, and characterized. The modified setup can induce dynamics in gas phase samples with photon energies of 1.55eV, 3.10eV, and 4.65eV. The valence electronic structure of the samples can be probed with photon energies between 20eV and 40eV. The temporal resolution is 111fs to 262fs, depending on the combination of the two photon energies. The electronically excited intermediates of the two complexes, as well as of the reaction product Fe(CO)₄, could be observed with photoelectron spectroscopy in the gas phase for the first time. However, photoelectron spectroscopy gives access only to the final ionic states. Corresponding calculations to simulate these spectra are still in development. The peak energies and their evolution in time with respect to the initiation pump pulse have been determined, these peaks have been assigned based on literature data. The spectra of the two complexes show clear differences. The dynamics have been interpreted with the assumption that the motion of peaks in the spectra relates to the movement of the wave packet in the multidimensional energy landscape. The results largely confirm existing models for the reaction pathways. In both metal carbonyls, this pathway involves a direct excitation of the wave packet to a metal-to-ligand charge transfer state and the subsequent crossing to a dissociative ligand field state. The coupling of the electronic dynamics to the nuclear dynamics could explain the slower dissociation in Fe(CO)₅ as compared to Cr(CO)₆. N2 - Diese Dissertation handelt von der Untersuchung der zwei Modell-Katalysatoren Fe(CO)₅ und Cr(CO)₆ mittels zeitaufgelöster Photoelektronen Spektroskopie an einem High Harmonic Setup. In beiden Metallcarbonyl kann die Dissoziation von einem, oder mehreren Liganden durch ein UV Photon ausgelöst werden. Der Dissoziation-Mechanismus wurde in den letzten Jahrzehnten diskutiert. Die Abspaltung des ersten Liganden und die damit verbundenen elektronischen Dynamiken finden auf Zeitskalen von Femtosekunden statt. Für die Durchführung dieses Experiments wurde ein bestehender High Harmonic Setup in ein neues Labor verlegt. Der Aufbau wurde erweitert und charakterisiert. Mit dem modifizierten Aufbau können nun Reaktionen in Gas-Phasen-Proben mit Photonenenergien von 1.55eV, 3.10eV und 4.65eV ausgelöst werden. Dabei kann die Valenz-Elektronen-Struktur mit Photonenenergien zwischen 20eV und 40eV untersucht werden. Die Zeitauflösung liegt im Bereich von 111fs bis 262fs und hängt von der Kombination der zwei Photonenenergien ab. Die beiden Komplexe sowie Fe(CO)₄ konnten in der Gas-Phase zum ersten Mal in elektronisch angeregten Zuständen mittels zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie beobachtet werden. Im Allgemeinen kann jedoch mit der Photoelektronenspektroskopie nur der ionische Endzustand untersucht werden. Modellrechnungen zu den Spektren und die Entwicklung der dazugehörigen Theorie befinden derzeit noch in der Entwicklungsphase. Die Peaks in den Spektren konnten anhand von Literatur zugeordnet werden. Die Spektren der beiden Komplexe unterscheiden sich deutlich. Zu deren Interpretation wurde die Näherung verwendet, dass die Dynamik der Peaks in den Spektren die Bewegung des Wellenpakets in der multidimensionalen Energielandschaft darstellt. Die neuen Daten bestätigen weitestgehend bestehende Modelle für die Reaktionsmechanismen. Der Reaktionsmechanismus verläuft für beide Metallcarbonyle über eine direkte Anregung des Wellenpakets in einen metal-to-ligand charge transfer Zustand. Von dem angeregten Zustand aus kann das Wellenpaket in den dissoziativen ligand field Zustand wechseln. Dass die Reaktion in Fe(CO)₅ langsamer als in Cr(CO)₆ abläuft, kann durch die Kopplung der Dynamiken von Elektronen und Kernen erklärt werden. KW - dissertation KW - Dissertation KW - photo electron spectroscopy KW - physical chemistry KW - molecular dynamics KW - high harmonic generation KW - iron pentacarbonyl KW - chromium hexacarbonyl KW - metal carbonyls KW - ultrafast KW - dynamics KW - Photoelektronen KW - Spektroskopie KW - Moleküldynamik KW - high harmonic KW - Eisenpentacarbonyl KW - Chromhexacarbonyl KW - Photodissoziation KW - photodissociation KW - ligand KW - bond Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94589 ER - TY - THES A1 - Narayanan Nair, Arun Kumar T1 - Molecular dynamics simulations of polyelectrolyte brushes T1 - Molekulardynamik Simulationen von Polyelektrolytbürsten N2 - This thesis studies strong, completely charged polyelectrolyte brushes. Extensive molecular dynamics simulations are performed on different polyelectrolyte brush systems using local compute servers and massively parallel supercomputers. The full Coulomb interaction of charged monomers, counterions, and salt ions is treated explicitly. The polymer chains are anchored by one of their ends to a uncharged planar surface. The chains are treated under good solvent conditions. Monovalent salt ions (1:1 type) are modelled same as counterions. The studies concentrate on three different brush systems at constant temperature and moderate Coulomb interaction strength (Bjerrum length equal to bond length): The first system consists of a single polyelectrolyte brush anchored with varying grafting density to a plane. Results show that chains are extended up to about 2/3 of their contour length. The brush thickness slightly grows with increasing anchoring density. This slight dependence of the brush height on grafting density is in contrast to the well known scaling result