Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Die Kenntnis der Transportmechanismen von polaren und unpolaren Molekülen durch biologische Membranen ist notwendig für das Verständnis von vielen biologischen Vorgängen. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis des Transportes von kleinen Molekülen durch Phospholipidmodellmembranen liefern. Hierzu wurden kinetische und kalorimetrische Messungen an Lipidvesikeln durchgeführt. Besonders großes Interesse bestand darin, zu klären, wie diese Moleküle die Membran durchqueren. Um das Permeationsverhalten von Wasser zu erforschen, wurden systematische Untersuchungen der osmotisch getriebenen und der diffusionskontrollierten Wasserpermeation an Lipiddoppelschichten, hergestellt aus Phospholipiden mit unterschiedlichen Kopfgruppen und unterschiedlichen Fettsäureketten durchgeführt. Dabei wurde auch die Permeationsgeschwindigkeit im Phasenumwandlungsbereich untersucht. Die diffusionskontrollierte Wasserpermeation wird mit Hilfe des H2O/D2O-Austauschverfahrens gemessen und bei osmotischen Messungen erzeugt man einen Konzentrationsgradienten zwischen intra- und extravesikulärem Raum. Es wurde für alle Lipide und Lipidgemische eine sprunghafte Zunahme der osmotischen und diffusiven Wasserpermeation an der Hauptphasenumwandlung gel -> flüssigkristallin gefunden. Die Permeabilitätskoeffizienten für die osmotische Wasserpermeation lagen bei allen Messungen um den Faktor 100 höher als die Werte für die diffusionskontrollierte Wasserpermeation. Im Phasenumwandlungsbereich durchlaufen die Permeabilitätskoeffizienten ein Maximum. Die experimentell gewonnenen Daten lassen einen Wassertransport durch transiente Poren, die sich durch Defektstellen und thermische Fluktuationen in der Doppelschicht bilden, vermuten und widersprechen einem Löslichkeitsdiffusionsmechanismus. Um den Einfluß des Konzentrationsgradienten auf die Permeation näher zu untersuchen, wurden osmotische Messungen mit unterschiedlichen Harnstoffkonzentrationen durchgeführt. Es zeigte sich, daß die Wasserpermeation abhängig vom angelegten Konzentrationsgradienten war, während die Harnstoffpermeation keine Abhängigkeit zeigte. Die stark unterschiedlichen Permeabilitätskoeffizienten der beiden Moleküle legen den Verdacht nahe, daß sie auf unterschiedlichen Wegen die Lipiddoppelschicht durchdringen. Um das Permeationsverhalten von kleinen Molekülen aufzuklären, wurden Messungen der diffusionskontrollierten Permeation vorgenommen. Desweiteren war von Interesse ob durch den Einbau von Detergensmoleküle in die Lipidmembran die Permeationseigenschaften der Moleküle verändert werden. Mit Hilfe der gewonnen Daten sind Rückschlüsse auf den Mechanismus der Permeation von kleinen Molekülen durch biologische Membranen möglich.
Die zweikernigen Eisenkomplexe [{CpR(OC)2Fe}2] (1) reagieren mit weißem Phosphor unter milden Bedingungen selektiv und in sehr guten Ausbeuten zu den Tetraphosphabicyclobutanderivaten 3, deren P4-Butterflygerüst durch zwei 17VE-{CpR(OC)2Fe}-Fragmente in exo/exo-Konfiguration stabilisiert ist. Mit der Röntgenstrukturanalyse des Tri-tert-butylderivates 3a konnte erstmals ein Molekül mit einem solchen Strukturinkrement vollständig charakterisiert werden. Sowohl die thermische als auch die photochemische Decarbonylierung von 3 führt zu den Cyclopentaphosphaferrocenderivaten [CpRFe(h5-P5)] (4) und den pseudo-Tripeldeckerkomplexen [{CpRFe}2(m-h4:4-P4)] (5), die sich auch durch die Langzeit-Cothermolyse der Eisendimere [{CpR(OC)2Fe}2] (1) mit überschüssigem weißen Phosphor herstellen lassen. Die beiden Tri-tert-butylderivate 4a und 5a konnten röntgenstrukturanalytisch untersucht werden. Die thermische Umsetzung äquimolarer Mengen der P4-Butterflymoleküle 3 mit Bisphenyl-acetylen führt zu sehr interessanten neuartigen Produkten: So konnte bei der Reaktion von 3a mit Tolan ein ferrocenanaloges Sandwichmolekül 7a, dessen zentrales Eisenatom jeweils von einem Tri-tert-butylcyclopentadienyl- und von einem 1,2,3-Triphospholylliganden h5-artig koordiniert ist, isoliert und ein solcher heteroaromatischer Ligand erstmals kristallstrukturanalytisch charakterisiert werden. Darüber hinaus konnte bei dieser Reaktion ein weiteres Sandwichmolekül - (Tri-tert-butylcyclopentadienyl)(tetraphospholyl)eisen(II) (8a) - NMR-spektroskopisch und massenspektrometrisch nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte bei der Umsetzung des Pentaisopropylderivates 3c mit Tolan ein zwar theoretisch vorhergesagter, aber bislang nicht experimentell bestätigter Undecaphosphor-Komplex isoliert und kristallstrukturanalytisch untersucht werden.
