Modelle für molybdän-, wolfram- und vanadiumhaltige Oxidasen - Wie beeinflusst die Umgebungstemperatur die Auswahl des Metalles für Enzyme mit gleichen Aufgaben?
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das bedeutsamste Ergebnis der Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes ist sicherlich die Beobachtung, dass das Redoxpotential von Wolframverbindungen stärker temperaturabhängig ist als jenes von Molybdänverbindungen. Diese Aussage beruht auf dem Vergleich von zwölf verschiedenen Paaren von Molybdän- und Wolfram-Verbindungen und auf weit über 3000 Messungen, z.T. auch in verschiedenen Lösungsmitteln. Man kann mittlerweile sicherlich zu recht behaupten, dass es sich um einen grundsätzlichen, fundamentalen Unterschied im Verhalten von Wolfram- und Molybdänverbindungen handelt. Zum einen liefert diese Erkenntnis einen möglichen (gegebenenfalls auch nur zusätzlichen) Grund für den evolutionären Wechsel vom Wolfram zum Molybdän, da stabilere Verhältnisse (Redoxpotentiale) bei schwankenden Umweltbedingungen von Vorteil sein dürften. Zum anderen kann sie aber auch dazu dienen, industrielle Redoxprozesse, bei denen Molybdän oder Wolfram beteiligt sind, gezielter zu steuem bzw. sogar dazu anregen, gegebenenfalls die Metalle auszutauschen. Interessant für Folgestudien ist sicherlich die Frage, ob sich dieser Trend (das schwerere Metall hat ein stärker temperaturabhängiges Redoxpotential) auch in anderen Gmppen des Periodensystems beobachten lässt und was eigentlich die Ursache für dieses unterschiedliche Verhalten ist. Weiterhin konnten wir vor allem mittels theoretischer Studien zeigen, dass der Pyrazinring neben Dithiolenfunktion und Pyranring einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf das Verhalten der entsprechenden Komplexe hat und möglichst in theoretischen und auch synthetischen Studien berücksichtigt werden sollte, um ein akkurates Bild vom natürlichen Liganden Molybdopterin zu erhalten. Der dritte Ring (der hintere Teil des Pterins) hingegen scheint verzichtbar zu sein. Versuche zur Öffnung des Pyrantrings in unseren synthetischen Modellen schlugen fehl. Grund hierfür könnte sein, dass der Pyrazinring, der an einer Öffnung im Enzym beteiligt ist, noch fehlt. Ein dringendes Anliegen für Folgeuntersuchungen ist also die Einbeziehung des Pyrazinringes. Die offene Form des Molybdopterins wird basierend auf unseren Untersuchungen am ehesten in Oxidationsstufe +6 am Metall erwartet und ihr Nutzen könnte in einer Erniedrigung der Reorganisationsenergie liegen. Vanadium kann kein Ersatz fiir Molybdän in den molybdopterinabhängigen Oxidoreduktasen sein. Das konnten wir unzweifelhaft zeigen. Andererseits kormten wir eine Vanadiumdithiolen Verbindung synthetisieren, die in der Lage ist, als Oxo-Transfer-Katalysator zu wirken. Das bedeutet, dass es durchaus möglich ist, dass Vanadiumenzyme existieren, die den Molybdän- und Wolframenzymen in gewisser Hinsicht ähnlich sind. Man würde hier jedoch erwarten, dass das Peptid und insbesondere die Proteinumgebimg des aktiven Zentrums deutlich imterschiedlich sind und dass auch ein anderes Substratspektrum bedient würde. Bemerkenswert und unerwartet war die beobachtete starke Toxizität von [VO(thiomaltolato)2], die ausschließlich durch den Austausch eines einzigen Ligandenatoms ausgelöst wird im Vergleich zu der harmlosen [VO(maltolato)2] Verbindung. Dies bedarf der weiteren Untersuchung, was schließlich zu einem besseren Verständnis der Stoffwechselwege für Vanadiumverbindungen führen könnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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New synthetic pathways to mono- and bis-dithiolene compounds of molybdenum and tungsten related to the active sites of the molybdopterin containing oxidases"
Qingwei Zhang
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„Synthese und DFT-Studien von Modellkomplexen molybdopterinhaltiger Enzyme"
Kerstin Starke