for the osmotic brush regime. That is why the result obtained by simulations has stimulated further development of theory as well as new experimental investigations on polyelectrolyte brushes. This observation can be understood on a semi-quantitative level using a simple scaling model that incorporates excluded volume effects in a free-volume formulation where an effective cross section is assigned to the polymer chain from where couterions are excluded. The resulting regime is called nonlinear osmotic brush regime. Recently this regime was also obtained in experiments. The second system studied consists of polyelectrolyte brushes with added salt in the nonlinear osmotic regime. Varying salt is an important parameter to tune the structure and properties of polyelectrolytes. Further motivation is due to a theoretical scaling prediction by Pincus for the salt dependence of brush thickness. In the high salt limit (salt concentration much larger than counterion concentration) the brush height is predicted to decrease with increasing external salt, but with a relatively weak power law showing an exponent -1/3. There is some experimental and theoretical work that confirms this prediction, but there are other results that are in contradiction. In such a situation simulations are performed to validate the theoretical prediction. The simulation result shows that brush thickness decreases with added salt, and indeed is in quite good agreement with the scaling prediction by Pincus. The relation between buffer concentration and the effective ion strength inside the brush at varying salt concentration is of interest both from theoretical as well as experimental point of view. The simulation result shows that mobile ions (counterions as well as salt) distribute nonhomogeneously inside and outside of the brush. To explain the relation between the internal ion concentration with the buffer concentration a Donnan equilibrium approach is employed. Modifying the Donnan approach by taking into account the self-volume of polyelectrolyte chains as indicated above, the simulation result can be explained using the same effective cross section for the polymer chains. The extended Donnan equilibrium relation represents a interesting theoretical prediction that should be checked by experimental data. The third system consist of two interacting polyelectrolyte brushes that are grafted to two parallel surfaces. The interactions between brushes are important, for instance, in stabilization of dispersions against flocculation. In the simulations pressure is evaluated as a function of separation D between the two grafting planes. The pressure behavior shows different regimes for decreasing separation. This behavior is in qualitative agreement with experimental data. At relatively weak compression the pressure behavior obtained in the simulation agrees with a 1/D power law predicted by scaling theory. Beyond that the present study could supply new insight for understanding the interaction between polyelectrolyte brushes. N2 - In dieser Arbeit werden vollständig geladene, starke Polyelektrolytbürsten untersucht. Unter Verwendung lokaler Computeserver und massiv paralleler Supercomputer wurden umfangreiche Molekulardynamik Simulationen von verschiedenen Polyelektrolytbürsten Systemen ausgeführt. Die vollständige Coulomb Wechselwirkung zwischen geladenen Monomeren, Gegen- und Salzionen wird explizit berücksichtigt. Die Polymerketten – in gutem Lösungsmittel simuliert – sind mit einem Ende an einer ungeladenen, planaren Grenzfläche verankert. Monovalente Salzionen (1:1) werden identisch wie Gegenionen modelliert. Simulationen bei konstanter Temperatur und moderater Stärke der Coulomb Wechselwirkung (Bjerrum Länge etwa gleich der Bindungslänge) konzentrieren sich auf drei Systeme: 1. Polyelektrolytbürsten ohne Salzionen mit variabler Ankerdichte der Ketten Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Polyelektrolytketten bis zu 2/3 ihrer Konturlänge gestreckt sind, wobei die Bürstenhöhe mit zunehmender Ankerdichte leicht wächst. Diese schwache Abhängigkeit steht im Widerspruch zu theoretischen Ergebnissen, die Unabhängigkeit von der Ankerdichte im so genannten osmotischen Regime vorhersagen. In der Folge haben die Simulationen sowohl weitergehende theoretische Überlegungen als auch neue experimentelle Untersuchungen an Polyelektrolytbürsten stimuliert. Zwischenzeitlich konnte die Beobachtung auf semi-quantitativer Ebene auf der Basis eines einfachen Skalenmodells verstanden werden, welches das Eigenvolumen der Polymerketten im Rahmen einer freien Volumen Näherung berücksichtigt. Dabei wird der Kette ein effektiver Querschnitt zugeordnet, von dem Gegenionen ausgeschlossen sind. Das resultierende Regime, in dem nichtlineare Entropie und Elastizität berücksichtigt sind, wird als nichtlinear osmotisches Regime bezeichnet. In der Zwischenzeit konnte dieses Regime auch experimentell verifiziert werden. 