close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Konformationsuntersuchungen bei Polysacchariden mit Hilfe der Rotationsdispersion und des Circulardichroismus (7. Mitteilung)

код для вставкиСкачать
Die Angewandte Malcromolekulare Chemie 29\30 (1972) 431-439 ( N r . 3 7 6 )
Aus dem Institut fur Makromolekulare Chemie, Darmstadt, und dem Sonderforschungsbereich Chemie, Physik und biologische Funktionen der Makromolekule
(SFB 41)
Konformationsuntersuchungen bei Polysacchariden
mit Hilfe der Rotationsdispersion und des Circulardichroismus (7. Mitteilung)
Von HEIDEM. BOSSLER*
und ROLFC. SCHULZ
(Eingegangen am 18. Miirz 1972)
ZUSAMMENFASSUNG :
Die Bestimmung von Polymerkonformationen durch ORD- und CD-Messungen
1st nur moglich, wenn Absorptionsbanden und clemzufolge COTTON-Effekte vorhanden sind. I m Falle der Polysaccharide mussen Chromophore eingefiihrt werden,
ohne daB jedoch dadurch die Eigenschaften des Polymeren entscheidend veriindert
werden durfen. Polysaccharid-Kongorotkomplexe erfullen diese Bedingung ; ihre
ORD- und CD-Spektren weisen mehrere starke induzierte COTTON-Effekteauf. Bei
vollstiindiger Sattigung liegt im Am ylose-Kongorotkomplex ein Verhaltnis von
15 Glucoseresten pro Kongorotmolekul vor ; die Gleichgewichtskonstante der Komplexbildung ist K> 3 . 104 [l Mol-11.
Der Komplex entsteht durch die Anlagerung isolierter Kongorotmolekule an das
ist zu schliePolymere. Aus dem Dissymmetriefaktor bei 515 mp (g515 = 2,G .
Ben, d a B die induzierten COTTON-Effekte auf der Wechselwirkung der Farbstoffmolekeln mit asymmetrischen Kohlenstoffatomen der Grundbausteine beruhen.
Offenbar ist dies auch der Grund dafur, daB Mannan, das eine gestreckte Sekundarstruktur besitzt, einen Kongorotkomplex mit entgegengesetzten COTTON-Effekten
bildet.
SUMMARY:
The determination of polymer conformation by means of ORD and CD requires the
existence of COTTONeffects and consequently of absorption bands. For polysaccharides, chromophoric groups must be furnished which make no significant alteration
of the polymer's properties.
.Polysrtccharide-CongoRed complexes fulfil this postulate; their ORD- and CDspectra exhibit several strong induced COTTONeffects. I n case of complete saturation, 15 glucose units are equivalent to one dye molecule in the aniylose-CongoRed
complex, and the equilibrium constant of complex formation is found to be
K 2 3 . 104 [l Mol-11.
*
Vortrag anlaBlich der Tagung der GDCh-Fachgruppe ,,Makromolekulare Chemie"
in Bad Nauheim am 22. Miirz 1972.
431
H. M. BOSSLER
und R. C. SCHULZ
The complex structure comprises monomeric dye molecules bound separately to
the polymer. The dissymmetry factor determined for il = 51 5mp ( g 515 = 2,6 . 10-4)
shows the induced COTTONeffects t o be originated by interactions between Congo
Red and asymmetric carbon atoms of the base units. Evidently, this is the cause for
opposite-sign COTTONeffects in the case of Congo Red-salep mannan, a polysaccharide with a stretched secondary structure.
Einleitung
Die Eigenschaften eines Polymeren werden nicht nur durch die Primar-,
sondern auch durch Sekundarstrukturen und Strukturen hoherer Ordnung
bestimmt. Infolgedessen nimmt das Interesse an Polymeren mit geordneter
Struktur standig zu. Hier ist zunachst die Gruppe der taktischen Polymeren
zu nennen, die langst technische Bedeutung erlangt hat; hierher gehoren aber
auch die optisch aktiven Polymeren, die infolge ihres regelmaBigen Auf bauprinzips ebenfalls geordnete Strukturen und damit technisch interessante
Eigenschaften erwarten lassen. Als Beispiel seien hier die Synthese optisch
aktiver Polyester durch ringoffnende Polymerisation von Lactiden oder
Lactonen1 und die Herstellung optisch aktiver Polyamide aus den entsprechenden Lactamen2 erwahnt.