Im Laufe der letzten Jahre ergaben wissenschaftliche Beobachtungen, daß verschiedene anthropogene Umweltkontaminanten, auch als endokrin wirksame Substanzen oder endocrine disruptors bezeichnet, einen negativen Effekt auf das Reproduktionsvermögen von wildlebenden Tierpopulationen haben können. Für eine Reihe von Umweltkontaminanten, zuerst hauptsächlich in aquatischen Systemen beschrieben, wird vor allem eine estrogene Wirkung auf den Organismus diskutiert. In einigen Wildtierspezies, wie Alligatoren (Guilette, 1994), Seevögeln (Fry, 1981), Fischen (Jobling, 1993) und Mollusken (Bryan, 1986) wurde das Auftreten von strukturellen Geburtsfehlern der primären Geschlechtsorgane, Verhaltensanomalien beispielsweise während der Brutpflege und eine Verschiebung des Geschlechtergleichgewichtes bereits beschrieben.
Synthese und erste Anwendungen pH-sensitiver Spinmarker für site-specific spin-labelling Experimente
(1999)
Das Enzym F0F1-ATP-Synthase katalysiert die Phosphorylierung von ADP zu ATP unter Ausnutzung des durch die Atmungskette entstehenden Protonengradienten an Membranen. Hierbei pumpt der membranintegrale F0-Teil des Proteins Protonen durch die Membran und induziert die ATP-Synthese, welche auf dem peripheren, wasserlöslichen F1-Teil des Proteins (F1-ATPase) stattfindet. F0 besteht aus drei Proteinuntereinheiten der Stöchiometrie a b_2 c_9-12, während F1 aus fünf Untereinheiten der Stöchiometrie alpha_3 beta_3 gamma delta epsilon zusammengesetzt ist. 'Native' und nucleotidbefreite F1-ATPase aus Escherichia coli (EF1, mit und ohne intrinsischen Nucleotiden) wurde mit 2',3'-O-(1-Oxy-2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyliden)-adenosin-5'-triphosphat (SL*-ATP) als Mg2+-Komplex mit ESR-Spektroskopie untersucht. Durch Titrationsexperimente wurden die Bindungsstöchiometrie und die ESR-Spektren in Abhängigkeit der Nucleotidkonzentration ermittelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen deuten darauf hin, dass unabhängig von der Anwesenheit intrinsischer Nucleotide maximal 3 mol SL*-ATP pro mol Enzym ausschliesslich in den katalytischen Nucleotidbindungsstellen gebunden wurden. Molekülmodelle von SL*-ATP in den Bindungsstellen von mitochondrialer F1-ATPase unterstützten diese Resultate ebenso wie ATPase-Aktivitätstests von EF1 mit SL*-ATP als Substrat. Bei nucleotidbefreiter EF1 war die Substratsättigung bei substöchiometrischen Nucleotidkonzentrationen höher als beim nativen Enzym. Die ESR-Spektren von EF1 mit SL*-ATP.Mg2+ zeigten zwei au! f unterschiedliche Spinsonden-Mobilitäten hinweisende Komponenten beim nucleotidbefreiten Enzym und nur eine bei nativem Enzym. Ein verkürzter, wasserlöslicher Teil der b-Untereinheit von EF0 (b_sol) wurde mit Raum- und Tieftemperatur-ESR-Spektroskopie auf seine Struktur als Untereinheiten-Dimer alleine und an F1 gebunden untersucht. Bei Tieftemperatur-ESR-Spektren ist das Signalamplituden-Verhältnis von Tief- und Hochfeldsignal zu Zentralfeldsignal, auch als Kokorin-Zamaraev-Parameter bezeichnet, ein Indikator für dipolare Wechselwirkungen von Spinsystemen und somit für deren Abstand im Bereich von 8-25 Å. Es wurden einerseits verschiedene Cystein-Mutanten von b_sol (als b_syn bezeichnet) und andererseits eine Cysteinmutante von EF1 spezifisch kovalent mit Spinlabeln verknüpft. Die vermessenen b_sol-F1-Komplexe waren somit zum einen ausschliesslich an b, andererseits nur an EF1 und ferner sowohl an b als auch an EF1 spinmarkiert. Die Messungen ergaben, dass die Struktur des carboxyterminalen Bereichs von b_sol zwischen den Aminosäurenpositionen 124 und 139 alphahelikalen Charakter besitzt. Aufgrund vo! n Differenzen der Kokorin-Zamaraev-Parameter scheinen sich bei der Bindung von b_sol an EF1 die Helices der Untereinheiten des b_sol-Dimers gegeneinander zu verdrehen. Trotz Abwesenheit der delta-Untereinheit von EF1 schien b_sol an F1 zu binden. Die Strukturen von b_sol-Dimer alleine, im Komplex mit EF1 sowie EF1 ohne delta scheinen sich jeweils deutlich zu unterscheiden und weisen auf eine hohe Flexibilität der b-Untereinheit hin. Der Abstand der Nucleotidbindungsstellen auf den beta-Untereinheiten von EF1 zum Proteinrückgrat von b_sol ist mit mehr als 20-25 Å einzuschätzen, da mit der oberen Messtechnik keine dipolaren Wechselwirkungen ausgemacht werden konnten. Molekülmodelle eines b_syn-Dimerenfragments im Bereich der Aminosäurenpositionen 120-145 am carboxyterminalen Ende von b sowie verschiedener spinmarkierter Varianten des gleichen Dimerenfragments zeigten eine Verdrehung der beiden Helix-Längsachsen zueinander. Zwischen den Spinsystem-Abständen im Modell und den geme! ssenen Kokorin-Zamaraev-Parametern war eine Korrelation ersichtlich.
Die FoF1-ATP-Synthase katalysiert die Synthese von ATP aus ADP und Pi bei der oxidativen bzw. Photophosphorylierung. Der ATP-Synthase-Komplex läßt sich in zwei funktionelle Einheiten unterteilen: Fo ist ein integraler Membranproteinkomplex, der den Protonenkanal bildet. F1 hingegen ist ein wasserlöslicher Proteinkomplex, der die Nukleotidbindungsstellen trägt. Die ATP-Synthase aus Escherichia coli hat die Zusammensetzung alpha3beta3gamma delta epsilon für die F1 und ab2c9-12 für den Fo-Teil. "Native" (d.h. nicht nukleotidbefreite) F1 aus Escherichia coli (EF1) wurde mit verschiedenen spinmarkierten Adeninnukleotiden ESR-spektroskopisch vermessen. Es wurden Spektren mit zwei Signalen gemessen, ein Hinweis auf zwei verschiedene Konformationen der Bindungsstellen. Durch Titrationsexperimente wurden die Bindungsstöchiometrie und die Spektren für die verschiedenen verwendeten Nukleotide ermittelt. Die gleichen Experimente wurden mit einer Mutante, die in den nichtkatalytischen Bindungsstellen keine Nukleotide bindet, durchgeführt. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, daß zwei der drei katalytischen Bindungsstellen zum äußeren Signal beitragen, während die dritte das innere Signal hervorruft. Die Untereinheiten alpha; und beta der EF1, wurden isoliert und in gleicher Weise wie die F1 untersucht. Während alpha; 0,8 Moleküle SL-ATP binden konnte, zeigte beta keine Bindung. Mit 2',3'-SL-ATP in Komplex mit alpha; konnten ESR-Spektren mit zwei Signalen gemessen werden, die SL-ATP-Derivate, bei denen der Spin-Label entweder an der 2'- oder 3'-Position fixiert ist, zeigten lediglich ein Signal. Die beobachteten 2Azz-Werte unterscheiden sich stark in Abhängigkeit von der Position des Spin-Labels. Um die Bindung der F1 an den Fo-Teil und die Struktur des aus den b- und delta-Untereinheiten gebildeten zweiten Stiels zu untersuchen, wurden verschiedene Mutanten einer wasserlöslichen Form der b-Untereinheit (bsyn) mit dem Spin-Label IodacetamidTEMPO markiert. Das System F1/bsyn wurde