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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-17030
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1703/


Groß, Florian

Modellkomplexe für zinkhaltige Hydrolasen mit Schwerpunkt auf der ß-Lactamase

Model complexes for zinc-containing hydrolases with emphasis on the ß-Lactamase

Dokument1.pdf (2.722 KB) (md5sum: 32d033fe3d50b98e960031506eb01b17)

Kurzfassung in Deutsch

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde im Rahmen der bioanorganischen Modellkomplexchemie die Reaktivität von Tris(pyrazolyl)borat-zink-hydroxid-Komplexen (TpZnOH) gegenüber ß-Lactamen und das Koordinationsverhalten von TpZn-ß-Aminosäurekomplexe im Hinblick auf biologisch relevante Zwischenstufen im Katalyseprozess der ß-Lactamase untersucht.
Die Reaktionen von TpZnOH mit ß-Aminosäuren führten zu TpZn-ß-Aminosäurekomplexen, in welchen die Aminosäure nur über die Carboxylatfunktion an das Zinkion bindet.
Bei der Umsetzung von TpZnOH mit ß-Propiolactamen, deren Amidfunktion eine NH-Einheit trägt, erfolgte nach NH-Deprotonierung eine Anbindung des ß-Lactamats an das Zink. Eine Ringöffnung der ß-Lactame wurde nicht beobachtet. Die hydrolytische Ringöffnung durch TpZnOH blieb auch bei Verwendung von 6-Amino-penicillansäure und 7-Amino-cephalosporansäure, zwei Grundkörpern natürlicher ß-Lactamantibiotika, aus.
Eine hydrolytische Ringöffnung trat beim Einsatz monozyklischer ß-Propiolactame ein, welche durch elektronenziehende Gruppen am Stickstoffatom der Amidgruppe aktiviert sind. Im aprotischen Medium wurden so die entsprechenden TpZnCarboxylatkomplexe erhalten. Als aktivierende Substituenten wurden 4-Nitrophenyl-, 2,1-Dinitrophenyl- und Acylgruppen eingesetzt. Die kinetischen Untersuchungen der hydrolytischen Spaltung von N-(2,4-Dinitrophenyl)-4-phenyl-ß-propiolactam durch TpZnOH ergaben Hinweise auf einen bimolekularen Reaktionsmechanismus.
In ß-Lactamen, die durch N-Acetyl-, N-Pivaloyl- und N-Benzoylgruppen akiviert sind, wurde durch TpZnOH die endozyklische Amidbindung unter Ausbildung der entsprechenden TpZn-Carboxylatkomplexe gespalten. Dahingegen wurde bei der Umsetzung von TpZnOH mit einem N-Trifluoracetyl-substituiertem ß-Propiolactam die exozyklische Amidbindung unter Bildung von TpZntrifluoracetat und dem ß-Propiolactam hydrolysiert.
Wurden die über die Nitrophenyl-Gruppen aktivierten ß-Lactame in alkoholischem Milieu mit TpZnOH umgesetzt, entstanden die korrespondierenden Ester, jedoch keine TpZn-Carboxylat-Komplexe. Dieses Ergebnis wurde in analoger Weise auch bei Verwendung von ß-Butyrolacton in methanolischem Milieu erhalten. Diese Befunde werden auf das Vorhandensein des im Gleichgewicht mit TpZnOH und einem Alkohol R-OH existierenden TpZn-OR zurückgeführt. Der Alkoxid-Komplex fungiert bei dieser Reaktion als Katalysator, und in Lösung vorhandene Alkoholmoleküle dienen als Protonenquelle, um den Prozess der Ringöffnung zu unterstützen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde sich mit der Synthese neuer N3O-Liganden, mit Bis(2-picolyl)(2-hydroxy-3,5-di-tert-butyl)amin als Grundgerüst beschäftigt.
Die Chelatliganden besetzen nur vier Koordinationsstellen am Zink. Damit stehen weitere Koordinationsstellen für die Anbindung möglicher Koliganden zur Verfügung. Die hergestellten Liganden tragen in alpha-Stellung zum Stickstoffatom der Pyridinringe Methyl- bzw. Phenylgruppen. Dadurch wurde für die Koliganden, die über die noch freien Koordinationsstellen an das Zink binden, ähnlich wie in Enzymen, eine hydrophobe Koordinationsumgebung geschaffen. Ein wichtiger Koligand ist das Wassermolekül, da die Aquakomplexe in den aktiven Zentren zinkhaltiger Enzyme den Ausgangspunkt enzymatischer Hydrolysen darstellen. Es konnten zwei neue Zink-aquakomplexe hergestellt und durch Ligandenaustauschreaktionen ausgehend vom Aquakomplex weitere Zinkkomplexe erhalten werden. Die durch Deprotonierung der Aquakomplexe in situ dargestellten Hydroxokomplexe zeigen eine hydrolytische Aktivität gegenüber Tris(4-Nitrophenyl)phosphat. Die kinetischen Untersuchungen deuten auf einen bimolekularen Reaktionsmechanismus der Hydrolyse hin.
Bei zu großem sterischen Anspruch der Substituenten an den Pyridinringen bleibt beim Versuch den Aquakomplex zu erhalten, die Koordinationsstelle für das Wassermolekül unbesetzt. Jedoch wurden Zink-Komplexe mit stärkeren Donoren als Wasser, z. B. Pyridinderivate und Halogenidionen, erhalten.


Kurzfassung in Englisch

The first part of this thesis is an investigation, in the context of the bioinorganic modellchemistry, of the reactivity of tris(pyrazolyl)borato-zinc-hydroxid-complexes (TpZnOH) with ß-lactam and the coordination chemistry of TpZn-ß-aminoacid-complexes with regard to the biological relevant intermediates in the catalytic cycle of ß-lactamases.
The reactions of TpZnOH with ß-amino-acids resulted in TpZn-ß-aminoacid-complexes, in which the amino-acid coordinates exclusively with the carboxylate group.
The reaction of TpZnOH with NH-CO-group containing ß-lactams results in deprotonation and formation of the corresponding imide complexes. A hydrolytic cleavage was not observed. There is also no ring-opening reaction between TpZnOH and 6-Amino-penicillanic acid und 7-Amino-cephalosporanic acid.
In contrast, hydrolytic cleavage takes place, if the ß-lactams are equipped with electron-withdrawing groups on the amide-nitrogen atom. In aprotic solvent the formation of the TpZnOH-ß-aminoacid complexes was observed. 4-Nitrophenyl-, 2,1-dinitrophenyl- and acylgroups were used as electron-withdrawing groups.
Kinetic studies of the hydrolyses of N-(2,4-dinitrophenyl)-4-phenyl-ß-propiolactam by TpZnOH have shown them to be second order reactions.
In ß-lactams, which were activated by N-acetyl-, N-pivaloyl- and N-benzoylgroups the endocyclic amide-bond were cleaved and the corresponding TpZn-carboxylate-complexes were formed. The hydrolytic cleavage of the exocyclic amide-bond was observed with N-trifluoracetyl-substitueted ß-propiolactam and TpZnOH. TpZn-trifluoracetat and ß-propiolactam were formed.
The reaction of ß-lactam activated by nitrophenyl-groups with TpZnOH in alcoholic solution resulted in the formation of the corresponding esters. The formation of TpZn-carboxylate-complexes was not observed. These results are due to the presence of TpZnOR in an equilibrium of TpZnOH with an alcohol R-OH in solution. The alkoxide-complex acts as a catalyst and the alcohol-molecules in solution as source of protons, which support the ring-opening process.
In the second part of this thesis is described the synthesis of new N3O-Ligands, with Bis(2-picolyl)(2-hydroxy-3,5-di-tert-butyl)amin as backbone, and their coordination-chemistry with zinc. In alpha-position of the nitrogen atom of the pyridine-rings are methyl- or phenyl-groups, in order to form a hydrophobic pocket around the zinc. The chelat ligands are tetradentate coordinated to the zinc. Further coordination-positions of zinc are vacant.
These coordination-positions can be flexible occupied. An important coligand is the water-molecule. The zinc-aqua-complexes are the starting spezies for the hydrolytic enzymatic catalysis. In this work two new zinc-aqua-complexes were synthesized, and with them as starting-material some new zinc-complexes were obtained by ligand-exchange-reactions.
Deprotonation of the aqua-complexes in situ formed the zinc-hydroxo-complexes. They show a hydrolytic activity with tris(4-nitrophenyl)phosphate as substrate. Kinetic studies of this hydrolyses have shown them to be second order reactions.
The fifth coordination-position stays unoccupied, when the substituents of the pyridine-rings have a high sterrical hindrance and the coordination nature of the coligand is weak. For that reason the formation of the aquacomplex is not observed. More strong coordinating ligands (pyridine-derivates, halogenids) forms the corresponding zinc-complexes.


SWD-Schlagwörter: Zink , Komplexe , Hydrolasen , Antibiotikum / Arzneimittelresistenz , Penicilline , Lactamase <beta-> , Hydrolyse
Freie Schlagwörter (deutsch): Zink-Komplexe , Modellkomplexe , ß-Lactam
Freie Schlagwörter (englisch): zinc complexes , model complex , ß-Lactamase , Hydrolyses , ß-Lactam
Institut: Institut für Anorganische und Analytische Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Vahrenkamp, Heinrich (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.09.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 31.03.2005
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