1.2 Metalloporphyrinoide
1.2.2 Cofaktor F430: Struktur, Nomenklatur und Koordinationschemie
Methanothermobacter marburgensis enthält nach dem gegenwärtigen Stand der Dinge acht Nickel-haltige Enzyme, und zwar die Methyl-Coenzym-M-Reductase (zwei Isoenzyme), eine F420-reduzierende [NiFe]-Hydrogenase, eine Heterodisulfid-redu- zierende [NiFe]-Hydrogenase, eine Energie-konvertierende [NiFe]-Hydrogenase (zwei Isoenzyme), die CO-Dehydrogenase sowie die Acetyl-CoA-Synthetase. Aus dieser Reihe ist nur die Methyl-Coenzym-M-Reductase mit ihrem Cofaktor F430, wofür ein Großteil des Ni(II) im Kulturmedium benötigt wird, charakteristisch für alle methanoge- nen und − phylogenetisch eng verwandten − methanotrophen Archaea.
F430 kann man als hydrophile Pentacarbonsäure aus MCR oder ganzen Zellen durch Denaturieren mit Perchlorsäure oder Trifluoressigsäure freisetzen, wobei der Cofaktor hier als paramagnetischer Ni(II)-High-Spin-Komplex vorliegt. Nach Umset- zung zum Pentaalkylester oder Pentaalkylamid lassen sich die entstehenden Derivate in apolaren, nichtkoordinierenden Lösungsmitteln als diamagnetische Ni(II)-Low-Spin- Komplexe solubilisieren. Konstitution sowie Konfiguration von F430 und dessen par- tialsynthetischen Derivaten wurden durch Einbau von 13C-δ-Aminolävulinsäure, spek- troskopische Studien und neueren Datums durch hochauflösende Röntgenstruktur- analyse des Holoenzyms in seiner inaktiven Ni(II)-Form detailliert aufgeklärt, wie in Ka- pitel II 1.1 dargelegt. Die Kristallstruktur des isolierten Cofaktors hingegen ist nur für 12,13-Di-epi-F430 mit Bromid als Gegenion bekannt (vgl. Ermler et al., 1997; Faerber et al., 1991; Fässler et al., 1985; Livingston et al., 1984; Pfaltz et al., 1982; Pfaltz et al., 1985; Won et al., 1990). Biosynthetisch leitet sich F430 von Dihydrosirohydrochlorin ab, welches auch den Vorläufer von Sirohäm und Vitamin B12 darstellt. Der π-Chromo- phor erstreckt sich hierbei über drei von vier Stickstoffen, wobei von den insgesamt fünf Doppelbindungen* nur vier in Konjugation zueinander stehen. Somit handelt es sich bei diesem Tetrahydrocorphin mit seinem linearen π-System um das am stärksten redu- zierte Tetrapyrrol in der Natur, dessen gelbe Farbe die zu erwartende hypsochrome Verschiebung der Absorptionslinien relativ zu Porphyrinen und Corrinen widerspiegelt (vgl. Thauer, 1998: 2388).
F430 weist zwei zusätzliche zyklische Systeme auf, und zwar ein γ-Lactam annelliert an Ring B sowie ein Cyclohexenon-System, entstanden im letzten Schritt der F430- Biosynthese aus der intramolekularen Acylierung der meso-Stellung C15 durch die Propionsäure-Seitenkette von Ring D. Die entstandene Carbonyl-Gruppe (C173) stabi-
* zuzüglich einer weiteren Doppelbindung bei Öffnung des Lactam-Rings (siehe Abb. I-9 b)
lisiert zum einen über konjugative Wechselwirkung mit dem π-Chromophor den Ni(I)- Redoxzustand des Cofaktors. Zum anderen agiert diese als intrinsischer Schutz gegen Oxidation von F430 zu seinem 12,13-Didehydro-Derivat F560, indem durch sterische Interaktion die Propionsäure-Seitenkette an C13 in die axiale Position gedrängt wird (siehe Abb. I-9 a). Der Ionenradius von Nickel wächst in der Reihenfolge Ni(III) < Ni(II) Low-Spin < Ni(II) High-Spin < Ni(I), wobei die beiden zuerst genannten Spezies für die zentrale Kavität des koordinierenden Makrozyklus zu klein sind, so daß eine Auffaltung
Abb. I-9. Numerierung des Polyhydroporphyrin-Systems gemäß IUPAC und CA: a) F430 und des- sen Derivate; b) 6,73-Seco-F430 und dessen Pentaester.
