Nichtenzymatische Analoga der Aminosäurebiosynthese – Erkenntnisse zum Ursprung des Lebens?
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die biochemische Aminosäuresynthese ausgehend von α-Ketosäuren erfolgt über einen eher ungewöhnlichen Umweg: Stickstoff, in Form von Ammoniak, wird zur Synthese von Glutamat durch reduktive Aminierung aus α-Ketoglutarat verwendet. Die Aminogruppe aller anderen natürlichen Aminosäuren oder ihrer synthetischen Vorstufen wird nachträglich durch Transaminierungsreaktionen mit Glutamat eingeführt. Ziel meines Forschungsprojekts war es zu untersuchen, ob dieser Umweg mit zugrundeliegende Reaktivitätstrends zusammenhängt, die bereits in der präbiotischen Chemie relevant waren. Zunächst wurde die nichtenzymatische Transaminierung untersucht. Durch systematisches Screening konnten mehrere Metallionen (Cu2+, Ni2+, Co2+, V5+) identifiziert werden, die die Transaminierungsreaktionen verschiedener Keto und Aminosäuren katalysieren. In einer detaillierten mechanistischen Studie wurde der Mechanismus dieser Reaktion und die spezifische Art und Weise, wie Metallionen als Katalysatoren wirken, aufgeklärt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konnte außerdem gezeigt werden, dass nichtenzymatische Transaminierungsreaktionen noch effektiver durch die Cokatalyse von Metallionen (Al3+, Fe3+) mit dem biologischen Coenzym Pyridoxal ermöglicht werden. Die identifizierten nichtenzymatischen Transaminierungsreaktionen ohne und mit dem Coenzym Pyridoxal laufen unter sehr milden Bedingungen ab, und sind daher potenziell für die Entstehung des Stoffwechsels relevant. Zweitens wurden Reduktionsreaktionen analysiert. Einerseits wurde die nucleophile Reaktivität der biochemisch relevanten Hydriddonoren NADH und NADPH anhand von Benzhydryliumionen charakterisiert und mit dem in der organischen Synthese üblichen Reduktionsmittel BH3CN– verglichen. Es wurde festgestellt, dass das BH3CN–-Ion im Vergleich zu den biologischen Hydriddonoren eine ähnliche nucleophile Reaktivität aufweist. Unter Verwendung von BH3CN– als Modellnucleophil wurde eine systematische kinetische Studie der Reduktion und reduktiven Aminierung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass α-Ketoglutarat, das einzige Substrat, das durch reduktive Aminierung biochemisch in die Aminosäure Glutamat umgewandelt wird, die am wenigsten reaktive der untersuchten Ketosäuren ist. Glutamat erwies sich jedoch in der ersten Projektphase als der thermochemisch beste Amindonor bei Transaminierungsreaktionen. Somit lässt sich die Bedeutung der reduktiven Aminierung von α-Ketoglutarat in der Biologie durch die Rolle von Glutamat als „energiereiche“ Aminspezies im Aminosäurestoffwechsel erklären, aus der alle anderen Aminosäuren bequem durch thermochemisch günstige Transaminierung gewonnen werden können. Abschließend wurde die Rolle von Metallionen in der direkten Reduktion von Ketosäuren mit NADH untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass einige als Lewis-Säuren wirkende Metallionen die Reaktivität von Ketosäuren um mehr als fünf Größenordnungen erhöhen und dadurch deren Reduktion mit NADH ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mechanistic Insight into Metal Ion-Catalyzed Transamination. Journal of the American Chemical Society, 143(45), 19099-19111.
Mayer, Robert J.; Kaur, Harpreet; Rauscher, Sophia A. & Moran, Joseph
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Quantifying Reductive Amination in Nonenzymatic Amino Acid Synthesis. Angewandte Chemie International Edition, 61(48).
Mayer, Robert J. & Moran, Joseph
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Mechanism and catalysis of nonenzymatic analogs of amino acid biosynthesis. Advances in Physical Organic Chemistry, 1-39. Elsevier.
Mayer, Robert J. & Moran, Joseph
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Metal-Pyridoxal Cooperativity in Nonenzymatic Transamination. Journal of the American Chemical Society, 145(24), 13357-13370.
Dherbassy, Quentin; Mayer, Robert J.; Muchowska, Kamila B. & Moran, Joseph
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Quantification of the hydride donor abilities of NADH, NADPH, and BH3CN−in water. Organic & Biomolecular Chemistry, 21(1), 85-88.
Mayer, Robert J. & Moran, Joseph
