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Strukturuntersuchungen mit EXAFS-Spektroskopie an
Metalloenzymen und Modellkomplexen
Dissertation angenommen durch:
Gerhard-Mercator-Universität
Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für
Chemie,
2002-06-19
BetreuerIn: Prof.
Dr. Gerald Henkel , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg,
Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Chemie
GutachterIn: Prof.
Dr. Gerald Henkel , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg,
Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Chemie
GutachterIn: Priv.-Doz.
Dr. Martin Köckerling , Gerhard-Mercator-Universität
Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für
Chemie
Schlüsselwörter in Englisch: Cytochrome-c
Oxidase, EXAFS,
Active Sites, CuA, CuB, Substrate Binding, Inhibitor Binding, CHAOS,
Model Complexes, Synthetic Analogues, Respiratory Chain, Catalytic Cycle
Schlüsselwörter in Deutsch: Cytochrom-c-Oxidase,
EXAFS, Aktive
Zentren, CuA, CuB, Substratbindung, Inhibitorbindung, CHAOS,
Modellkomplexe, Synthetische Analoga, Atmungskette, Katalysezyklus
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Abstrakt in Deutsch
Im Rahmen dieser Arbeit
wurden die Metallzentren der
Cytochrom-c-Oxidase (ba3-Oxidase) aus Thermus thermophilus in
verschiedenen stationären Zuständen mit Hilfe der
EXAFS-Spektroskopie
untersucht. Die EXAFS-Untersuchungen an Kristallen der nativen
ba3-Oxidase belegen, dass die Kristallisation keinen signifikanten
Einfluss auf die Struktur der Metallzentren hat. Durch Inhibierung und
chemische Reduktion des nativen Enzyms in gelöster Form wurden
verschiedene Derivate erzeugt, die sowohl an der Cu-K- als auch an der
Fe-K-Absorptionskante gemessen wurden. Der Cu-Cu-Abstand im CuA-Zentrum
verlängert sich durch die Reduktion um ~ 0,04 Å,
während sich der
Fe-Cu-Abstand um den gleichen Betrag verkürzt. Ein Ligandaustausch
oder
andere größere strukturelle Modifizierungen an den
Metallzentren werden
hierbei nicht beobachtet.
Durch die Kombination der Ergebnisse für die ba3-Oxidase aus den
Cu-K-
und Fe-K-Absorptionskanten-Messungen lässt sich die Orientierung
der
gebundenen Substrat- oder Inhibitormoleküle bestimmen. Substrat
und
Inhibitor sind hiernach end-on an die beiden Metallatome des
Fea3-CuB-Zentrums (jeweils ein Ende des gebundenen Moleküls an ein
Metallatom des heterobinuklearen Zentrums) koordiniert und liegen
außerhalb der direkten Metall-Metall-Verbindungslinie. Der
Inhibitor
Cyanid ist dabei so orientiert, dass das Kohlenstoffatom dem
Fea3-Zentrum zugewandt ist.
Die Beiträge der Methionin- und Glutamat-Backbone-Liganden des
CuA-Zentrums konnten bei allen hier untersuchten Enzymderivaten
detektiert werden. Die Abstände dieser Liganden vom Absorberatom
Kupfer
sind deutlich länger als allgemein übliche Abstände
für Leichtstreuer-
oder Schwefelatome. Somit resultiert für die beiden Kupferatome
des
CuA-Zentrums eine (3 1)-Koordination. Weiterhin sind verschiedene
Komplexverbindungen mit Hilfe der Methode EXAFS charakterisiert worden.
Beispielsweise lagert sich der binukleare Kupferkomplex
[Cu2(STip)2(btmgp)] beim Lösen unter Ausbildung eines Cu2S2-Kern
um, so
dass der Komplex in Bezug auf die Oxidationszahl der Kupferatome und
die Anzahl der Schwefelbrücken ein synthetisches Analogon für
das
reduzierte CuA-Zentrum darstellt. Beim homobinuklearen Komplex
[Cu2(SBtmsPh)2(btmgp)] tritt hingegen beim Lösen eine
Änderung der
Struktur durch Ausbildung einer kettenförmigen Anordnung auf.
Temperaturabhängige Untersuchungen von Komplex-verbindungen zeigen
eine
starke Temperaturabhängigkeit des Debye-Waller-Parameters.
Besonders
für die Beiträge von Metallrückstreuatomen
vergrößert sich dieser
Parameter mit steigender Temperatur. Die EXAFS-Ergebnisse der
Komplexverbindungen liefern wertvolle Beiträge für die
röntgen-absorptions-spektroskopische Untersuchung des Enzyms.
Neben den strukturaufklärenden Untersuchungen ist die
Datenvorauswertung von EXAFS-Daten weiterentwickelt worden. Mit dem
System CHAOS können Störungen in EXAFS-Spektren erkannt
werden, die mit
der herkömmlichen Datenvorauswertung nicht erkennbar sind.
Darüberhinaus wird gezeigt, dass eine veränderte
Messstrategie durch
eine Umverteilung der zur Verfügung stehenden Messzeit zugunsten
der
kritischen Bereiche des Spektrums die Qualität von EXAFS-Daten
verbessert.
Abstrakt in Englisch
This thesis deals with
investigations on the metal sites of
cytochrome-c oxidase (ba3-oxidase) from Thermus thermophilus in
different states by means of EXAFS spectroscopy. Different states were
generated by inhibition and by chemical reduction of the native enzyme.
Additionally, several synthetic complexes were characterized and a
system for a better data evaluation called CHAOS was developed.
Bemerkungen in Deutsch
Die Dissertation ist parallel im Verlag
Simmering, Lilienthal erschienen: 2003. - 179 S. : Ill., graph. Darst.
; 21 cm ISBN 3-927723-55-X kart.
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