close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ein zwei Metalle enthaltendes Modellsystem fr Cytochrom P450 Einflu des Membranmilieus auf die katalytische Oxidation.

код для вставкиСкачать
ZUSCHRIFTEN
[4] M. R. Gunner, Curr. Z p . Biocnerg. 1991, 16, 319.
[ S ] C. A. Hunter. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1991. 749.
[6] C. A. Hunter, D. H. Purvis. Angew. Chem. 1992, 104, 779; Angew. Chem. Int.
Ed. Engl. 1992, 31, 792.
[7] R. S. K. A. Oamage, A. J. McQuillan. B. M. Peake, J. Chem. Soc. Faraday
Trans. 1991, 87. 3653.
[8] Eine Verschiebung zu kiirzeren Wellenliingen und ein Verlust an Schwingungsfeinstruktur ah Folge von H-Briicken spricht fur einen n-rr*-Ubergang: H. H.
Jaffe, M. Orchin, Theory und Applicalions of Ultraviolet Spectrosropy. Wiley.
New York, 1962.
191 Die Gleichgewichts-Molekiildynamik-Simulationenwurden mit QUANTA
und dem CHARMm-Kraftfeld durchgefiihrt; B. R. Brooks, R. E. Bruccoleri,
B. D. Olafson, D. J. States, S. Swaminathan. M. Karplus, J. Comput. Chem.
1983,4,187. Die partiellen Atomladungen von Q und Q'- wurden mit MNDO
berechnct.
[lo] Die r-a-Wechselwirkungen in diesem System haben eine relativ schwaclieelektrostatische Komponente. und wir nehmen an, dab sie einen sehr geringen
EinfluB auf die Eigenschaften des Substrats haben. Siehe C . A. Hunter.
J. K. M. Sanders, J. A m . Chem. Soc. 1990, flZ, 5525.
(1I] Die ,,subtractively normalised interfacial Fourier transform infrared spectroscopy" (SINFTIRS, normalisierte intrrCaciale Fourier-Transformations-lnfrarot-Difftrenzspektroskopie) ist beschrieben von J. K , Foley, El6,clroanal.
Chem. 1986, 14. 309.
[12] S. Krimm, J. Bandekar, A h . Protein Chem. 1986. 38, 181.
Bei unseren Untersuchungen neuartiger, supramolekularer
Katalysatoren fanden wir, dalj der Rhodiumkomplex [Rh"'($Cp*)(bpy)C1,] (Cp* = Pentamethylcyclopentadienyl, bpy =
2,2'-Bipyridin) ein wirksamer Katalysator fur die Reduktion
von Mangan(II1)-Porphyrinen durch Natriuinformiat ist 14]. Wir
berichten nun iiber em membrangebundenes Cytochrom-P,,,Modell, das Alkene mit beachtlichen Wechselzahlen epoxidiert.
Das System ist aufgebaut aus Vesikeln, die [5,10,15,20-Tetrakis(2,6-dichlorphenyl)porphynndto]mangan(111)-acetat ([Mn'"(t,, 6 diCIPP)]) 1 als Katalysat~r[~I,
N-Methylimidazol als axialen
Liganden und den amphiphilen Rhodium(rrr)-Komplex ZL6]zusammen mit Natriumformiat als Elektronendonor enthalten.
Wir stellten fest, da0 die Art der Membran einen enormen Einflu0 auf die katalytische Aktivitat des Modellsystems hat.
