Sulfido-Dithiolenkomplexe als Modelle für die molybdän- und wolframabhängigen Oxidoreduktasen - Synthese, Katalyse und biologische Aktivität zur Aufklärung von strukturellen Unsicherheiten, Struktur-Funktions Beziehungen und Biosynthese

• Antragstellerin: Professorin Dr. Carola Schulzke
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310986441

Eisen-Schwefel-Cluster spielen für Biosynthese und Funktion essentieller Oxidoreduktasen eine wichtige Rolle. Aspekte der Reifung und katalytischen Aktivität von Molybdän- und Wolframkofaktoren, die unmittelbar von FeS-Cluster-Proteinen abhängen (Stichwort: crosstalk), sollen untersucht werden. Zum Verständnis der entsprechenden Enyzme und ihrer Synergie, werden Methoden der Synthese, Charakterisierung sowie Evaluierung der Katalyse, der kinetischen Spezifikationen und der Wechselwirkungen mit Proteinen (Chaperonen/Apoenzymen) angewandt werden. Wichtige Fragen, die geklärt werden sollen, zielen insbesondere auf die Rolle des Sulfido-Liganden im aktiven Zentrum der Molybdän- und Wolfram-Enzyme (in vivo eingeführt durch IscS). Die Insertion des Sulfido-Liganden und insbesondere seine Funktion für die Reaktivität der Enzyme soll aus chemischer Sicht und im Detail verstanden, die katalytischen Reaktionsmechanismen aufgeklärt und dazu beizutragen werden, kompetent zwischen tatsächlicher und artefaktischer Anwesenheit solcher Sulfido-Funktionen in den aktiven Zentren zu unterscheiden. Dies wird insbesondere durch die Möglichkeit, in Modellkomplexen gezielte Isotopenmarkierung zu betreiben, gerade auch bei den Komplexen mit hochentwickelten Ligandensystemen, die bereits ihre Bindungsfähigkeit an Proteine bewiesen haben, den respektiven Erkenntnisgewinn vorantreiben. Die Ergebnisse dienen dem Verständnis zellulärer Prozesse; insbesondere Schwefel-Transfer bzw. Insertion, was für die dithiolenartigen (Molybdopterin) und den Sulfido-Liganden besonders relevant ist. Hochentwickelte Mono-Oxo-Bis-Dithiolen-Komplexe von Molybdän (sowie Wolfram), die schon verschiedene Aspekte des natürlichen Liganden Molybdopterin (MPT) berücksichtigen, werden dahingehend modifiziert werden, dass statt =O ein =S Ligand gebunden wird, wofür sich die Synthesewege über bis-Carbonylprekursoren als besonders zuverlässig erwiesen haben. Weiterhin werden elektrochemische Methoden zur Oxidation und Einführung zusätzlicher Sulfidokoordination (für MVIOS Spezies) untersucht werden. Ein weiterer Aspekt ist die Synthese von Azid Dithiolenkomplexen des Molybdäns, die benötigt werden, um die Inhibition der molybdänabhängigen Formiat Dehydrogenase aus E. coli durch Vergleich von spektroskopischen Enzym- und Modelkomplexdaten aufzuklären. Azid ist isoelektronisch zum Produkt der katalytischen Reaktion, CO2, und seine Bindungsweise dient auch der Aufklärung des entsprechenden Reaktionsmechanismus, der wiederum Implikationen für die CO2-Chemie hat. Neben einer umfassenden spektroskopischen Charakterisierung der synthetisierten Komplexe, werden auch deren katalytisches Potential, die kinetischen Eigenschaften und die biologische Aktivität untersucht werden. Letzteres bezieht sich auf die spezifische Bindung an Proteine, die an der Biosynthese der Molybdän- und Wolfram-Kofaktoren beteiligt sind, sowie an die entsprechenden Apoenzyme und die katalytische Aktivität der semi-synthetischen Enzyme.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1927: Iron-Sulfur for Life