N
N N
N
O Ni H HN
O
H O H2N
O RO
H O RO
O
OR
OR O
RO O
N
N N
N
O Ni H HN
O
H O H2N
O RO
H O RO
O
OR
OR O
RO O B
D C
A
N
N N
N
O Ni H
H O H2N
O RO
H O RO
O
OR
OR O
RO O O H2N
B
D C
A
N
N N
N
O Ni H
H O H2N
O RO
H O RO
O
OR
OR O
RO O O H2N
13 3
11 9
19
172 1
25
7
15
3a 3
17
72
9 5
7
10a 12 14 20
1
18 5
16
14a 22a
15 24 26 23 21 22
23 24
13 3
11 9
19
172 1
17 15 5
7
21 22
23
24 1
3
5 7
9
11
13
15 17 20 18
21a 22
23 24
25
IUPAC CA
a
b
des Tetrapyrrol-Systems in der Peripherie die elektronenreichen Stickstoffe dem Zen- tralatom annähert. Dieser Vorgang wird begünstigt für F560 sowie den thermodyna- misch stabileren 12,13-Di-epi-Cofaktor, während das ursprüngliche Ni(II)F430 hinsichtlich seiner Bindung an das Apoenzym die energetisch günstigere Konformation darstellt. Infolgedessen sind diese Derivate von Ni(II)F430 Low-Spin durch deutlich re- duzierte Elektrophilie gekennzeichnet und tendieren in Gegenwart nucleophiler axialer Liganden wesentlich weniger dazu, in die paramagnetische High-Spin-Spezies über- zugehen. Das als „F430-Pink“ bezeichnete Molekül mit geöffnetem Lactam-Ring reprä- sentiert ein Konstitutionsisomeres von F560, woraus es leicht durch saure Katalyse auf Kieselgel 60 hervorgeht (siehe Abb. I-9 b). Im Zuge der Aufreinigung von F430 entsteht daneben noch − nach bislang unbekanntem Mechanismus − dessen 19,20-Didehydro- Derivat F340 mit dem charakteristischen Corrin-Chromophor (siehe Abb. I-16 b). Alle weiteren Details zur Nomenklatur von F430 und davon abgeleiteten Strukturen gemäß IUPAC / CA sind in den Tabellen I-1 sowie I-2 aufgeführt. Was die gültigen IUPAC-Re- geln zur Benennung von Porphyrin-Systemen im allgemeinen sowie von deren Metall- komplexen mit/ohne annellierte Ringsysteme und von Corrinoiden im speziellen anbelangt, sei auf die in Kapitel IV aufgeführten Literaturzitate verwiesen (vgl. Interna- tional Union of Pure and Applied Chemistry, 2007a-d). Es muß darauf geachtet wer- den, daß die β-/Oberseite des Makrozyklus durch Anordnung der Tetrapyrrol-Einheiten A-D im Uhrzeigersinn auf der Basis der Substituenten-Lokanten definiert ist, die α-/Un- terseite entsprechend durch Numerierung im Gegenuhrzeigersinn. Dies spielt eine Schlüsselrolle für die korrekte Verwendung von Deskriptoren zur Beschreibung mögli- cher Konformationen der F430-Variante im Molekülabschnitt C171-C172 (siehe Abb. I- 30, I-31), wobei sich die vorliegende Struktur am nächsten durch einen Halbsessel H wiedergeben läßt, dessen Referenzebene die vier annähernd koplanar angeordneten Zentren C15 − C16 − C17 − C173 darstellen. Die Indizierung von H (hochgestellt vor dem Symbol → β-/Oberseite; tiefgestellt nach dem Symbol → α-/Unterseite) richtet sich jedoch nicht nach den Lokanten des Tetrapyrrol-Systems, sondern nach der ge- genläufigen Numerierung des Cyclohexenon-Rings, dessen α-Seite folglich der β-Sei- te des Tetrapyrrols entspricht und umgekehrt (vgl. International Union of Pure and Applied Chemistry, 2007e).
Wie bereits dargelegt, nimmt Ni(II)F430Me5 in wasserfreiem Dichlormethan, Tri- chlormethan oder Acetonitril bei quadratisch-planarem Ligandenfeld die Elektronen-
Tab. I-. Nomenklatur von F430 und dessen Derivaten gemäß IUPAC- und CA-Regeln (2).
