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Es wurden theoretische Untersuchungem zu sieben verschiedenen Isoenzymen der Schweineleberesterase vorgenommen. Vorhersagen zur Struktur wurden moleküldynamisch mit Hilfe eines Kraftfeldprogramms (AMBER-Paket) durchgeführt. Der Reaktionsmechanismus wurde quantenchemisch (CPMD), sowie mit einer Hybridmethode (QM/MM) nachvollzogen. Da keine Kristallstruktur vorhanden ist, wurde auf ein Homologiemodell aus eigenen Vorarbeiten zurückgegriffen. Mit Kraftfeldberechnungen wurden die einzelnen Monomere für etwa 10 bis 14 ns simuliert. Dabei zeigte sich eine Relaxation der Enzyme nach 8 bis 10 ns. In jedem Fall wurden stabile Endstrukturen der Monomere (um die 8000 Atome plus etwa 40000 Wassermoleküle) gefunden. Am Beispiel der PLE3 wurde sogar eine partielle Entfaltung der Eingangshelix beobachtet, die in einer Rückmutation nicht wiederherstellbar war. Andererseits wurde bei der PLE1 die spontane Ausbildung einer 3-10-Helix in der Nähe der Eingangshelix gefunden. Es wurden auch stabile Endstrukturen der Trimere (um die 24000 Atome plus etwa 50000 Wassermoleküle) gefunden. Interaktionen zwischen den Monomeren wurden beobachtet, die nach 14 bis 18 ns stabil zusammenlagen. Es konnten über RMSD-Auswertungen starre und flexible Bereiche innerhalb der Isoenzyme als auch zwischen den einzelnen identifiziert werden. Die starren Bereiche stimmen sehr gut mit dem Faltungsmotiv der a/b-Hydrolasen überein. Spezifische Abstände des aktiven Zentrums wurden während der klassisch simulierten Moleküldynamiken überprüft. Dabei war es nicht möglich, mit dem in der Literatur propagierten katalytischem Glutamat Abstände in der Größenordnung einer Wasserstoff-brücke zu erhalten. Vielmehr wurde eine günstige und stabile Lage eines anderen Glutamats gefunden, wodurch sich aber nichts am allgemeinen Reaktionsmechanismus ändert. Die Zugangswege wurden durch gezwungenes Ziehen der Moleküle aus der Lösung ins aktive Zentrum beobachtet und über Kraft-Weg-Kurven ausgewertet. In Simulationen im Nanosekundenbereich konnte auch freiwilliges Eindringen der Substratmoleküle ins Enzym beobachtet werden, wobei dieser Vorgang von der Größe des Moleküls abhängt. Die bei den unterschiedlichen Simulationen gefundenen Taschen sind für jedes Substrat verschieden, obwohl die beteiligten Aminosäuren die jeweiligen Substratmoleküle fest umschließen. Dieses Anpassen der Taschen an das jeweilige Substrat passt zu dem induced-fit-Modell. Während das spontane Eindringen der Substratmoleküle innerhalb weniger Nanosekunden erfolgte, konnte erst nach einer Simulationszeit von 25 ns ein Verlassen von Methanol aus dem Enzym beobachtet werden. Mit quantenchemischen Berechnungen im Picosekundenbereich, unter Berücksichtigung der neuen Zuordnung des katalytischen Glutamats, konnte der gesamte Reaktionsmechanismus dargestellt werden. Am Beispiel des Methylbutyrats wurden die Bildung des ersten tetraedrischen Intermediats, sowie die anschließenden Abspaltungen des Alkohols und der Säure, mit Hilfe von Constraints dargestellt. Die durch die Mutationen hervorgerufenen strukturellen Veränderungen der Isoenzyme insbesondere der Eingangshelix können für die unterschiedlichen Enantioselektivitätswerte verantwortlich sein. Eine Verantwortlichkeit von Taschen für die verschiedenen Enantioselektivitäten ist aufgrund der gefundenen weichen Struktur um die Substrate mit jeweils unterschiedlich beteiligten Aminosäuren nicht erkennbar.
