Bioanorganische Chemie des Eisens -

Biomimetische Komplexverbindungen für ein- und zweikernige Nichthäm-Eisenenzyme

Eisen, das häufigste Übergangsmetall in der Erdkruste, spielt in mehr biologischen Prozessen eine Schlüsselrolle als irgendein anderes Metall. Grund dafür sind vor allem die Lewis-Acidität des Eisen(III) und die günstige Redoxaktivität des Eisen(III/II)-Paares. Neben den Hämproteinen, wie Hämoglobin und Cytochrom C, und Eisen-Schwefel-Proteinen, wie Nitrogenasen und Hydrogenasen, existiert die Gruppe der Nicht-Häm-Eisenenzyme. Die Proteine dieser Gruppe enthalten eine unterschiedliche Anzahl an Eisenkernen.

Zu den mononuklearen Nicht-Häm-Eisenenzymen gehören unter anderem die Superoxid-Dismutasen, Isopenicillin-N-Synthasen, Lipoxygenasen und Catechol-1,2-Dioxygenasen. Letztere katalysieren den Abbau aromatischer 1,2-Diphenole zu Derivaten der cis,cis-Muconsäure und spielen damit eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffzyklus. Für die Modellierung des aktiven Zentrums der Catechol-1,2-Dioxygenasen haben sich Eisenkomplexe tripodaler Liganden bewährt. Durch Variationen der verwendeten Liganden können sterische und elektronische Einflüsse auf die Reaktivität der Modellverbindungen untersucht, und Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen im Enzym gezogen werden. Die Abbildung zeigt einen der untersuchten Komplexe, der als besonderes Merkmal eine intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung aufweist.

Die dinuklearen Enyzme nehmen in vielen Organismen Funktionen im Bereich der Sauerstoffaktivierung und des Sauerstofftransports war. Die Methan-Monooxygenase katalysiert die Oxidation von Methan zu Methanol. Von tierischen Violetten Sauren Phosphatasen, wie z.B dem Uteroferrin, wird angenommen, dass sie neben der Spaltung von Phophatmonoestern auch Aufgaben im Bereich der Sauerstoffübertragung wahrnehmen.

In biomimetischen Modellverbindungen für diese Enzyme wird mit Ligandensystemen gearbeitet, die in der Lage sind, eine Koordinationsumgebung für zwei Metallatome bereitzustellen. Von asymmetrischen Liganden dieses Typ werden den Metallen unterschiedliche Koordinationsumgebungen angeboten. Die entsprechenden Komplexe sind in der Lage, Wasserstoffperoxid zu addieren und für Peroxidasereaktionen zu aktivieren. Mit Hilfe von Stopped-Flow-Messungen wurde die Geschwindigkeit der Anbindung untersucht.
Ein anderer Weg zu zweikernigen Eisenkomplexen ist die Kopplung von zwei einkernigen Spezies. Dabei kommt der Wahl des/der verbrückenden Liganden eine entscheidende Rolle zu. Bis-µ-oxoverbrückte Spezies weisen Eisen-Eisen-Abstände von ca. 2.7 Angström auf, µ-oxo-µ-carboxylatoverbrückte Komplexe von etwa 3.2 Angström. Bei Bis-µ-phosphatoverbrückten Komplexen kommt es zu Eisen-Eisen-Abständen von bis zu 5 Angström.

Alle neuen Verbindungen werden mittlels Röntgenstrukutranalysen und verschiedener spektroskopischer Methoden untersucht und charakterisiert.

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Kooperationspartner

Prof. Dr. S. Schindler (Universität Giessen)

Veröffentlichungen

• M. Merkel, M. Pascaly, B. Krebs, J. Astner, S. P. Foxon, S. Schindler
  "Chelate Ring Size Variations and their Effects on Coordination Chemistry and Catechol Dioxygenase Reactivity of Iron(III) complexes"
  Inorg. Chem. 2005, angenommen.
  
  
• M. Merkel, D. Schnieders, S. M. Baldeau, B. Krebs
  Structural snapshots of a dynamic coordination sphere in model complexes for catechol 1,2-dioxygenases"
  Eur. J. Inorg. Chem. 2004, 783
  
  
• G. V. Nizova, B. Krebs, G. Süss-Fink, S. Schindler, L. Westerheide, L. Gonzales Cuervo and G. B. Shul´pin
  "Hydroperoxidation of methane and other alkanes with H₂O₂ catalyzed by a dinuclear iron complex and an amino acid"
  Tetrahedron 2002, 58, 9231
  
  
• M. Merkel, F. K. Müller, B. Krebs
  "Novel iron(III) complexes with phenolate containing tripodal tetradentate ligands as model systems for catechol 1,2-dioxygenases"
  Inorg. Chim. Acta 2002, 337, 308
  