Ein zwei Metalle enthaltendes Modellsystem
fur Cytochrom Pds0:EinfluB des Membranmilieus
auf die katalytische Oxidation**
Albertus P. H. J. Schenning, Dominicus H. W Hubert,
Jan H. van Esch, Martinus C. Feiters u n d Roeland
J. M. Nolte"
Cytochrom Pks0katalysiert eine Vielzahl von Oxidationen,
darunter die Hydroxylierung von Alkanen und die Epoxidierung von AlkenenI']. Das aktive Zentrum dieses membrangebundenen Enzyms enthalt eine Ham-Einheit und eine Thiolatgruppe als axialen Liganden. Der Katalysecyclus umfaRt die
Bindung eines Substratmolekuls, die Reduktion von Eisen(m)
zu Eisen(rr) und die Bindung und die reduktive Spaltung von
molekularem Sauerstoff, wobei formal ein Oxoeisen(v)-Komplex gebildet wird, welcher sein Sauerstoffatom auf das gebundene Substratmolekul iibertragt. Das Eisenzentrum erhalt die
Elektronen uber ein Flavoprotein von NADPH.
Wegen der biologischen Bedeutung von Cytochrom Pds0dieses Enzym spielt eine entscheidende Rolle beim Stoffwechsel
endogener und xenobiotischer Verbindungen - und weil dieser
Prototyp ekes Oxidationskatalysators als Modell fur eine neue
Generation von synthetischen Katalysatoren dienen konnte,
wird gegenwlrtig in vielen Arbeitsgruppen versucht, die Funktionsweise von Cytochrom Pds0mit Modellverbindungen zu simulieren[2]. Bisher sind nur wenige Modelle beschrieben worden, die die wesentlichen Merkmale des naturlichen Systems
miteinander verbinden, also molekularen Sauerstoff als Oxidationsmittel, ein Metalloporphyriii als Katalysator, einen Elektronendonor und ein Membransystem, das diese Komponenten
enthalt[']'. Alle Modelle haben den Nachteil, daB sie eine sehr
schwache katalytische Aktivitat aufweisen.
[*] Prof. Dr. R. J. M. Nolte, Dip1.-Chem. A. P. H. J. Schenning, D. H. '8 Hubert,
Dr. J. H. van Esch, Dr. M. C. Feiters
Department of Organic Chemistry
NSR Center, University of Nijrnegen
Toernooiveld. NL-6525 ED Nijmegen (Niederlande)
Telefax: Int. /31-55-34-50
[**I Diese Arbeit wurde von der hollandischen Foundation for Chemical Research
(SON) rnit finanziellen Mitteln der hollandischen Organization for Scientific
Research (NWO) gcfordert.
+
Angew. Chem. 1994, f06,N r . 23/24
0 VCH Verlagsgesellsehafr mbH, 0 - 6 9 4 S t
Das Manganporphyrin 1 und der Rhodiumkomplex 2
wurden mit der Ethanol-Injekti~nsmethode[~~
in positiv geladene Vesikel aus Dimethyldioctadecylammoniumchlorid
(DODAC)I8] und in negativ geladene Vesikel aus Dihexadecylphosphat (DHP)[*] eingebaut. Mit Gelpermeationschromatographie und Elektronenmikroskopie konnte gezeigt werden,
ddB das Porphyrin und der Rhodiumkomplex an die Doppelschichten der Vesikel gebunden waren und daD die Struktur der
Vesikel durch den Einbau nicht zerstort wurde. Der Durchmesser der Vesikel bcider Amphiphile betrug ca. 4000 A. Die Fluoreszenzspektren von H2-t2,,-diCIPP zeigten sowohl in
DODAC- als auch in DHP-Vesikeln keine Selbstloschung, wenn
das Molverhaltnis von Porphyrin zu Amphiphil kleiner war als
0.005 ( T = 70 "C). Dies zeigt, dal3 sich unterhalb dieses Wertes
die Porphyrinmolekiile nicht aneit~anderlagern[~].
Die Zugabe
wasserloslicher Quencher (NaI und CuSO, im Falle der DODAC- bzw. DHP-Vesikel) veranderte das Fluoreszenzspektrum
von Vesikel-gebundenem H,-t,, ,-diCIPP nicht. Wahrscheinlich
befindet sich das Porphyrin im Inneren der Doppelschichtmembran der Vesikel. ESR-Untersuchungen rnit [Cu'l(t,, ,-diCIPP)]
anstelle von 1 liel3en erkennen, daB die Porphyrinmolekiile
in beiden Vesikeltypen parallel zur Oberflache ausgerichtet
sind['O].Der Aufbau des Modellsystems ist in Abbildung 1 dargestellt .