2. Polyelektrolytbürsten im nichtlinear osmotischen Regime mit variabler Salzkonzentration Struktur und Eigenschaften von Polyelektrolyten können in einfacher Weise durch Veränderung der Salzkonzentration beeinflusst werden. Nach Pincus sollte für starke Salzkonzentration (groß gegenüber der Konzentration der Gegenionen) die Bürstenhöhe mit wachsender Konzentration abnehmen, jedoch nur als relativ schwaches Potenzgesetz mit einem Exponenten -1/3. In der Literatur sind experimentelle und theoretische Ergebnisse bekannt, die diese theoretische Vorhersage bestätigen – allerdings auch solche, die dazu im Widerspruch stehen. In einer solchen Situation sind Simulationen ein geeignetes Mittel, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen: In der Tat bestätigen die vorliegenden Simulationsergebnisse in eindeutiger Weise die theoretische Vorhersage von Pincus. Das Verhältnis zwischen Buffer Konzentration und effektiver Ionenstärke in der Polymerschicht ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern hat ebenso experimentelle Relevanz. Die Simulationen zeigen, dass die mobilen Ionen innerhalb und außerhalb der Polyelektrolytbürste inhomogen verteilt sind. Ein Erklärungsversuch mit Hilfe des Donnan Gleichgewichts liefert nur für sehr kleine Salzkon-zentrationen befriedigende Übereinstimmung, ansonst ein qualitativ unterschiedliches Verhalten. Wird jedoch das Eigenvolumen der Ketten in ähnlicher Weise wie oben skizziert berücksichtigt, können die Simulationsdaten bei identischer Parameterwahl in nahezu perfekter Übereinstimmung reproduziert werden. Der erweiterte Ansatz für das Donnan Gleichgewicht in konzentrierten Systemen stellt eine interessante theoretische Vorhersage dar, die auch experimentell überprüft werden sollte. 3. Wechselwirkung zwischen zwei Polyelektrolytbürsten ohne Salz Repulsive Wechselwirkungen zwischen Polymerbürsten haben in unterschiedlichen Zusammenhängen eine große Bedeutung, so z.B. bei der Stabilisierung von Dispersionen oder bei der Reduzierung von Reibungswiderständen in biologischen Systemen. In den vorgestellten Simulationen von zwei Polyelektrolytbürsten, die an gegenüberliegende Grenzflächen verankert sind, wird der osmotische Druck in Abhängigkeit vom Abstand D der Ankerflächen untersucht. Mit abnehmendem Abstand werden unterschiedliche Regime im Verhalten des Druckes beobachtet. Dieses Verhalten stimmt qualitativ mit experimentellen Ergebnissen überein. Für relativ schwache Überlappung folgt das Verhalten des Drucks dem theoretisch vorhergesagten 1/D Skalengesetz. Darüber hinaus liefert die Simulationsuntersuchung neue Daten zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Polyelektrolyt Bürsten. KW - Molekulardynamik KW - Polyelektrolyt KW - molecular dynamics KW - polyelectrolyte brushes Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7005 ER - TY - THES A1 - Melani, Giacomo T1 - From structural fluctuations to vibrational spectroscopy of adsorbates on surfaces T1 - Von Strukturfluktuationen bis zur Schwingungsspektroskopie von Adsorbaten auf Oberflächen BT - a theoretical study of H2O on α-Al2O3(0001) BT - eine theoretische Untersuchung von H2O auf α-Al2O3 (0001) N2 - Aluminum oxide is an Earth-abundant geological material, and its interaction with water is of crucial importance for geochemical and environmental processes. Some aluminum oxide surfaces are also known to be useful in heterogeneous catalysis, while the surface chemistry of aqueous oxide interfaces determines the corrosion, growth and dissolution of such materials. In this doctoral work, we looked mainly at the (0001) surface of α-Al 2 O 3 and its reactivity towards water. In particular, a great focus of this work is dedicated to simulate and address the vibrational spectra of water adsorbed on the α-alumina(0001) surface in various conditions and at different coverages. In fact, the main source of comparison and inspiration for this work comes from the collaboration with the “Interfacial Molecular Spectroscopy” group led by Dr. R. Kramer Campen at the Fritz-Haber Institute of the MPG in Berlin. The expertise of our project partners in surface-sensitive Vibrational Sum Frequency (VSF) generation spectroscopy was crucial to develop and adapt specific simulation schemes used in this work. Methodologically, the main approach employed in this thesis is Ab Initio Molecular Dynamics (AIMD) based on periodic Density Functional Theory (DFT) using the PBE functional with D2 dispersion correction. The analysis of vibrational frequencies from both a static and a dynamic, finite-temperature perspective offers the ability to investigate the water / aluminum oxide interface in close connection to experiment. The first project presented in this work considers the characterization of dissociatively adsorbed deuterated water on the Al-terminated (0001) surface. This particular structure is known from both experiment and theory to be the thermodynamically most stable surface termination of α-alumina in Ultra-High Vacuum (UHV) conditions. Based on experiments performed by our colleagues at FHI, different adsorption sites and products have been proposed and identified for D 2 O. While previous theoretical investigations only looked at vibrational frequencies of dissociated OD groups by staticNormal Modes Analysis (NMA), we rather employed a more sophisticated approach to directly assess vibrational spectra (like IR and VSF) at finite temperature from AIMD. In this work, we have employed a recent implementation which makes use of velocity-velocity autocorrelation functions to simulate such spectral responses of O-H(D) bonds. This approach allows for an efficient and qualitatively accurate estimation of Vibrational Densities of States (VDOS) as well as IR and VSF spectra, which are then tested against experimental spectra from our collaborators. In order to extend previous work on unimolecularly dissociated water on α-Al 2 O 3 , we then considered a different system, namely, a fully hydroxylated (0001) surface, which results from the reconstruction of the UHV-stable