Die Arbeiten an diesem Teilprojekt sind beendet

Thema

Strukturelle und funktionelle Modelle für die {Ni-Fe} - Hydrogenase

Teilprojektleiter

Prof. Dr. Nils Metzler-Nolte
Anorganische Chemie I
Ruhr-Universität Bochum
Gebäude NC 3 Nord 
Universitätsstr. 150
44801 Bochum

Telefon: 0234 32-24153
Telefax: 0234 32-14378
E-Mail: ac1@rub.de

Zusammenfassung

Hydrogenasen (H2asen) sind bakterielle Enzyme, die die reversible Umwandlung von molekularem Wasserstoff in Protonen und Elektronen katalysieren:

Man unterscheidet drei Klassen nach dem aktiven Zentrum: metallfreie Hydrogenasen, nur Eisen enthaltende ({Fe-only}) und hetero-bimetallische ({Ni-Fe}) Hydrogenasen. Die Röntgenstrukturanalyse der am besten untersuchten {Ni-Fe}H2ase aus D. gigas (Volbeda et al., Nature 1995) zeigt ein hetero-bimetallisches Zentrum, in dem ein Ni-Atom an die Schwefelatom von vier Cystein-Liganden gebunden ist, von denen zwei als Brückenliganden zur Fe(CN)2(CO)-Gruppe dienen. Dieses aktive Zentrum ist vor allem in der metallorganischen Koordinationsumgebung des Fe mit Cyanid- und Carbonylliganden einmalig. Beide Liganden sind zwar in der synthetischen metallorganischen Chemie ubiquitär, in der Natur jedoch ansonsten völlig unbekannt und stellen für sich genommen sogar starke Zellgifte dar. Die biologische Funktion der Fe(CN)2(CO)-Gruppe ist unbekannt.


Obwohl von der {Ni-Fe}H2ase mehrere Zustände präpariert und spektroskopisch charakterisiert worden sind, ist der Mechanismus nicht bekannt. In der Tat wird sogar das aktive Zentrum (Ni oder Fe?) kontrovers diskutiert. Die Situation wird dadurch erschwert, daß es bis heute kein strukturelles Modell dieses bimetallischen Zentrums gibt, an dem sich die verschiedenen Hypothesen und spektroskopischen Daten verifizieren oder eichen ließen. Bisher ungelöste Probleme stellen die Koordination des Ni mit vier Thiolat-Liganden und die ungewöhnliche metallorganische Koordinationsumgebung des Fe dar.

Andererseits besteht großes Interesse nicht nur an strukturellen H2ase-Modellen zum Verständnis der biologischen Systeme. Die Bildung von Elektronen (und Protonen), also elektrischem Strom, direkt aus Wasserstoff hat eine enorme technische Bedeutung; H2asen stellen in diesem Sinne biologische Brennstoffzellen dar. Für ein funktionelles H2ase-Modell muß vor allem die Frage der räumlichen Ladungstrennung von H+ und e- gelöst werden. In diesem Projekt wollen wir unsere Erfahrungen in der bio-metallorganischen Chemie nutzen und ein neues Konzept für strukturelle und funktionelle H2ase-Modelle umsetzen.

In unserer Arbeitsgruppe haben wir bereits verschiedene Biokonjugate von Ferrocen hergestellt und vollständig, auch strukturell, charakterisiert. Wir entwickelten Methoden und Bedingungen (Harze, Linker, Reagentien) um auch empfindlichere Organometallverbindungen in der Festphasen-Peptidsynthese (SPPS) einsetzen zu können. Als Modellpeptid nutzten wir das Neuropeptid Leu5-Enkephalin, welches wir mit einer Vielzahl verschiedener Metallkomplexe , z. T. bereits direkt an der festen Phase, labeln konnten. In diesem Projekt möchten wir Cys-haltige Peptide mit einem Ferrocen-Rückgrat als Templat für Modelle des aktiven Zentrums der {Ni-Fe}H2ase benutzen. Die Vorteile dieses Konzeptes sind eine Präorganisation der S-Liganden zur Ni-Koordination und eine gute sterische Abschirmung der Metallzentren durch das Peptid.

Ausgewählte Literatur unserer Arbeitsgruppe:

1)  

D. R. van Staveren, T. Weyhermüller, N. Metzler-Nolte*
"Organometallic b-turn mimetics. A Structural and Spectroscopic Study of Inter-residue Hydrogen Bonding in Ferrocene and Cobaltocenium Conjugates of Amino Acids and Dipeptides"
J. Chem. Soc., Dalton Trans. (2003) 210 - 220

2)  

D. R. van Staveren, N. Metzler-Nolte*
"Labelling of [Leu5]-Enkephalin with organometallic Mo complexes by solid-phase synthesis"
J. Chem. Soc., Chem. Commun. (2002) 1406 - 1407

3)  

D. R. van Staveren, E. Bill, E. Bothe, M. Bühl, T. Weyhermüller, N. Metzler-Nolte*
"Fluxional processes in diamagnetic and paramagnetic allyl dicarbonyl and 2-methylallyl dicarbonyl Molybdenum histidinato complexes as revealed by spectroscopic data and DFT calculations"
Chem. Eur. J. 8 (2002) 1649 - 1662

4)  

D. R. van Staveren, E. Bothe, T. Weyhermüller, N. Metzler-Nolte*
"Spectroscopic Properties, Electrochemistry and Reactivity of Mo(0), Mo(I) and Mo(II) Complexes with the Mo(bpa)(CO)3 Unit (bpa = di(2-picolyl)amine) and Their Application for the Labelling of Peptides"
Eur. J. Inorg. Chem. (2002) 1518 - 1529

5)  

N. Metzler-Nolte*
"Markierung von Biomolekülen für medizinische Anwendungen - Sternstunden der Bio-Organometallchemie"
Angew. Chem. 113 (2001) 1072 - 1076; Angew. Chem. Int. Ed. 40 (2001) 1040 - 1044

6)  

J. Verheijen, G. van der Marel, J. H. van Boom, N. Metzler-Nolte*
"Metal Derivatives of Peptide Nucleic Acid (PNA) Oligomers - Synthesis, Characterization and DNA Binding"
Bioconjugate Chem. 11 (2000) 741 - 743

7)  

A. Hess, J. Sehnert, T. Weyhermüller, N. Metzler-Nolte*
"Chiral Ferrocene Amines Derived from Amino Acids and Peptides: Synthesis, Solution Structure and Electrochemical Investigations"
Inorg. Chem. 39 (2000) 5437 - 5443

8)  

A. Hess, N. Metzler-Nolte*
"Transition Metal Labels on Peptide Nucleic Acids (PNA)"
J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1999) 885 - 886

9)  

O. Brosch, T. Weyhermüller, N. Metzler-Nolte*
"Synthesis of Alkynyl Amino Acids and Peptides and their Palladium-catalyzed Coupling to Ferrocene"
Inorg. Chem. 38 (1999) 5308 - 5313



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Stand: 24.06.09