mit den an unterschiedlichen Positionen markierten bsyn-Mutanten ESR-spektroskopisch untersucht. Dabei wurden Spektren von freiem bsyn sowie bsyn im Komplex mit F1 und F1-delta (alpha3beta3gamma epsilon) aufgenommen: Alle gelabelten b-Mutanten weisen ähnliche ESR-Spektren von stark mobilen Spin-Labeln auf. Die ähnlichen Werte lassen darauf schließen, daß der b-Dimer über weite Teile eine vergleichbare Struktur besitzt. Im Komplex mit F1 zeigen fast alle Mutanten eine stärkere Immobilisierung als die freien b-Mutanten. Tendenziell nimmt in Richtung des C-Terminus die Differenz der Hochfeld : Mittelfeld-Verhältnisse der Spektren von b und F1/b zu, was die Vermutung nahelegt, daß die Bindung von b an die F1 in Richtung des C-Terminus stärkeren Einfluß auf die Struktur hat. bsyn im Komplex mit F1-delta zeigt nur an einzelnen Positionen eine stärkere Immobilisierung des Spin-Labels. Es scheint somit wahrscheinlich, daß die b-Untereinheit außer über delta noch weitere Kontakte mit der EF1 hat.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Reaktionsverhalten von zweikernigen Eisencarbonyl-komplexen mit h5:3-koordinierten, verbrückenden Fulvenliganden gegenüber ausgewählten Alkinen untersucht. Hierzu kamen die drei Komplexe Pentacarbonyl(m-h5:3-6,6-diphenylfulven)dieisen(Fe-Fe) (1), Pentacarbonyl(m-h5:3-6-methyl-6-phenylfulven)dieisen(Fe-Fe) (2) und Pentacarbonyl[m-h5:3-6(E-prop-1-enyl)fulven]dieisen(Fe-Fe) (5) zum Einsatz. Die Charakterisierung der Produkte erfolgte anhand der IR-, 1H-NMR- sowie 13C-NMR-Spektren. Darüber hinaus konnte von den Verbindungen 7 und 19 eine Kristallstrukturanalyse angefertigt werden. Bei den Umsetzungen des literaturbekannten Komplexes 1 sowie bei den Umsetzungen von Komplex 2 mit ausgewählten Alkinen konnten jeweils fünf Produkte isoliert werden. Bei diesen insertiert das eingesetzte Alkin ausschließlich in ß-Position am Fünfring in die Eisen-Kohlenstoff-Bindung, wobei die CC-Bindungsknüpfung bei den verwendeten 1-Alkinen regiospezifisch an C2 erfolgt. Darüber hinaus konnte aufgrund NMR-spektros-kopischer Untersuchungen die Stellung der Methylgruppe am exocyclischen Kohlenstoff der aus den Umsetzungen mit 2 gebildeten Produkte, ausschließlich in Z-Position am Enylsystem nachgewiesen werden. Zusätzlich zur bislang nicht literaturbekannten Verbindung 2 konnten bei deren Synthese die beiden ebenfalls bislang unbekannten Komplexe Hexacarbonyl(m-h5:1-6-methyl-6-phenylfulven)dieisen(Fe-Fe) (3) und Tetra-carbonyl-(m-h5:5-1,2-dicyclopenta-dien-diyl-1,2-dimethyl-1,2-diphenylethan)dieisen (Fe-Fe) (4) isoliert werden. Bei den photochemischen Umsetzungen der literaturbekannten Verbindung 5 mit Alkinen erfolgt die CC-Bindungsknüpfung zwischen dem Alkin und dem Fulvenliganden nicht am Fünfring, sondern am exocyclischen Enylsystem. In einer Pauson-Khand-analogen Reaktion wird unter Einbezug eines Äquivalentes Kohlenmonoxid ein Cyclopentenonsystem generiert, dessen Sauerstoffatom an die Pentacarbonyldieiseneinheit koordiniert ist. Bei Verwendung von 2-Butin als Reaktionspartner kann zusätzlich Komplex 16 isoliert werden, welcher als ein Zwischenprodukt auf dem Wege der Synthese des Cyclopentenon-systems angesehen werden kann. Weiterhin konnten in den drei Verbindungen 1, 2 und 4 gehinderte Ligandbewegungen mit Hilfe der dynamischen NMR-Spektroskopie aufgefunden und studiert werden.