  
• M. Pascaly, M. Duda, F. Schweppe, F. K. Müller, K. Zurlinden u. B. Krebs
  "The systematic influence of tripodal ligands on the catechol cleaving activity of iron(III) containing model compounds for catechol 1,2-dioxygenases"
  J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2001, 6, 828
  
  
• L. Westerheide, F. K. Müller, J. Dietrich, R. Than, B. Krebs u. S. Schindler
  "Synthesis and Structural Characterization of Dinuclear and Tetranuclear Iron(III) Complexes and their Reactions with Hydrogen Peroxide"
  Inorg. Chem. 2001, 40, 1951
  
  
• L. Westerheide, M. Pascaly u. B. Krebs
  "Methane Monooxygenase and Its Related Biomimetic Models"
  Curr. Opin. in Chem. Biol. 2000, 4, 235
  
  
• M. Pascaly, C. Nazzikol, F. Schweppe, A. Wiedemann, K. Zurlinden u. B. Krebs
  "Structures and Properties of Novel Mononuclear Iron(III) Complexes with Benzimidazole Containing Tripodal Ligands"
  Z. Anorg. Allg. Chem. 2000, 626, 50
  
  
• F. Schweppe, H. Sirges, M. Pascaly, M. Duda, C. Nazzikol, W. Steinforth u. B. Krebs
  "Transition Metal Catalyzed Oxy-Functionalization of Catechol and Flavonol Derivatives"
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• M. Pascaly, F.Schweppe u. B. Krebs
  "Electron transfer mediated substrate activation by model compounds for catechol 1,2-dioxygenase", J. Inorg. Biochem. 1999, 74, 260
  
  
• R. Than, A. Schrodt, L. Westerheide, R. van Eldik u. B. Krebs
  "Structural and Functional Investigations on Diiron Complexes: Catalase-like Activity and Mechanistic Studies on the Formation of (µ-Peroxo)diiron(III) Adducts "
  Eur. J. Inorg. Chem. 1999, 1537
  
  
• M. Pascaly, M. Duda, A. Rompel, B.H. Sift, W. Meyer-Klaucke u. B. Krebs
  "Novel iron(III) complexes with imidazole containing tripodal ligands as model systems for catechol dioxygenases"
  Inorg. Chim. Acta 1999, 291, 289
  
  
• D. Harms, R. Than, B. Krebs u. U. Karst
  " Flow injection analysis of hydrogen peroxide in disinfectants. "
  Fresenius J. Anal. Chem. 1999, 364, 184
  
  
• R. Than, A. A. Feldmann u. B. Krebs
  " Structural and functional studies on model compounds of purple acid phosphatases and catechol oxidases."
  Coord. Chem. Rev. 1998, 182, 209
  
  
• D. Harms, R. Than, U. Pinkernell, M. Schmidt, B. Krebs u. U. Karst
  "Selective determination of hydrogen peroxide in household products using its molecular recognition by a dinuclear iron(III) complex."
  Analyst. 1998, 123, 2323
  
  
• M. Duda, M. Pascaly u. B. Krebs
  "A highly reactive functional model for catechol 1,2-dioxagenase: reactivity studies of iron(III)-catecholate complexes of bis((2-pyridyl)methyl)((1-methylimidazol-2-yl)-methyl) amine."
  J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1997, 835
  
  
• B. Krebs, F. Ahlers, B. Bremer, B. Eulering, T. Klabunde, K. Schepers, M. Schmidt, N. Sträter, R. Than u. H. Witzel
  "Crystal structure of a purple acid phosphatase. Structural and functional studies on its model compounds. "
  In: " Bioinorganic Chemistry" 1997, 413
  
  
• B. Eulering, M. Schmidt, U. Pinkernell, U. Karst u. B. Krebs
  "Ein unsymmetrischer dinuklearer Eisen(III)-Komplex mit Peroxidaseeigenschaften"
  Angew. Chem. 1996, 108, 2102; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 1973
  
  
• C. Nazikkol, R. Wegner, J. Bremer u. B. Krebs
  "Tripodal Ligands: Design of Distorted Coordination Polyhedra in Biomimetic Metal Complexes. Crystal Structures of [Zn(SCN)(ntb)](SCN)·ⁱPrpOH and [Fe(acac)(ntb)](ClO₄)₂·2CH₂Cl₂·ⁱPrpOH, ntb = N-tris(2-benzimidazolyl-methyl)amine"
  Z. Anorg. Allg. Chem. 1996, 622, 213
  
  
• B. Eulering, M. Schmidt, U. Pinkernell, U. Karst u. B. Krebs
  "A New Unsymmetrical Model Compound for the Uteroferrin-Arsenato Complex and Oxidation of Different Substrates by Diferric Peroxo Complexes"
  J. Inorg. Biochem. 1995, 59, 403
  
  
• B. Eulering, F. Ahlers, F. Zippel, M. Schmidt, H.-F. Nolting u. B. Krebs
  "The First Diferric Model Compound for the Uteroferrin-Arsenato Complex"
  J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1995, 1305
  
  
  

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