Trivialname F430 F430-Variante F430-Pentame- thylester 12,13-Di-epi- F430
IUPAC-Bezeichnung Cofaktor F430: [(2S,3S,4S,6R,7S,8S,12S,13S,17S,18S,19R)-6-Amino-2-carba- moylmethyl-7,12,18-tris(carboxymethyl)-3,4,5,6,7,8,12,13,17,171 , 172 ,173 ,18,19,20-pentadecahydro-2,7-dimethyl-173 -oxo-2H-benzo- [at]porphyrin-3,8,13-tripropanato-7-lactam]nickel(II) (172 S)-172 -Methylsulfanyl-F430: [(2S,3S,4S,6R,7S,8S,12S,13S,17S,172 S,18S,19R)-6-Amino-2- carbamoylmethyl-7,12,18-tris(carboxymethyl)-3,4,5,6,7,8,12,13, 17,171 ,172 ,173 ,18,19,20-pentadecahydro-2,7-dimethyl-172 -methyl- sulfanyl-173 -oxo-2H-benzo[at]porphyrin-3,8,13-tripropanato-7-lac- tam]nickel(II) 12,18-Bis(methoxycarbonyl)-F430-3,8,13-tripropanoat: [(2S,3S,4S,6R,7S,8S,12S,13S,17S,18S,19R)-6-Amino-2-carba- moylmethyl-7-carboxymethyl-3,4,5,6,7,8,12,13,171 ,172 ,173 ,18,19, 20-pentadecahydro-12,18-bis(methoxycarbonylmethyl)-2,7-dime- thyl-173 -oxo-2H-benzo[at]porphyrin-3,8,13-tris(methylpropanoato)- 7-lactam]nickel(II) (12R,13R)-12-Carboxymethyl-F430-13-propansäure: [(2S,3S,4S,6R,7S,8S,12R,13R,17S,18S,19R)-6-Amino-2-carba- moylmethyl-7,12,18-tris(carboxymethyl)-3,4,5,6,7,8,12,13,17,171 , 172 ,173 ,18,19,20-pentadecahydro-2,7-dimethyl-173 -oxo-2H-ben- zo- [at]porphyrin-3,8,13-tripropanato-7-lactam]nickel(II)
CA-Index-Name Pentahydrogen-[(3aS,4S,8S,9S,14S,16R,19S,20S,21S,22aR, 25S)-19-(2-amino-2-oxoethyl)-8,25-bis(carboxymethyl)-2,3,3a,4,8, 9,11,12,13,14,16,17,19,20,21,22-hexadecahydro-3a,19-dimethyl- 2,11-dioxo-1H-7,10-imino-14,16-methano-21,18:22a,5-dinitrilopyr- rolo[2,3-i][1]benzazacyclononadecin-4,9,20-tripropanoato(6-)- κN15,κN23,κN24,κN26]-niccolat(4-), (SP-4-2) Pentahydrogen-[(3aS,4S,8S,9S,12S,14S,16R,19S,20S,21S,22aR, 25S)-19-(2-amino-2-oxoethyl)-8,25-bis(carboxymethyl)-2,3,3a,4,8, 9,11,12,13,14,16,17,19,20,21,22-hexadecahydro-3a,19-dimethyl- 2,11-dioxo-1H-7,10-imino-14,16-methano-12-methylsulfanyl-21, 18:22a,5-dinitrilopyrrolo[2,3-i][1]benzazacyclononadecin-4,9,20-tri- propanoato(6-)-κN15,κN23,κN24,κN26]-niccolat(4-), (SP-4-2) [Trimethyl-(3aS,4S,8S,9S,14S,16R,19S,20S,21S,22aR,25S)-19- (2-amino-2-oxoethyl)-2,3,3a,4,8,9,11,12,13,14,16,17,19,20,21,22- hexadecahydro-8,25-bis(2-methoxy-2-oxoethyl)-3a,19-dimethyl- 2,11-dioxo-1H-7,10-imino-14,16-methano-21,18:22a,5-dinitrilopyr- rolo[2,3-i][1]benzazacyclononadecin-4,9,20-tripropanoato-N15, N23,N24,N26]-nickel(1+), (SP-4-3) Pentahydrogen-[(3aS,4S,8R,9R,14S,16R,19S,20S,21S,22aR, 25S)-19-(2-amino-2-oxoethyl)-8,25-bis(carboxymethyl)-2,3,3a,4,8, 9,11,12,13,14,16,17,19,20,21,22-hexadecahydro-3a,19-dimethyl- 2,11-dioxo-1H-7,10-imino-14,16-methano-21,18:22a,5-dinitrilopyr- rolo[2,3-i][1]benzazacyclononadecin-4,9,20-tripropanoato(6-)- κN15,κN23,κN24,κN26]-niccolat(4-), (SP-4-2)
Tab. I-1. Nomenklatur von F430 und dessen Derivaten gemäß IUPAC- und CA-Regeln (1).
Tab. I-. Nomenklatur von F430 und dessen Derivaten gemäß IUPAC- und CA-Regeln (2).
Trivialname F560 F340 F430-Pink
IUPAC-Bezeichnung 12,13-Didehydro-F430: [(2S,3S,4S,6R,7S,8S,17S,18S,19R)-6-Amino-2-carbamoylmethyl- 7,12,18-tris(carboxymethyl)-3,4,5,6,7,8,17,171 ,172 ,173 ,18,19,20-tri- decahydro-2,7-dimethyl-173 -oxo-2H-benzo[at]porphyrin-3,8,13-tri- propanato-7-lactam]nickel(II) 19,20-Didehydro-F430: [(2S,3S,4S,6R,7S,8S,12S,13S,17S,18S)-6-Amino-2-carbamoyl- methyl-7,12,18-tris(carboxymethyl)-3,4,5,6,7,8,12,13,17,171 ,172 , 173 ,18-tridecahydro-2,7-dimethyl-173 -oxo-2H-benzo[at]porphyrin- 3,8,13-tripropanato-7-lactam]nickel(II) 6,8,12,13-Tetradehydro-6,73 -seco-F430: [(2S,3S,4S,7S,17S,18S,19R)-2,7-Bis(carbamoylmethyl)-7,12,18- tris(carboxymethyl)-3,4,5,7,17,171 ,172 ,173 ,18,19,20-undecahydro- 2,7-dimethyl-173 -oxo-2H-benzo[at]porphyrin-3,8,13-tripropanato-7- lactam]nickel(II)
CA-Index-Name Pentahydrogen-[(3aS,4S,14S,16R,19S,20S,21S,22aR,25S)-19-(2- amino-2-oxoethyl)-8,25-bis(carboxymethyl)-2,3,3a,4,11,12,13,14, 16,17,19,20,21,22-tetradecahydro-3a,19-dimethyl-2,11-dioxo-1H- 7,10-imino-14,16-methano-21,18:22a,5-dinitrilopyrrolo[2,3-i][1]- benzazacyclononadecin-4,9,20-tripropanoato(6-)-κN15,κN23, κN24,κN26]-niccolat(4-), (SP-4-2) Pentahydrogen-[(3aS,4S,8S,9S,14S,19S,20S,21S,22aR,25S)-19- (2-amino-2-oxoethyl)-8,25-bis(carboxymethyl)-2,3,3a,4,8,9,11,12, 13,14,19,20,21,22-tetradecahydro-3a,19-dimethyl-2,11-dioxo-1H- 7,10-imino-14,16-methano-21,18:22a,5-dinitrilopyrrolo[2,3-i][1] benzazacyclononadecin-4,9,20-tripropanoato(6-)-κN15,κN23, κN24,κN26]-niccolat(4-), (SP-4-2) Pentahydrogen-[(2R,5S,6S,7S,10S,21S,22S)-5,10-bis(2-amino-2- oxoethyl)-15,22-bis(carboxymethyl)-2,3,5,6,7,8,10,18,19,20,21-un- decahydro-5,10-dimethyl-18-oxo-14,17-imino-2,11-methano-4,7:9, 12-dinitrilopyrrolo[1]benzazacyclononadecin-6,11,16-tripropano- ato(6-)-κN15,κN23,κN24,κN26]-niccolat(4-), (SP-4-2)
Tab. I-2. Nomenklatur von F430 und dessen Derivaten gemäß IUPAC- und CA-Regeln (2).
konfiguration [Ar]3d8 Low-Spin ein, mit einem Absorptionsmaximum bei 442 nm (ε442 = 21 mM−1 cm−1). Erweitert man die Koordinationssphäre mit einem hinreichend nucleo- philen (CN−, R3N, H2O, R−OH, Hal−) axialen Liganden auf fünf, so gewinnt die Absorp- tionsbande an Intensität und wird hypsochrom verschoben. Für den folgenden Übergang zu Koordinationszahl sechs beobachtet man hingegen eine bathochrome Verschiebung mit weiterer Hyperchromie (vgl. Jaun and Thauer, 2007: 329; Bertini and Luchinat, 1986: 262). Abbildung I-10 verdeutlicht unmittelbar, daß im tetraedrischen wie oktaedrischen Ligandenfeld Ni(II) stets paramagnetisch mit zwei ungepaarten Elektronen vorliegt. Vergrößert man in einem Gedankenexperiment den Abstand zwi- schen den Liganden in der z-Achse und dem zentralen Ion, so ändert sich die Symme- trie des Ligandenfeldes über tetragonal-verzerrt letztendlich zu quadratisch-planar.
Durch Stabilisierung der Orbitale in z-Richtung wird dz2 energetisch so weit abgesenkt, daß Ni(II) in quadratisch-planarer Umgebung mit allenfalls schwach ionisch gebunde- nen axialen Liganden als diamagnetische Low-Spin-Spezies mit unbesetztem dx2−y2 und doppelt besetztem dz2 existieren kann (vgl. Jensen and Ryde, 2005: 588; Winter, 1994: 49).