In der vorliegenden Arbeit wird das photochemische Reaktionsverhalten der Komplexe Tricarbonyl(h6-1,3,5,7-cyclooctatetraen)chrom(0) ( 1) und Tricarbonyl(h6-1,3,5-cyclooctatrien)chrom(0) ( 2) gegenüber Alkinen untersucht. Zur Charakterisierung aller Produkte wurden IR-, 1H-NMR- und 13C-NMR-spektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Massenspektroskopische Messungen und Elementaranalysen ergänzen die analytischen Daten. An Hand der synthetisierten Verbindungen werden abhängig vomSubstitutionsmuster der eingesetzten Alkine für beide Ausgangskomplexe drei verschiedene Produkttypen identifiziert.Beide Komplexe reagieren mit sterisch aufwendigen Alkinen, wie Tolan und 1- Phenyl-2-trimethylsilylethin durch [6+2]-Cycloaddition zu den 1:1-Addukten des Typs A. Aus 1 werden die Tricarbonyl(h4:2-bicyclo[4.2.2]deca-2,4,7,9-tetraen)chrom(0)- Komplexe und aus 2 die Tricarbonyl(h4:2-bicyclo[4.2.2]deca-2,4,7-trien)chrom(0)-Komplexe gebildet. Mit sterisch weniger aufwendig substituierten Alkine, wie 2-Butin (9) und 3-Hexin ( 10), sowie endständige Alkine, wie Trimethylsilylethin ( 7) und 3,3-Dimethyl-1-butin ( 8) werden die 2:1-Produkte des Typs B durch Tandem-[6+2]- homo-[6+2]-Cycloadditionen mit nachfolgender De- und teilweiser Rekomplexierung gebildet. Hierbei entstehen aus 1 Tetracarbonyl(h2:2-tetracyclo[9.1.0.04,8.05,12]- dodeca-2,6,9-trien)chrom(0)-Komplexe. Mit 2 werden die Kohlenwasserstoffe Tetracyclo[9.1.0.0 4,8.05,12]dodeca-6,9-dien erhalten. In einer Konkurrenzreaktion entstehen bei der Umsetzung mit den Alkinen 9 und 10 durch nacheinander ablaufende [6+2]- und [2+2]- Cycloadditionen die 2:1-Produkte des Typs C. Aus 1 werden hierbei Tetracarbonyl( h2:2-tricyclo[6.2.2.02,5]dodeca-3,6,9,11-tetraen)- chrom(0)-Komplexe und aus 2 werden die Kohlenwasserstoffe Tricyclo[6.2.2.0 2,5]dodeca-3,6,9-trien gebildet. Mit den endständigen Alkinen werden ausschliesslich die koordinierten bzw. freien Tetracyclen B erhalten. Mit den Alkinen 9 und 10 wird dieser Typ nur als Nebenprodukt isoliert. Das mit diesen Alkinen gebildete Hauptprodukt sind die Tricycloverbindungen des Typs C. Die Erklärung fürdiese zwei verschiedenen Produkttypen ist aus der mechanistischen Betrachtung der chromvermittelten Cycloadditionen zu verstehen. Bei der photochemischen Umsetzung von Tricarbonyl( h6-1,3,5,7-cycloocta-tetraen)chrom(0) werden Carbonyl-chrom-Komplexe aller drei Typen isoliert. Für die Umsetzungen mit Tricarbonyl(h6-1,3,5-cyclooctatrien)chrom(0) sind nur für die 1:1-Addukte Komplexe zu isolieren. Die 2:1-Produkte werden aufgrund ihrer Molekülstruktur nicht koordiniert. Bei dem Versuch den freien Kohlenwasserstoff 6,12-Bistrimethylsilyltetracyclo-[9.1.0.0 4,8.05,12]dodeca-2,6,9-trien an ein Cyclopentadienylkobaltfragment zu komplexieren, wird eine Copeartige Umlagerung beobachtet. Der resultierendeKohlenwasserstoff wird am Kobalt koordiniert. Weitere Untersuchungen zum photochemischen Reaktionspotential von 2 werden mit 1,3,5-Cycloheptatrienvorgenommen. Bei dieser Reaktion findet jedoch keine C-C-Verknüpfung sondern ein Austausch der Liganden statt. Umgekehrt reagiert Cyclooctatrien durch das mit ihm im Gleichgewicht vorliegenden Valenzisomer Bicyclo[4.2.0]octa-2,4-dien über eine [6+4]- Cycloaddition photochemisch mit Tricarbonyl(h6-1,3,5- cycloheptatrien)chrom(0) zu Tricarbonyl(h4:2-tetracyclo[6.4.2.12,7.09,12]pentadeca-3,5,13-trien)chrom(0).