Al-terminated surface at high water contents. This model is then further extended by considering a hydroxylated surface with additional water molecules, forming a two-dimensional layer which serves as a potential template to simulate an aqueous interface in environmental conditions. Again, employing finite-temperature AIMD trajectories at the PBE+D2 level, we investigated the behaviour of both hydroxylated surface (HS) and the water-covered structure derived from it (known as HS+2ML). A full range of spectra, from VDOS to IR and VSF, is then calculated using the same methodology, as described above. This is the main focus of the second project, reported in Chapter 5. In this case, comparison between theoretical spectra and experimental data is definitely good. In particular, we underline the nature of high-frequency resonances observed above 3700 cm −1 in VSF experiments to be associated with surface OH-groups, known as “aluminols” which are a key fingerprint of the fully hydroxylated surface. In the third and last project, which is presented in Chapter 6, the extension of VSF spectroscopy experiments to the time-resolved regime offered us the opportunity to investigate vibrational energy relaxation at the α-alumina / water interface. Specifically, using again DFT-based AIMD simulations, we simulated vibrational lifetimes for surface aluminols as experimentally detected via pump-probe VSF. We considered the water-covered HS model as a potential candidate to address this problem. The vibrational (IR) excitation and subsequent relaxation is performed by means of a non-equilibrium molecular dynamics scheme. In such a scheme, we specifically looked at the O-H stretching mode of surface aluminols. Afterwards, the analysis of non-equilibrium trajectories allows for an estimation of relaxation times in the order of 2-4 ps which are in overall agreement with measured ones. The aim of this work has been to provide, within a consistent theoretical framework, a better understanding of vibrational spectroscopy and dynamics for water on the α-alumina(0001) surface,ranging from very low water coverage (similar to the UHV case) up to medium-high coverages, resembling the hydroxylated oxide in environmental moist conditions. N2 - Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Aluminiumoxid (α-Al2O3) und Wasser, wobei die (0001)-Oberfläche von α-Al2O3 im Fokus der Betrachtungen stand. Infolge der Entwicklung moderner oberflächensensitiver spektroskopischer Methoden, insbesondere in der Schwingungsspektroskopie, ist es inzwischen experimentell möglich, die Oberflächenchemie dieser Oxidmaterialien zu untersuchen und atomistische Informationen über ihre wässrigen Grenzflächen zu erhalten. Unsere Gruppe hat mit der Interfacial Molecular Spectroscopy Gruppe des Fritz-Haber-Instituts der MPG in Berlin zusammengearbeitet, deren Expertise in der oberflächensensitiven Vibrational Sum Frequency (VSF) Generation liegt. Diese Technik gestattet den spezifischen Nachweis von Adsorbatvibrationen, beispielsweise des Produkts der Wasserdissoziation und -adsorption. Zur theoretischen Untersuchung dieses Systems wurden verschiedene Berechnungsmethoden genutzt, wobei bevorzugt die Ab-initio-Molekulardynamik (AIMD) zum Einsatz kam. Darüber hinaus konzentrierten wir uns auf die Simulation von Schwingungsfrequenzen und -spektren für verschiedene Systeme unter Verwendung eines neuen, effizienten Algorithmus, der auf Grundlage klassischer Zeitkorrelationsfunktionen entwickelt wurde. Das erste Projekt untersuchte die einfachsten Adsorptionsprodukte von Wasserreaktionen auf der Al-terminierten α-Al2O3(0001)-Oberfläche, die unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) als stabilste Struktur bekannt ist. Mit AIMD-basierten Methoden haben wir verschiedene Spezies simuliert, die aus unimolekular adsorbiertem Wasser stammen, und ihre Schwingungsfrequenzen im Vergleich zum Experiment bestimmt. In einem zweiten Projekt widmeten wir uns einer Situation, in der eine vollständig hydroxylierte α-Aluminiumoxid-Oberfläche mit einer ebenfalls vollständig hydroxylierten, aber um eine zusätzliche Wasserschicht erweiterten α-Aluminiumoxid-Oberfläche wechselwirkt. Diese beiden Strukturen dienen als Grundlage zur weitergehenden Untersuchung von Aluminiumoxid-Oberflächen mit größeren Wasser-Bedeckungsgraden unter Umgebungsbedingungen. Wiederum simulierten wir vollständige Schwingunsspektren (einschließlich IR und VSF). Hierzu wurden etablierte Methoden genutzt, die auf der Verwendung von Zeitkorrelationsfunktionen basieren, jedoch von uns im Rahmen dieser Doktorarbeit weiterentwickelt wurden. Schließlich haben wir in einem dritten Projekt in Zusammenarbeit mit Experimentatoren die Schwingungsrelaxation an der Wasser / α-Al2O3-Grenzfläche beschrieben. Motiviert durch Pump-Probe-VSF-Experimente zur Bestimmung der Schwingungslebensdauer adsorbierter OH-Spezies entwickelten und verwendeten wir einen AIMD-Ansatz zur Simulation der Anregungs- und Relaxationsprozesse. Auf Grundlage von Nichtgleichgewichtstrajektorien konnten wir auch eine Relaxationszeitskala für OH-Gruppen ermitteln, die zwischen 2 und 4 Pikosekunden beträgt und gut mit experimentellen Werten übereinstimmt. KW - theoretical chemistry KW - molecular dynamics KW - DFT KW - vibrational spectroscopy KW - theoretische Chemie KW - Molekulardynamik KW - DFT KW - Schwingungsspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441826 ER - TY - THES A1 - Lever, Fabiano T1 - Probing the ultrafast dynamics of 2-Thiouracil