Zur Konformationsuntersuchung solcher optisch aktiver Polymerer lassen
sich Messungen der optischen Rotationsdispersion (ORD) und des Circulardichroismus (CD) heranziehen. Im Gegensatz zu monomeren, optisch aktiven
Molekulen ist im Polymeren niimlich eine Wechselwirkung zwischen den
chiralen Grundbausteinen moglich, die dazu fuhrt, daB die optische Aktivitat
des Makromolekuls nicht gleich der Summe der Drehwertbeitrage seiner
Grundbausteine ist. GroBe und Art der Wechselwirkung sind in starkem MaBe
konformationsabhangig ; folglich sind fur verschiedene Konformationen eines
Polymeren auch unterschiedliche ORD- und CD-Spektren zu erwarten. Sehr
eindrucksvoll wurde dies am Beispiel des Poly-L-lysin3 demonstriert.
Fur die vorliegenden Untersuchungen wurden nicht synthetische, optisch
aktive Polymere, sondern naturlich vorkommende Polysaccharide verwendet.
Der Grund hierfur liegt vorwiegend in der hohen optischen Reinheit, der Vielfalt und der leichten Zuganglichkeit dieser Substanzen. Als geeignetes, einheitliches Polysaccharid wurde Amylose, ein Bestandteil der Starke, ausgewahlt.
Abb. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Amylosemolekul. Das
Polymere ist ausschlieBlich aus D-Glucosegrundbausteinen aufgebaut, die
uber die Kohlenstoffatome 1 und 4 a-glykosidisch verknupft sind; es ist unverzweigt und wasserloslich. Die Abb. zeigt, daB die a-glykosidische Bindung eine
Krummung des Molekuls zur Folge hat. Tatsachlich war Amylose das erste
Biopolymere, fur das eine Helixstruktur im festen Zustand nachgewiesen
432
Konformationsuntersuchungen bei Polysacchariden
n
Abb. 1. Kugel-Stab-Model1eines Ausschnitts aus einem Ainylosemolekul.
werden konnte4; die Konformation in waBriger Losung ist jedoch bis heute
umstritten5. 6 .
Amylose besitzt Absorptionsbanden erst weit unterhalb 200 mp. Das ORDSpektrum weist also im zuganglichen Wellenlangenbereich weder Extrema
noch Wendepunkte auf, die zur Ermittlung von Sekundarstrukturen in
Lijsung herangezogen werden konnten. Durch Anwendung der DRuDE-Gleichung ist zwar in solchen Fallen eine rechnerische Ext,rapolation der Kurve
auf den Bereich des langwelligsten COTTON-Effekts moglich ; dieses Verfahren
hat jedoch bisher keinen eindeutigen Hinweis auf das Vorliegen verschiedener
Amylosekonformationen unter unterschiedlichen Bedingungen liefern konnen73 8.
Arnylosederivate
Da sich nun die COTTON-Effekte der Amylose weder direkt messen noch mit
ausreichender Sicherheit berechnen lassen, ist die Untersuchung von ORD
und CD zur Konformationsbestimmung nur dann sinnvoll, wenn es g e h g t ,
das Polysaccharid mit geeigneten Chromophoren zu versehen. So haben beispielsweise BITTICERund K E I L I C H ~durch Umsetzung mit Phenylisocyanat die
Amylose- und Cellulosecarbanilate hergestellt,. Die ORD- und CD-Spektren
dieser Substanzen weisen erwartungsgemaB CoTToN-Effekte auf; aus den Abweichungen zwischen den Spektren des Amylose- und des Cellulosederivats
schlieBen die Autoren auf eine unterschiedliche Konformation der beiden
Polysaccharide in Losung.
Eine wesentliche Einschrankung dieser Methode besteht in der einschneidenden Veranderung, die das Polymere dabei erleidet: Ergebnisse, die an den
Derivaten erhalten werden, lassen sich sicher nicht ohne weiteres auf das unsubstituierte Polymere ubertragen. Es ist jedoch bekannt, daB auch dann
COTTON-Effekte auftreten konnen, wenn der Chromophor lediglich durch
ionische Bindungen oder auch durch noch schwachere Wechselwirkungen an
das optisch aktive Polymere gebunden ist. Man bezeichnet dieses Phanomen
als ,,induzierte optische Aktivitat".
433
H. M. BOSSLER
und R. C. SCHULZ
Jod-Amylose
So konnten wir beispielsweise zeigen, daB der bekannte blaue Jod-Amylosekomplex induzierte COTTON-Effekte aufweistlo. MaBnahmen, die geeignet sind,
eine eventuelle Helixkonformation zu zerstoren, fiihren zum Verschwinden
sowohl der blauen Farbe als auch der COTTON-Effekte: ein Beweis dafiir, da13
der Jod-Amylosekomplex nicht nur im festen Zustand, sondern auch in
Lijsung eine Helixstruktur besitztll?12. Auch hier ist jedoch ein RiickschluB
auf reine Amyloselosungen nicht unbedingt erlaubt, da moglicherweise bei der
Komplexbildung eine kooperative Knauel-Helixumwandlung stattfindetl3.