This thesis constitutes a computational study of charge and ion drag force on micron-sized dust particles immersed in rf discharges. Knowledge of dust parameters like dust charge, floating potential, shielding and ion drag force is very crucial for explaining complex laboratory dusty plasma phenomena, such as void formation in microgravity experiments and wakefield formation in the sheaths. Existing theoretical models assume standard distribution functions for plasma species and are applicable over a limited range of flow velocities and collisionality. Kinetic simulations are suitable tools for studying dust charging and drag force computation. The main aim of this thesis is to perform three dimensional simulations using a Particle-Particle-Particle-Mesh ($P^3M$) model to understand how the dust parameters vary for different positions of dust in rf discharges and how these parameters on a dust evolve in the presence of neighboring dust particles. At first, rf discharges in argon have been modelled using a three-dimensional PIC-MCC code for the discharge conditions relevant to the dusty plasma experiments. All necessary elastic and inelastic collisions have been considered. The plasma background is found collisional, charge-exchange collisions between ions and neutrals being dominant. Electron and ion distributions are non-Maxwellian. The dominant heating mechanism is Ohmic. Then, simulations have been done to compute the dust parameters for various sizes of dust located at different positions in the rf discharges. Dust charge and floating potential in the presheath are slightly larger than the values in the bulk due to the higher electron flux to the dust particle in the presheath. From presheath to the sheath the charge and floating potential values decrease due to the decrease of the electron current to the dust. A linear dependence of dust potential on dust size has been found, which results in a nonlinear dependence of the dust charge with the dust size when the particle is assumed to be a spherical capacitor. This has been verified by independently counting the charges collected by the dust. %where indeed it has been noted that the dust charge %scales nonlinearly with the dust size. The computed dust parameters are also compared with theoretical models. Simulated dust floating potentials are comparable to values obtained from Allen-Boyd-Reynolds (ABR) and Khrapak models, but much smaller than the values obtained from Orbit Motion Limited (OML) model. The dust potential distribution behaves Debye-H\"{u}ckel-like. The shielding lengths are in between ion and electron Debye lengths. % indicating shielding by both ions and electrons. Further, the orbital drag force is typically larger than the collection drag force. The total drag force for the collisional case is larger than for the collisionless case and it scales nonlinearly with the dust size. The collection drag values and size-scaling agrees with Zobnin's model. The charging and drag force computation is then extended to two and multiple static dust particles in the rf discharge to study the influence of neighboring dust particles on the dust parameters. Initially, the dust parameters on two dust particles are computed for various interparticle separation distances and for dust particles placed at different locations in the rf discharge. It is observed that for dust separations larger than the shielding length the dust parameters for the two dust particles match with the single dust particle values. As the dust separation is equal to or less than the shielding length the ion drag force increases due to the buildup of a parallel drag force component. However, the main dust properties like charge, potential, vertical component of ion drag are not affected considerably. This is attributed to the smaller collection impact parameter values compared to the dust separation. %This is because the %collection impact parameter values in the sheath and the presheath are smaller %than the smallest dust separation and in case of the dust in the bulk, the %collection impact parameter is comparable with the dust separation. Then the dust charges on multiple dust particles located at different positions in the discharge and arranged along the discharge axis are also computed. It is found that the charges of the multiple dust particles in the bulk or presheath do not differ much from the single particle values at that location. But the dust charges of multiple dust particles located in the sheath drastically differ from the single dust parameter values. Due to ion focusing from dust particles in the upper layers, the ion current increases to dust particles in the lower layers resulting in smaller charge values. This is as well the case where dust particles are vertically aligned as in the standard experiments of dusty plasmas. In conclusion, this work used a fully kinetic (PIC and MD or $P^3M$) model to study the physics of dust charging in rf plasmas. Our simulations revealed that the dust parameters vary considerably from the bulk to the sheath. The CX collisions increase flux to the dust thereby affecting the dust parameters and their scaling with dust size. Also, a dust particle affects the charging dynamics of its neighbor only when their separation is within the shielding length. In the plasma sheath, ion focussing can cause great reduction in dust charges.
Understanding the fundamental mechanisms in the extracellular matrix of cells (ECM) is crucial for the development of drugs and biomaterials. Therefore, an atomistic model of the extracellular matrix is a cost-efficient way to observe influences of drugs, test the effect of mutations or misfolds in proteins or study the properties of fibril or network-forming peptides.
With this thesis, a refined molecular model of an adhesion complex is proposed that contains collagen, fibronectin and the cell receptor integrin. During the building of the model, major new insights are given for each of these proteins and a powerful protein-folding algorithm is
developed.