Hydration and Ion Binding of Small Biologically Active Molecules: The Case of Neurotransmitters

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	Januar 2020
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr Richard Buchner
Tag der Prüfung:	5 Dezember 2019
Institutionen:	Chemie und Pharmazie > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Lehrstuhl für Chemie IV - Physikalische Chemie (Solution Chemistry) > PD Dr. Richard Buchner
Stichwörter / Keywords:	Dielectric Relaxation Spectroscopy; Hydration; Ion Binding; Neurotransmitter; Solvation; DRS;
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	41406

Zusammenfassung (Englisch)

Despite the emergence of many different techniques to study the solvation of various solutes during the last decades, fundamental rules and guidelines for the description of the hydration structure and dynamics are still lacking. It seems that despite recent advances in these felds, many questions are still open and fnding answers to at least some of these matters could be of crucial importance ...

Zusammenfassung (Englisch)

Despite the emergence of many different techniques to study the solvation of various solutes during the last decades, fundamental rules and guidelines for the description of the hydration structure and dynamics are still lacking.
It seems that despite recent advances in these felds, many questions are still open and fnding answers to at least some of these matters could be of crucial importance for chemistry, biochemistry and chemical engineering.
However, in order not to get hopelessly lost in its complexity of this issues, it is instructive to focus on a certain class molecules. Thorough investigations of their physico-chemical behaviour in aqueous solution could infer information on the solute-solute and solvent-solvent
interactions. These data, in the case of biologically relevant solutes, could shed some light on their biological activity and, on the other hand, could potentially be used for the construction of models for other solutes.

This work presents an in-depth investigation of the structure, solvation and dynamics of aqueous solutions of some selected neurotransmitters and other chemically-related, biologically relevant molecules by the means of dielectric relaxation spectroscopy (DRS) in the megahertz to gigahertz
frequency range.

A special focus of this thesis is the interpretation of the DRS results on a microscopic level with the aid of quantum chemical calculation of the investigated molecules. Comparisons of these results with other theoretical and experimental approaches will be drawn, with the aim to provide a coherent picture and thus to build a bridge between the different techniques.
Furthermore, new mathematical approaches for the analysis of the DR spectra were developed and utilized in this work.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Ungeachtet der Entwicklung von vielen verschiedenen Methoden zur Charakterisierung der Solvatation verschiedener gelösten Substanzen in den letzten Jahrzehnten, mangelt es immer noch an eindeutige Regeln und Leitfäden zur Beschreibung der Hydratationsstruktur and Dynamik. Es scheint, dass trotz der neusten Fortschritte in diesen Feldern viele Fragen fragen noch offen bleiben. Die Klärung ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Ungeachtet der Entwicklung von vielen verschiedenen Methoden zur Charakterisierung der Solvatation verschiedener gelösten Substanzen in den letzten Jahrzehnten, mangelt es immer noch an eindeutige Regeln und Leitfäden zur Beschreibung der Hydratationsstruktur and Dynamik. Es scheint, dass trotz der neusten Fortschritte in diesen Feldern viele Fragen fragen noch offen bleiben. Die Klärung zumindest einiger dieser Sachverhalte könnte von wesentlicher Bedeutung für die Chemie, Biochemie und das Chemieingenieurwesen sein.
Um jedoch sich nicht in der Komplexität dieser Sachverhalte zu verlieren, ist es lehrreich sich bei den Untersuchungen auf bestimmte Klassen von Molekülen zu fokussieren. Sorgfältige Untersuchungen der physikochemischen Eigenschaften von wässrigen Lösungen sind in der Lage Informationen zu den Wechselwirkungen des Lösungenmittels mit der gelösten Spezies und der Lösungsmittel-Lösungsmittel Wechselbeziehungen zu liefern. Diese Daten könnten im Falle von biologisch relevanten Substanzen, zum einen, die biologische Aktivität dieser beleuchten, und zum anderen, potentiell für das Erstellen von Modellen für andere Substanzen genutzt werden.

Diese Arbeit presentiert eine detaillierte Untersuchung der Struktur, Solvatation und Dynamik von wässrigen Lösungen von einigen Neurotransmittern und anderen chemisch verwandten, biologisch aktiven Molekülen mit Hilfe der Dielektrischen Relaxations Spektroskopie (DRS) im Megahertz- bis Gigahertzbereich.

Ein besoderes Augenmerk dieser Dissertation liegt auf der mikroskopischen Interpretation der DRS Ergebnisse unter Zuhilfenahme von quantumchemischen Kalkulationen der untersuchten Moleküle. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit anderen theoretischen und experimentellen Ansätzen wird hergestellt, mit dem Ziel ein kohärentes Bild zu erhalten und somit eine Brücke zwischen den unterschiedlichen Methoden zu schaffen.
Darüber hinaus wurden neue mathematische Konzepte für die Analyse der DR Spektren entwickelt und im Rahmen der Arbeit eingesetzt.

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