Induziefte ComoN-Eflekte bei FarbstoQaddukten
Seit einigen Jahren ist bekannt, daB Farbstoffe mit optisch aktiven Polymeren wie Polypeptidenl4 und Nucleinsaurenl5 Komplexe bilden, die induzierte COTTON-Effekte aufweisen. Man fand zunachst, daB diese Effekte beim
Helix-Knauelubergang der Polymeren verschwinden und meinte schon, aus
dem Auftreten von induzierter optischer Aktivitat direkt auf eine Helixkonformation des Polymeren schlieaen zu konnenls. Spater zeigte sich jedoch, da13
auch denaturierte DNS17 sowie Polypeptide in der p-Forml* und sogar bei
Abwesenheit einer geordneten Sekundarstrukturlg Farbstoffkomplexe bilden,
die induzierte COTTON-Effekte besitzen.
zunehmende
PolyrnerFarbstoff Wechselw.
abnehmende
Farbstoff Farbstoff Wechselw.
Modell
nD
mD+P
2D+P
D+P
Abb. 2.
434
P
(D&
-
P(D,JCh
-
P(DP)~~
Pd
Zusammenstellung verschiedener Modelle fur chirale Farbstoffkomplexe.
Konformationsuntersuchungen bei Polysacchariden
I n Abb. 2 sind einige Modelle zusammengestellt, die das Zustandekommen
der induzierten optischen Aktivitat im Einzelfall erklaren konnen. Die Anordnung der verschiedenen Arten von Farbstoffkomplexen auf der schematisch
angedeuteten Polymerhelix geschah im Sinne zunehmender Polymer-Farbstoffwechselwirkung und abnehmender Farbstoff-Farbstoffwechselwirkung.I n
dem zur Verdeutlichung beigefugten Formelschema symbolisiert ,,P" das
chirale Polymere, ,,D" und ,,d" ein achirales bzw. chirales Farbstoffmolekul,
der Index ,,ch" eine chirale Konformation.
Zwei dieser Modelle, A und B, stellen Farbstoffaggregate mit chiraler
Sekundarstruktur dar, bei deren Entstehung die Polymerhelix als asymmetrischer Katalysator oder als Matrize dientl4. Zur Erklarung der induzierten
optischen Aktivitat nichthelicaler Farbstoffkomplexe mussen aber auch Farbstoffdimere mit dissymmetrischer Sandwichstruktur20 (Model1 C) und isoliert
gebundene Farbstoffmolekule~4 (Modell D) angenommen werden ; zur Verwirklichung dieser letztgenannten Modelle ist lediglich eine geordnete Struktur
kleiner Polymerbereiche erforderlich.
Arnylose-Kongorot
Wir konnten zeigen, daR Amylose mit dem Azofarbstoff Kongorot (I)einen
Komplex bildet, dessen ORD- und CD-Spektren ebenfalls induzierte COTTONEffekte aufweisen21.
(1)
Ziel unserer Untersuchungen war es nun zu prufen, ob diese induzierte optische Aktivitat wie im Falle einiger Polypeptide als Beweis fur eine geordnete
Struktur der Amylose in Lijsung gewertet werden darf. Die Bestatigung fur
eine solche Annahme ware das Verschwinden der COTTON-Effekte beim HelixKnauelubergang. Alle Manipulationen jedoch, die geeignet sind, eine eventuelle
Helixkonformation der Amylose zu zerstoren, wie z. B. Harnstoffzugabe, Erhohung von pH und Temperatur, beeintrachtigen gleichermaRen die komplexe
Farbstoff bindung. Ein Verschwinden der induzierten COTTON-Effekte hatte
also keinerlei Beweiskraft.
Wie Abb. 2 zeigt, ist ein ursachlicher Zusammenhang zwischen Polymerkonformation und induzierten COTTON-Effekten nur dann zu erwarten, wenn der
komplex gebundene Farbstoff hochaggregiert ist und selbst eine Helix oder
435
H. M. BOSSLERund R. C. SCHULZ
Superhelix bildet. Eine solche Aggregation als Ursache der induzierten optischen Aktivitat 1aBt sich jedoch durch Konzentrationsanderng nachweisen :
die induzierten COTTON-Effekte sollten in diesem Fall bei hoher Farbstoffkonzentration maximale Werte erreichen und bei steigendem PolymeriiberschuB schlieBlich verschwinden.
Es wurde deshalb die Abhangigkeit des Circulardichroismus von der Kongorotkonzentration bei konstanter Amylosekonzentration untersucht. I n
Abb. 3 ist jeweils der Wert fur den starksten COTTON-Effekt bei 515 my gegen
das Amylose-Farbstoffverhaltnis CA :CK aufgetragen. Die Kurve steigt mit
wachsendem Polymer-Farbstoffverhaltnis kontinuierlich an und erreicht
maximale Werte nicht bei hoher Farbstoffkonzentration, sondern erst bei sehr
grol3em AmyloseiiberschuB.
0
I
0
100
200
CA
CK
Abb. 3.
Abhiingigkeit des molaren Circulardichroismus &515 bei KongorotAmyloselosungen vom Amylose-Farbstoffverhiiltnis CA/CK. (Konstante
Amylosekonzentration; CA = 1,158 . 10-3 Grundmol/l).
Dieses Ergebnis zeigt, da13 im Kongorot-Amylosekomplex im Gegensatz zu
fast allen bekannten Polymer-Farbstoffkomplexen keine chiralen Farbstoffaggregate, sondern, wie in Model1 D der Abb. 2, isolierte Kongorotmolekiile
vorliegen. Die induzierten COTTON-Effekte konnen folglich nicht unmittelbar
als Beweis fiir eine helicale Amylosekonformation gewertet werden. Es bleibt
die Frage, ob die induzierte optische Aktivitat der. gebundenen Farbstoffmolekiile zumindest auf eine Nahordnung kleiner Polymerbereiche zuriickzufiihren ist.
436
h'onformationsuntersuchungen bei Polysacchariden
Abb. 3 zeigt, daB fur hohen AmyloseuberschuB ein konstanter Endwert des
Circulardichroismus erreicht wird. Offenbar sind in diesem Bereich alle Farbstoffmolekule komplex gebunden ; der Grenzwert A E , stellt also den Circulardichroismus des gebundenen Kongorots dar. Fur den COTTON-Effekt im sichtbaren Gebiet bei 1 = 515 mp ergibt sich aus dem Diagramm:
As, = 8 [1 . Mol-1 . cm-l];
der zugehorige Dissymmetriefaktor ist
AC515
g515
- = 2,6 . lo-*.
E515
Auf dieser Basis liBt sich fur jede Kongorotkonzentration der Anteil der
gebundenen Farbstoffmolekeln berechnen. Diese Werte liegen in der LANGMum-Auftragung auf einer Geraden, aus der sich die Gleichgewichtskonstante
der Komplexbildung und die Zahl der Glucoseeinheiten, die zur Bindung eines
Kongorotmolekuls erforderlich sind, bestimmen lassen. Der so erhaltene Wert
fur die Gleichgewichtskonstante ist
K 2 3 . 104 [l Mol-11.
Fiir die Komplexstochiometrie ergibt sich ein Verhaltnis von Kongorot zu
Glucoseeinheiten von 1 : 15; und tatsachlich wird Kongorot von niedrigen
Oligomeren der Amylose nicht gebunden22.
Manmn-Kongorot
Mannan aus tubera salep ist wie Amylose ein lineares Polysaccharid in 1,4Verkniipfung, das sich nur durch die Konfiguration der Kohlenstoffatome
C-1 und C-2 von der Amylose unterscheidet. Die Konfigurationsanderung am
C- 1 bewirkt zugleich eine /?-glykosidischeVerkniipfung ; Mannan kann also wie
Cellulose eine gestreckte, aber keinesfalls eine Helixkonformation annehmen.
Die groBe llhnlichkeit der beiden Polysaccharide lie13 erwarten, da13 auch
Mannan einen entsprechenden Kongorotkomplex bilden wurde. Diese Annahme konnte durch ORD- und CD-Messungen bestatigt werden. Abb. 4 zeigt
das Circulardichrogramm des Kongorot-Mannankomplexes ; zum Vergleich ist
die Kurve des Amylosekomplexes wiedergegeben. Diese Spektren sind interessanterweise innerhalb eines gewissen Spektralbereiches nahezu spiegelbildlich.