with soft x-rays T1 - Untersuchung der ultraschnellen Dynamik von 2-Thiouracil mit weicher Röntgenstrahlung N2 - Understanding the changes that follow UV-excitation in thionucleobases is of great importance for the study of light-induced DNA lesions and, in a broader context, for their applications in medicine and biochemistry. Their ultrafast photophysical reactions can alter the chemical structure of DNA - leading to damages to the genetic code - as proven by the increased skin cancer risk observed for patients treated with thiouracil for its immunosuppressant properties. In this thesis, I present four research papers that result from an investigation of the ultrafast dynamics of 2-thiouracil by means of ultrafast x-ray probing combined with electron spectroscopy. A molecular jet in the gas phase is excited with a uv pulse and then ionized with x-ray radiation from a Free Electron Laser. The kinetic energy of the emitted electrons is measured in a magnetic bottle spectrometer. The spectra of the measured photo and Auger electrons are used to derive a picture of the changes in the geometrical and electronic configurations. The results allow us to look at the dynamical processes from a new perspective, thanks to the element- and site- sensitivity of x-rays. The custom-built URSA-PQ apparatus used in the experiment is described. It has been commissioned and used at the FL24 beamline of the FLASH2 FEL, showing an electron kinetic energy resolution of ∆E/E ~ 40 and a pump-probe timing resolution of 190 f s. X-ray only photoelectron and Auger spectra of 2-thiouracil are extracted from the data and used as reference. Photoelectrons following the formation a 2p core hole are identified, as well as resonant and non-resonant Auger electrons. At the L 1 edge, Coster-Kronig decay is observed from the 2s core hole. The UV-induced changes in the 2p photoline allow the study the electronic-state dynamics. With the use of an Excited-State Chemical Shift (ESCS) model, we observe a ultrafast ground-state relaxation within 250 f s. Furthermore, an oscillation with a 250 f s period is observed in the 2p binding energy, showing a coherent population exchange between electronic states. Auger electrons from the 2p core hole are analyzed and used to deduce a ultrafast C −S bond expansion on a sub 100 f s scale. A simple Coulomb-model, coupled to quantum chemical calculations, can be used to infer the geometrical changes in the molecular structure. N2 - Das Verständnis von lichtinduzierten, molekularen Prozessen ist über die Physik hinaus in einem breiten Kondext für Medizin und Biochemie relevant. Die ultraschnellen, photophysikalischen Reaktionen mancher Moleküle können die chemische Struktur von DNA verändern und somit genetischen Code schädigen. So führt zum Beispiel die UV-Anregung von Thionukleobasen zu Läsionen der DNA in den Zellen. Dementsprechend zeigen Patienten ein erhöhtes Hautkrebsrisiko, wenn sie im Rahmen einer immunsuppressiven Therapie mit Thiouracil behandelt werden. In dieser Dissertation stelle ich vier Forschungsarbeiten vor, in denen die ultraschnellen, intramolekularen Dynamiken von 2-Thiouracil mittels ultraschneller Anregungs-Abfrage(Pump-Probe)-Röntgenelektronenspektroskopie untersucht werden. Die relevanten molekularen Dynamiken werden stark durch das Schwefelatom des Thiouracils beeinflusst. Die Element- und Ortsempfindlichkeit der verwendeten Röntgenstrahlung erlauben es, diese Prozesse experimentell zu untersuchen. Dafür werden 2-Thiouracil-Moleküle thermisch in einem Molekularstrahl in die Gasphase freigesetzt. Nachdem die Moleküle mit einem UV-Puls angeregt wurden, erfolgt zeitversetzt die Abfrage mit einem Röntgenpuls, der die Moleküle ionisiert. Die kinetische Energie der emittierten Photo- und Augerelektronen wird mit einem Elektronenspektrometer vom Typ ‘Magnetische Flasche’ gemessen. Die Energiespektren dieser Elektronen werden verwendet, um ein Modell von den UV-lichtinduzierten Veränderungen der geometrischen und elektronischen Konfigurationen der Moleküle zu erhalten. Für diese Experimente wird erstmalig eine speziell angefertigte Apparatur namens URSA-PQ verwendet und beschrieben. Sie wurde an der Beamline FL24 des Freie Elektronenlaser (FEL) FLASH2 in Betrieb genommen und verwendet. Aus den Daten werden reine Röntgenphoto- und Augerelektronenspektren des Schwefelatoms von 2-Thiouracil extrahiert und als Referenz verwendet. Die 2p- Photoelektronen werden identifiziert, ebenso wie resonante und nicht-resonante Augerelektronen, die bei dem Zerfall des 2p-Kernlochs entstehen. Die UV-induzierten Veränderungen der 2p-Photolinie ermöglichen es, die Dynamik des elektronischen Zustands zu untersuchen. Unter Verwendung eines ESCS-Modells (Excited-State Chemical Shift) beobachten wir eine ultraschnelle Grundzustandsrelaxation innerhalb von 250 f s. Auger-Elektronen aus dem Zerfall des 2p-Kernlochs im UV-angeregten 2-Thiouracil werden ebenfalls analysiert. Die Änderung ihrer kinetischen Energie deutet auf eine ultraschnelle C − S-Bindungsexpansion auf einer Skala von unter 100 f s hin. Ein einfaches Coulomb-Modell, gekoppelt mit quantenchemischen Berechnungen, kann die geometrischen Veränderungen in der Molekülstruktur erklären. KW - Quantum KW - x-ray KW - photoelectron spectroscopy KW - thiouracil KW - nucleobases KW - Free Electron Laser KW - ultrafast KW - conical intersection KW - molecular dynamics KW - Freie-Elektronen-Laser KW - Quantum KW - konische Kreuzung KW - Molekulardynamik KW - Nukleobasen KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Thiouracil KW - ultraschnell KW - Röntgenspektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555230 ER - TY - THES A1 - Kav, Batuhan T1 - Membrane adhesion mediated via lipid-anchored saccharides T1 - Membranadhäsion durch Lipid-verankerte Saccharide N2 - Membrane adhesion is a fundamental biological process in which membranes are attached to neighboring membranes or surfaces. Membrane adhesion emerges from a complex interplay between the binding of membrane-anchored receptors/ligands and the membrane properties. In this work, we study membrane adhesion mediated by lipid-anchored saccharides using microsecond-long full-atomistic molecular dynamics simulations. Motivated by neutron scattering experiments on membrane adhesion via lipid-anchored saccharides, we investigate the role of LeX, Lac1, and Lac2 saccharides and membrane fluctuations in membrane adhesion. We study the binding of saccharides in three different systems: for saccharides in water, for saccharides anchored to essentially planar membranes at fixed separations, and for saccharides anchored to apposing fluctuating membranes. Our simulations of two saccharides in water indicate that the saccharides engage in weak interactions to form dimers. We find that the binding occurs in a continuum of bound states instead of a certain number of well-defined bound structures, which we term as "diffuse binding". The binding of saccharides anchored to essentially planar membranes strongly depends on separation of the membranes, which is fixed in our simulation system. We show that the binding constants for trans-interactions of two lipid-anchored saccharides monotonically decrease with increasing separation. Saccharides anchored to the same membrane leaflet engage in cis-interactions with binding constants comparable to the trans-binding constants at the smallest membrane separations. The interplay of cis- and trans-binding can be investigated in simulation systems with many lipid-anchored saccharides. For Lac2, our simulation results indicate a positive cooperativity of trans- and cis-binding. In this cooperative binding the trans-binding constant is enhanced by the cis-interactions. For LeX, in contrast, we observe no cooperativity between trans- and cis-binding. In addition, we determine the forces generated by trans-binding of lipid-anchored saccharides in planar membranes from the binding-induced deviations of the lipid-anchors. We find that the forces acting on trans-bound saccharides increase with increasing membrane separation to values of the order of 10 pN. The binding of saccharides anchored to the fluctuating membranes results from an interplay between the binding properties of the lipid-anchored saccharides and membrane fluctuations. Our simulations, which have the same average separation of the membranes as obtained from the neutron scattering experiments, yield a binding constant larger than in planar membranes with the same separation. This result demonstrates that membrane fluctuations play an important role at average membrane separations which are seemingly too large for effective binding. We further show that the probability distribution of the local separation can be well approximated by a Gaussian distribution. We calculate the relative membrane roughness and show that our results are in good agreement with the roughness values reported from the neutron scattering experiments. N2 - Membranadhäsion ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem Membranen sich an benachbarte Membranen oder Oberfläche anheften. Membranadhäsion entstammt einem komplexen Zusammenspiel aus Bindungen zwischen Membranverankerten Rezeptor/Ligand-Bindungen und den Membraneigenschaften selbst. In dieser Arbeit untersuchen wir Membranadhäsion vermittelt durch Lipid-verankerte Saccharide mittels Mikrosekunden-langer voll-atomistischer molekular-dynamischer Simulationen. Motiviert durch Neutronen Scattering Experimente von Lipid-verankerten Sacchariden und deren Einfluss auf Membranadhäsion, untersuchen wir die Rolle der Saccharide LeX, Lac1 und Lac2 sowie der Membranfluktuationen in Membranadhäsion. Wir untersuchen die Bindungen der Saccharide in drei verschiedenen Systemen: In Wasser, verankert in quasi-ebenflächigen Membranen bei fixierten Abständen, und verankert in aneinanderliegenden, fluktuierenden Membranen. Unsere Simulationen von zwei Sacchariden in Wasser deuten darauf hin, dass diese Saccharide durch schwache Interaktionen Dimere formen. Anstelle einiger klar definierter Bindungsstrukturen, finden wir ein Kontinuum von gebundenen Zuständen vor, das wir als "diffuse Bindung" bezeichnen. Die Bindungen von Sacchariden in quasi-ebenflächigen Membranen hängt stark vom Abstand zwischen diesen Membranen ab, der in unserem System fest gewählt ist. Wir zeigen, dass die Bundungskonstanten für trans-Interaktionen zweier Lipid-verankerter Saccharide monoton abnimmt mit zunehmendem Abstand. Saccharide verankert auf der selben Membran wechselwirken in cis-Interaktionen, deren Bindungskonstanten denen der trans-Interaktionen bei dem kleinsten gewählten Membranabstand ähneln. Das Zusammenspiel der cis- und trans-Interaktionen kann in Simulationssystemen mit vielen Lipid-verankerten Sacchariden untersucht werden. Für Lac2 deuten unsere Simulationen auf eine Kooperativität zwischen cis- und trans-Interaktionen hin: In diesem kooperativen Bindungsprozess verstärkt die cis-Interkation die trans-Bindunskonstante. Für LeX hingegen stellen wir keine Kooperativität zwischen trans- und cis-Bindung fest. Zusätzlich bestimmen wir die generierten Kräfte, die durch trans-gebundene Lipid-verankerte Saccharide in ebenflächigen Membranen und die resultierende Ablenkung der Lipid-Anker hervorgerufen werden. Wir stellen fest, dass mit gesteigertem Abstand zwischen den Membranen, die auf trans-gebundene Saccharide wirkenden Kräfte auf bis zu 10 pN ansteigen. Die Bindungen von Sacchariden, die in fluktuierenden Membranen verankert sind, resultieren aus einem Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften dieser Lipid-verankerten Saccharide und den Membranfluktuationen. Unsere Simulationen, die den Membranabstand aufweisen, der auch in den Neutron Scattering Experimenten ermittelt wurde, resultieren in einer Bindungskonstante, die größer ist als jene in quasi-ebenflächigen Membranen bei dem gleichen Abstand. Dieses Ergebnis demonstriert, dass Membranfluktuationen eine wichtige Rolle spielen bei mittleren Membranabstünden, die sonst scheinbar zu groß sind für effektive Bindungsprozesse. Weiterhin zeigen wir, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung der lokalen Abstünde gut durch eine Gauss-Verteilung approximiert werden kann. Wir berechnen die relative Membranrauigkeit und zeigen, dass unsere Ergebnisse gut mit denen der Neutron Scattering Experimente vereinbar sind. KW - molecular dynamics KW - membrane adhesion KW - lipid-anchored saccharide KW - lipid membranes KW - membrane adhesion forces KW - Molekulardynamik KW - Membranadhäsion KW - lipid-verankerte Saccharide KW - Lipidmembran KW - Membran-Adhäsionskräfte Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428790 ER - TY - THES A1 - Banerjee, Pallavi T1 - Glycosylphosphatidylinositols (GPIs) and GPI-anchored proteins tethered to lipid bilayers BT - modelling a complex interplay of carbohydrates, proteins and lipids BT - Modellierung eines komplexen Zusammenspiels von Kohlenhydraten, Proteinen und Lipiden N2 - Glycosylphosphatidylinositols (GPIs) are highly complex glycolipids that serve as membrane anchors to a large variety of eukaryotic proteins. These are covalently attached to a group of peripheral proteins called GPI-anchored proteins (GPI-APs) through a post-translational modification in the endoplasmic reticulum. The GPI anchor is a unique structure composed of a glycan, with phospholipid tail at one end and a phosphoethanolamine linker at the other where the protein attaches. The glycan part of the GPI comprises a conserved pseudopentasaccharide core that could branch out to carry additional glycosyl or phosphoethanolamine units. GPI-APs are involved in a diverse range of cellular processes, few of which are signal transduction, protein trafficking, pathogenesis by protozoan parasites like the malaria- causing parasite Plasmodium falciparum. GPIs can also exist freely on the membrane surface without an attached protein such as those found in parasites like Toxoplasma gondii, the causative agent of Toxoplasmosis. These molecules are both structurally and functionally diverse, however, their structure-function relationship is still poorly understood. This is mainly because no clear picture exists regarding how the protein and the glycan arrange with respect to the lipid layer. Direct experimental evidence is rather scarce, due to which inconclusive pictures have emerged, especially regarding the orientation of GPIs and GPI-APs on membrane surfaces and the role of GPIs in membrane organization. It appears that computational modelling through molecular dynamics simulations would be a useful method to make progress. In this thesis, we attempt to explore characteristics of GPI anchors and GPI-APs embedded in lipid bilayers by constructing molecular models at two different resolutions – all-atom and coarse-grained. First, we show how to construct a modular molecular model of GPIs and GPI-anchored proteins that can be readily extended to a broad variety of systems, addressing the micro-heterogeneity of GPIs. We do so by creating a hybrid link to which GPIs of diverse branching and lipid tails of varying saturation with their optimized force fields, GLYCAM06 and Lipid14 respectively, can be attached. Using microsecond simulations, we demonstrate that GPI prefers to “flop-down” on the membrane, thereby, strongly interacting with the lipid heads, over standing upright like a “lollipop”. Secondly, we extend the model of the GPI core to carry out a systematic study of the structural aspects of GPIs carrying different side chains (parasitic and human GPI variants) inserted in lipid bilayers. Our results demonstrate the importance of the side branch residues as these are the most accessible, and thereby, recognizable epitopes. This finding qualitatively agrees with experimental observations that highlight the role of the side branches in immunogenicity of GPIs and the specificity thereof. The overall flop-down orientation of the GPIs with respect to the bilayer surface presents the side chain residues to face the solvent. Upon attaching the green fluorescent protein (GFP) to the GPI, it is seen to lie in close proximity to the bilayer, interacting both with the lipid heads and glycan part of the GPI. However the orientation of GFP is sensitive to the type of GPI it is attached to. Finally, we construct a coarse-grained model of the GPI and GPI-anchored GFP using a modified version of the MARTINI force-field, using which the timescale is enhanced by at least an order of magnitude compared to the atomistic system. This study provides a theoretical perspective on the conformational behavior of the GPI core and some of its branched variations in presence of lipid bilayers, as well as draws comparisons with experimental observations. Our modular atomistic model of GPI can be further employed to study GPIs of variable branching, and thereby, aid in designing future experiments especially in the area of vaccines and drug therapies. Our coarse-grained model can be used to study dynamic aspects of GPIs and GPI-APs w.r.t plasma membrane organization. Furthermore, the backmapping technique of converting coarse-grained trajectory back to the atomistic model would enable in-depth structural analysis with ample conformational sampling. N2 - Glykosylphosphatidyl-Inositole (GPIs) sind komplex Glykolipide, die insbesondere auf der Oberfläche eukaryotischer Zellen als Verankerung einer Reihe unterschiedlicher Proteine dienen. GPIs werden den Proteinen als post-translationale Modifikationen im endoplasmotischen Reticulum hinzugefügt. Die Verankerung in der Membran wird durch einen Phospholipidrest hergestellt, das Protein ist dann über ein sich daran anschließendes Pseudo-Pentasaccharid und einen Phospoethanolaminrest kovalent an den GPI Anker gebunden. Das Pseudo-Pentasaccharid ist dabei proteinunabhängig eine invariante Struktur, kann aber an bestimmten Stellen durch weitere Carbohydratseitenketten und/oder Phosphoethanolaminreste wesentlich erweitert werden. GPI-verankerte Proteine (engl. GPI-anchored proteins, GPI-APs) sind an einer Reihe zellulärer Prozesse beteiligt; einige davon betreffen intra- und interzelluläre Signalübermittlung oder Proteintransport auf der Zelloberfläche; die Pathogenese vieler Parasiten, wie etwa Plasmodium falciparum (Malaria) wird entscheidend durch GPI-APs bestimmt; es können aber auch die bei vielen parasitischen Einzellern freien, ohne Protein auftretenden GPIs pathogene Wirkung entfalten wie etwa bei der Toxoplasmose (Toxoplasma gondii). Der allgemeine Zusammenhang von Struktur eines GPI-AP und seiner Funktion ist allerdings bis heute zum größten Teil unbekannt. Dies liegt zum einen daran, dass sich kein klares Bild zeichnen lässt, wie ein GPI-AP relativ zur Zellmembran exponiert wird. Die relevanten Zeit- und Längenskalen sind experimentell unzugänglich, und entsprechende in vivo oder in vitro Untersuchungen liefern lediglich indirekte Hinweise. Der Fall GPI-verankerter Proteine ist daher ein Beispiel, in dem computergestützte Modellierung einen wesentlichen Beitrag zur Aufklärung leisten kann. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein atomistisches, molekulardynamisches Modell für GPIs und GPI-APs konstruiert und vorgestellt, mit dem sich GPI-APs auf der Längenskala einiger 10 Nanometer und einer Zeitskala von etwa 10 Mikrosekunden effizient untersuchen lassen. Modularität des Modells ist hierbei ein entscheidender Aspekt: mit den entwickelten Modellen lassen sich eine breite Palette von GPI Variationen darstellen. GPIs weisen, wie auch andere Proteinglykolysierungen eine sogenannte Mikroheterogenität auf; die Modifikation durch den Zucker kann sich zwischen den Kopien ein und desselben Proteins unterscheiden. Die technische Umsetzung erfolgt im Rahmen der sogenannten AMBER- Familie atomistischer Kraftfelder, die nach einem bestimmten Schema für biomolekulare Simulationen entwickelt wurden. Dabei werden existierende Modelle für Zucker (GLYCAM06) und Lipide (Lipid14) durch die Optimierung und Herleitung fehlender Parameter so angepasst, dass sich ein vollständiges GPI-AP in einer Lipid-Doppelschicht darstellen lässt. Dabei zeigt sich, dass das Protein vermittelt über den flexiblen Anker über einen beachtlichen Bewegungsspielraum verfügt. Im Falle des hier betrachteten Green Fluorescent Protein (GFP) kann man daher das Bild einer festen Orientierung des Proteins in Bezug auf die Lipidoberfläche verwerfen; wie in der Mehrzahl der Simulationen beobachtet, kann das GFP sogar vollständig auf der Lipidschicht zu liegen kommen. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass eine Reihe möglicher Seitenketten des GPI Ankers, die zu Parasiten wie Toxoplasma gondii gehören und bei entsprechenden Immunreaktionen relevant sind, tatsächlich so exponiert werden, dass ihre Rolle als Rezeptoren unterstrichen wird. Das Pseudopentasaccharid selbst ist dabei teilweise in die Kopfgruppenregion der Lipidschicht eingebettet. Des Weiteren wurde hier das atomistische Modell auf eine vergröberte Darstellung im Rahmen des MARTINI Kraftfelds projiziert, um die zugänglichen Zeit- und Längenskalen noch einmal um einen Faktor 10 zu erweitern. Somit werden auch Studien GPI-APs möglich, bei denen sich ihre Dynamik in heterogenen Lipidschichten untersuchen lässt, etwa um Fragen zu beantworten, wie diese Proteine mit verschiedenen Membrandomänen assoziieren. Insgesamt werden mit dieser Arbeit eine Reihe von Ansätzen aufgezeigt, wie sich GPI verankerte Proteine möglicherweise effektiver in speziell angepassten Experimenten und in größerem Detail untersuchen lassen, als dies bisher möglich war. T2 - Glykosylphosphatidylinositole (GPIs) und GPI-verankerte Proteine, die an Lipid-Doppelschichten gebunden sind KW - GPI KW - carbohydrates KW - membrane KW - protein KW - molecular dynamics KW - coarse-graining KW - martini KW - GPI KW - Kohlenhydrate KW - grobkörnig KW - martini KW - Membran KW - Molekular-dynamik KW - Protein Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489561 ER -