Wir untersuchten zuerst den EinfluB der Membranrnatrix auf
die Reduktion des Mangan(rI1)-Porphyrins. Dazu wurde der
zeitliche Verlauf der Abnahme der Absorption bei 660 nm
(Mn"'-Porphyrin) und der Zunahme der Absorption bei 448 nm
(Mn"-Porphyrin) im UV/VIS-Spektrum verfolgt, und zwar sowohl unter Argon als auch in Gegenwart von Luft. Das Molverhaltnis von Rhodiumkomplex zu Manganporphyrin wurde von
0.5 bis 10 variiert. Unter Argon wurde das Mn"'-Porphyrin
sowohl in DODAC- als auch in DHP-Vesikeln bei allen getesteten Rh/Mn-Verhaltnissen reduziert. Die Reduktionsgeschwindigkeit stieg dabei linear mit der Rh"'-Konzentration an. Bei
gleichem Rh/Mn-Verhaltnis war die ReduktionsgeschwindigWeinhcim,I994
0044-8249/94/2323-2587 J 1O.OO-t ,2510
2587
ZUSCHRIFTEN
4
-
VesikelmembranP
orphyrin 1
Abb. 1. Schematische Darstellung dcs Cytochrom-P,,,-Modellsystems und der katalysierten Reaktionen.
keit in DODAC-Vesikeln hoher als in DHP-Vesikeln ([Rh]/
[Mn] = I ; R,(DODAC) >I00 nmolL-' sK1, k,(DHP) = 20 f
2 nmol L - l s - '). Die Reduktion von Mn"' in DODAC-Vesikeln
lief auch in Gegenwart von Luft ab. Ein ahnliches Ergebnis
wurde fur DHP-Vesikel erhalten, wenn das Verhaltnis Rh/Mn
gr6Ber als 1 war, andernfalls wurde Mn" reoxidiert. In Abwesenheit des Rh"'-Komplexes oder des Formiats fand keine Reduktion statt. Diese Ergebnisse zeigen, daB das Rhodium-Formiat-System das mem brangebundene Mn"'-Porphyrin zu
reduzieren vermag. Vermutlich wirkt dabei der Rhodiumkom- als
plex - in Ubereinstimmung mit friiheren B~obachtungen[~~
redoxaktiver Phasentransfer-Katalysator. Die Reduktion von
Mn"' verlauft in den positiv geladenen Vesikeln rascher als in
den negativ geladenen, weil bei den ersteren die Formiatkonzentration an der Grenzflache zwischen der Doppelschichtmembran und der wllJrigen Phase hoher ist. Die Tatsache, da13 in
DODAC-Vesikeln generell und in DHP-Vesikeln bei einem Rh,/
Mn-Verhaltnis von uber 1 Mn" nicht reoxidiert wird, weist darauf hin, daB die Reduktion von Mn"' erheblich schneller ablluft
als die Reoxidation.
In einer zweiten Versuchsreihe untersuchten wir, ob unser
membrangebundenes Cytochrom-P,,o-Modellsystem Alkene
epoxidieren kann. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgefuhrt.
Alle untersuchten Substrate wurden durch das auf DHP-Vesikeln basierende katalytische System epoxidiert. Die Wechsel-
zahlen sind hoher als die rnit dem neulich von uns beschriebenen
Zweiphasensystem erreichtenI41. Sie liegen im gleichen Bereich
wie die mit dem naturlichen System zu beobachtenden Wechselzahlen (1 nmol Produkt pro min pro nmol Cytochrom P450)[11.
Anders als beim Zweiphasensystem bleibt der Katalysator wahrend der Reaktion weitgehend intakt. Die Bedeutung des Membranmilieus fur die katalytische Epoxidierung trat zutage, als
die DHP-Vesikel durch DODAC-Vesikel ersetzt wurden. In diesem Membransystein wurden Alkene nicht epoxidiert (vgl. die
letzten zwei Zeilen von Tabelle 1). Wahrscheinlich ist an der
positiv geladenen Grenzflache die Konzentration an H+-Ionen
zu niedrig, um die Bildung der katalytisch aktiven Oxomangan(v)-Spezies zu ermoglichen[' 'l. Wurdc im DHP-System das
Rh/Mn-Verhaltnis von 1 auf 10 erhoht, so nahm die Wechselzahl der Reaktion betrachtlich ab (Tabelle 1, Zeile 5). Diese Erscheinung ist moglicherweise darauf zuruckzufuhren, daB aufgrund der hoheren Konzentration an Rhodiumzentren mehr
Elektronen verfugbar sind. Dies begunstigt eine Nebenreaktion,
bei der Wasser entsteht (den ,,unproduktiven Reaktionspfad")[' ll.
Fassen wir zusammen: Wir haben ein zwei Metalle enthaltendes, membrangebundenes Cytochrom-P,,,-Modellsystem entwickelt, das die Epoxidierung von Alkenen mit beachtlichen
Wechselzahlen katalysiert. Momentan untersuchen wir, ob auch
katalytisch aktive Systeme zuganglich sind, die Substratselektivitat zeigen.
Experirnentelles
Reduktionsversuche: Die gewiinschten Mengen vorgefertigter Losungen von 1, 2,
N-Methylimidazol und DHP oder DODAC in Chloroform wurden in einem
Reagensglas gemischt. Das Losungsmittel wurde im Stickstoffstrom entfernt, wobei
ein homogener Film zuriickblieb. Dieser Film wurde in 100 gL Ethdnol/THF ( l / l ,
vjv) gelost und in 1.25 rnL 75 'C warinen Wassers injiziert. Die Suspension wurde
30min rnit Argon gespiilt und in eine Kiivette injiziert, die 1.25mL eines 75°C
warmen Ethylmorpholin/'Natriumformiat-Puffersenthielt. Resultierendes Milieu:
2.4 p~ 1,2.4 x n KM 2 (n = Rh/Mn-Molverhaltnis), 3.95 phi N-Methylimidazol und
910 p~ DODAC brw. DHP in einem Ethylmorpholin/Natriumformiat-Puffer
( 5 0 m ~ / 2 5 0 mpH
~ , =7.0); T=7O"C.
Epoxidierungsversuche: Milieubedingungen nach dem Mischen wie zuvor rnit
n = 1, jedoch mil dem Substrat als zusltzlrchem Bestdndteil(200 p ~ ) .Diesmal wurden die 100 pL der EthanoliTHF-Losung direkt in 2.5 m L Puffcrlosung (75 'C)
injiziert. Das Substrat wurde zugesetzt und das Reaktionsgemisch von Zeit zu Zeit
analysiert, indem ein Aliquot von 0.2 mL entnommen und mit 0.1 mL Diethylether
versetzt wurde, der Mcsitylen als internen Standard cnthielt. Diese Mischung wurde
kraftig geschiittelt (Vortex-Gerat) und zentrifugiert. Nach der Phasentrennung wurde sine Probe von 5 gL aus der Diethylether-Schicht entnommen nnd rnit GLC
aualysiert (Saule: Chrompack. WCOTICP-SILSCB; Temperaturprogramm: 70 "C
(2min), 1 0 K m i n ~ ', 2 2 0 3 C ( 2 m i n ) ) .
Tabelle 1. Epoxidierung von Alkenen durch das membrangebundene CytochromP,,,-Modellsystem [a].
Nr.
Membranbildner
Substrat
Produkt [b]
Wechselzahl [c]
1
2
3
4
5
6
7
DHP
DHP
DHP
DHP
DHP [el
DODAC
DODAC [el
a-Pinen
ris-S ti1hen
Limonen
Styrol
Styrol
Styrol
Styrol
a-Pinenoxid
r i . 4ti I benox id
Limonenoxid
Styroloxid [d]
Styroloxid
360
45
50
55
5
0
0
-
[a] Reaktionsbedingungen: siehe Experimenzellcs. Die Reaktion wurde rnit GasFliissig-Chromatographie (GLC) 1 h lang verfolgt. Danach war drr Katalysator
noch intakt. [h] Das einzige Reakhonsprodukt war das Epoxid: dieses zersetztc sich
allmahlich N anderen Produkten. Die Zersetrungsprozesse waren vom Rh/MnMolverhaltnis unabhiingig. Es wurde kein Epoxid gebildel, wenn keine Vesikel
vorhanden waren oder eine Komponente des katalylischen Systems fehlte. [c] [Epoxid]:[l] pro Stunde, berechnet anhand des Anfangsbereichs der Zeit-Umsatz-Kurve.
a-Pinmoxid wandelte sich innerbalb einer Stnnde LU iiber 90 'YOin Pinocamphon
um. IYas Limonenoxid zersetzt sich zu a.5 0 % zu bislang nicht identitizierten
Produkten. [d] Styroloxid und Stilbenoxid waren nnter den experimentellen
Bedingungen stabil. [el Molverhaltnis Rh/Mn = 10.
2588
C VC'H Verlagsgerellschaft mbH. 0-69451 Weinhelm, 1994
Eingegangen am 2. Mai 1994 [Z 68911
[l] F. P. Guengerich. J ; Biol. Chem. 1991, 266, 10019.
[2] J. P. Collmdn. X. Zhdng, V. J. Lee, E. S . Uffelman, J. I . Brauman, Science 1993,
261, 1404.
[3] a) J. H. van Esch, M. E Roks, R. J. M. No1te;J Am. Chem. SOC.1986, 108,
Groves, R. Neumann, ibid. 1989,111,2900; c) J. T. Groves, S. B.
6093; b) J. 'I:
Ungashe, ibid. 1990, 112, 7796.
[4] P. A. Gosling, J. H. van Esch. M. A. M. Hoffmann, R. J. M. Nolte, J Chem.
SOC.Chem. Commun. 1993,472.
[5] A. D. Adler, F. L. Longo, F. Kampas, J. Kim, J Inorg. Nucl. Chem. 1970, 32,
2443.
161 a) U. Kolle, M. Griitzel. Angew. Chem. 1987, 99, 572: Angew,. Chem. Int. Ed.
Engl. 1987, 26, 567; b) J. H. van Esch, M. C. Feiters, R. J. M. Nolte, J Urg.
Chem., eingereicht.
[7] L. A.M. Rupert, D. Hoekstra, J. B. F. N. Engberts, J. Am. Chem. SOC.1985,
107, 2628.
[XI A. M. Carmona-Ribeiro, Chein. Soc. RCP.1992, 209.
[9] A. P. H. J. Scheming, D. H. W. Hubert, M. C. Peiters, R. J. M. Nolte, unveroffcntlicht.
[lo] J. H. van Esch, M. C. Feiters, A . M. Peters, R. J. M. Nolte, J. Phys. Chem.
1994, 9R. 5541.
[Ill I . Tabushi, M. Kodera, .
I
Am. Chem. SOC.1986, 108, 1101.
0044-824919412323-2588 8 10 00 + 2SjO
Angew Chem. 1994, 106, Nu. 23/24
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
293 Кб
Теги
modellsystem, die, enthaltenden, auf, einflu, ein, katalytische, zwei, oxidation, cytochrome, p450, metally, membranmilieus, des
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа