Modellstudien mit synthetischen Analoga: Beiträge zum Verständnis der Funktion von Fe/S-Cofaktoren mit alternativen Clusterliganden

• Antragsteller: Professor Dr. Franc Meyer
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311772602

Eisen-Schwefel (Fe/S) Cluster zählen zu den ältesten und am weitesten verbreiteten biologischen Cofaktoren und treten in nahezu allen Lebensformen auf. Ihre vorrangige Rolle ist Elektronentransfer (ET), und ein Sortiment an Fe/S-Clustern verschiedener Nuklearität wird dafür in der Natur genutzt. Sie enthalten meist einen sulfidverbrückten Eisencluster-Kern, der terminal an Cystein (Cys)-Thiolatliganden des Proteins gebunden ist. Chemisch hergestellte Analoga der Aktivzentren von Fe/S-Proteinen haben wesentlich zum Verständnis der elektronischen Struktur und intrinsischen Eigenschaften der biologischen Cofaktoren beigetragen. In den letzten Jahren wird nun eine zunehmende Anzahl von Proteinen entdeckt, die Fe/S-Cluster mit Nicht-Cystein-Liganden, sog alternativen Clusterliganden, aufweisen. Dies geht einher mit einer rasch wachsenden Zahl neuer Funktionen biologischer Fe/S-Cofaktoren, darunter ihre Beteiligung an der Sensorik kleiner Moleküle wie NO, Radikalreaktionen und Katalyse.In Fortsetzung der Arbeiten der ersten Förderperiode und aufbauend auf den bislang erreichten Ergebnissen hat dieses Projekt letztlich zum Ziel, die Funktion von Fe/S-Cofaktoren mit alternativen Clusterliganden durch Einsatz neuartiger synthetischer Analoga zu entschlüsseln. Spezifische Ziele sind: (A) Die Aufdeckung intrinsischer Trends für die thermodynamischen und kinetischen Parameter von protonengekoppelten Elektronentransfer-Reaktionen (PCET) an Fe/S-Clustern, vor allem an [2Fe-2S]-Clustern mit gemischten Cys/His-artigen terminalen Liganden, um deren potentielle Rolle bei PCET-Reaktionen aufzuzeigen. (B) Das Verständnis intrinsischer Ligandenumlagerungs- und Austauschprozesse in speziell konstruierten [2Fe-2S] Clustern, was von Bedeutung für das Verständnis des Ligandenaustausches bei der biologischen Reifung und Übertragung von Fe/S Clustern ist; insbesondere wird nun die Herausschälung von [2Fe-2S]-Einheiten und größeren Fragmenten aus der Polymerstruktur von festen Thioferraten (MFeS2) untersucht. (C) Die Charakterisierung der Produkte, die bei der Reaktion von Stickstoffmonoxid mit S/N-koordinierten [2Fe-2S]-Clustern entstehen; insbesondere soll der Einfluss verschiedener Oxidations- und Protonierungszustände des Clusters auf den Reaktionsverlauf und auf einen möglichen Crosstalk von NO, H2S und anderen kleinen Signalmolekülen aufgeklärt werden. (D) Die Nachbildung und das Verständnis der Radikalreaktivität von Fe/S-Cofaktoren die in sog. Radikal-SAM-Enzymen als Substrate für die Schwefelübertragung in Naturstoff-Biosynthesen wirken, u.a. in der Biotin-Synthase (BioB) oder Lipoyl Synthase (Lipa). (E) Die Bereitstellung chemisch synthetisierter Fe/S-Modellsysteme, die als Referenzsysteme für neue spektroskopische oder analytische Verfahren dienen, für andere Gruppen im SPP-Netzwerk. Darüber hinaus werden Synthesestrategien verfolgt, die einen ersten Fe/S-Cluster mit Carbid- (C) oder Carbin-Einheit (CR) innerhalb des Clusterkerns zugänglich machen sollen.

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