Struktur der Kongorot- Polysacchuridkompkxe
Fur das Zustandekommen der COTTON-Effekte im Falle dieser KongorotPolysaccharidkomplexe sind auf der Grundlage des Modells D, namlich isoliert
gebundener Farbstoffmolekule, verschiedene Erkliirungen denkbar. Die vorliegenden Ergebnisse lassen vermuten, daB die induzierte optische Aktivitat
437
H. M. BOSSLER
und R. C. SCHULZ
Abb. 4. CD von Kongorot-Mannan (-)
und Kongorot-Amylose (. . .). A S bezogen auf Kongorot (C = 1,002 . 10-4 Mol/l); das Verhaltnis von Kongorot zu Glucose-Grundbausteinenist 1 :23.
nur auf der Wechselwirkung des Farbstoffes mit bestimmten asymmetrischen
Kohlenstoffatomen der Polysaccharide beruht. Hierfiir spricht einerseits die
GroBenordnung des gefundenen Dissymmetriefaktors; andererseits erscheint
auf dieser Basis auch die Spiegelbildlichkeit der CD-Kurven des Amylose- und
des Mannankomplexes plausibel.
Die induzierten COTTON-Effekte des an Polysaccharide gebundenen Kongorots sind folglich nicht unmittelbar durch eine chirale Sekundarstruktur und
sehr wahrscheinlich auch nicht durch eine Nahordnung der Polymeren hervor~~
jedoch durch Extinktionsmessungen
gerufen. CARROLLund C H E U N Ghaben
feststellen konnen, daB die Komplexbildung durch Verzweigungen empfindlich
gestort wird. Moglicherweise kann eine Anlagerung der langgestreckten
Kongorotmolekiile nur dann s t a t t h d e n , wenn das Polymere eine geordnete
Struktur besitzt. Die induzierten COTTON-Effekte der Kongorot-Polysaccharidkomplexe waren in diesem Fall zumindest ein mittelbarer Beweis fur eine solche
geordnete Sekundarstruktur der untersuchten Polysaccharide.
1
3
4
J. KLEINEund H. H. KLEINE,Makromol. Chem. 30 (1959) 23
R. C. SCHIJLZ,IUPAC Int. Symp. on Macromol. Chem., Budapest 1969, 185
E. SCHMIDT,
Angew. Makromol. Chem. 14 (1970) 185
N. GREENFIELD,
B. DAVIDSON
und G. D. FASMAN,
Biochemistry 6 (1967) 1630
R. S. BEAR,J. Amer. Chem. SOC.64 (1942) 1388
V.S. R. RAO,N. YATHINDRA
und P. R. SUNDARARAJAN,
Biopolymers 8 (1969)
325
6
W. BANESund C. T. GREENWOOD,
Eur. Polym. J. 5 (1969) 649
438
Iionformationsuntersuchungen
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
2o
21
22
bei Polysacchariden
W. B. NEELY,J. Org. Chem. 26 (1961) 3015
R. M. PURVINAS
und H. F. ZOBEL,Carbohyd. Res. 10 (1969) 129
H. BITTIGER
und G. KEILICH,Biopolymers 7 (1969) 539
R. WOLFund R. C. SCHULZ,
Tetrahedron Lett. 19 (1967) 1799
R. WOLFund R. C. SCHULZ,
J. Macromol. Sci. A 2 (1968) 821
R . C. SCHULZ,
R. WOLFund H. MAYERROFER,
Kolloid-Z. Z. Polym. 227 (1968
65
F. W. SCHNEIDER,
C. L. CRONANund S. K. PODDER,
J. Phys. Chem. 72 (1968)
4563
M. GRATZEL,A. HENGLEIN,M. SCHEFFLER,
H. M. BOSSLERund R. C. SCHULZ,
Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 76 (1972) 72
L. STRYER
und E. R. BLOUT,J. Amer. Chem. SOC.83 (1961) 1411
D. M. NEVILLE,jr. und D. F. BRADLEY,
Biochim. Biophys. Acta 50 (1961) 397
A. L. STONE,Biopolymers 2 (1964) 315
A. BLAKEund A. R. PEACOCKE,
Biopolymers 5 (1967) 383
S. MAKINO,
N. MURAI und S. SUGAI,J . Polymer Sci. B 6 (1968) 477
B. C. MYHR und J. G. Foss, Biopolymers 4 (1966) 949
B. J. GARDNER
und S. F. MASON, Biopolymers 5 (1967) 79
H. M. BOSSLERund R. C. SCHULZ,
Kolloid-Z. Z. Polym. 239 (1970) 578
B. CARROLLund H. C. CHEUNG,
J. Phys. Chem. 66 (1962) 2585
439
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
420 Кб
Теги
circulardichroismus, bei, mitteilung, der, hilfe, polysaccharides, rotationsdispersion, konformationsuntersuchungen, mit, des, und
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа