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Theoretische Untersuchungen von Modellkomplexen zu Kohlenstoffmonoxid Dehydrogenasen

Graf, Tobias

English Title: Theoretical studies on modell complexes on carbon monoxide dehydrogenases

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PDF, German
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Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung theoretischer Modelle, die eine schnelle und zuverlässige Aussage über die Geometrieparameter und relativen Energien der aktiven Zentren zweier Enzyme in Bakterien und Archaea, der Nickel-Eisen und der Molybdän-Kupfer abhängigen Kohlenstoffmonoxid Dehydrogenase, erlauben. Diese Theoretischen Modelle stützen sich auf publizierte experimentelle Daten, insbesondere Röntgenstrukturen. Folgende Modelle wurden etabliert: a) Ein dinukleares Modell, in dem ein Eisen- und ein Nickelatom durch ein Cyclopropanderivat, das als Ersatz für die strukturelle Fixierung durch einen Eisen-Schwefel-Clusters dient, koordiniert sind. Obgleich dieses einfachste denkbare Modell sehr stark vereinfachend ist, erlaubt es Energie- und Geometrieparameter für verschiedenste Strukturvarianten, die für den Katalysezyklus relevant sein könnten, in einer relativ kurzen Zeit zu berechnen. Dadurch kann das Modell zur Evaluierung der geeignetsten Variante dienen, die an einem komplizierteren System untersucht werden kann. b) Ein polynukleares Modell wurde untersucht, das aus einer kubischen Eisen-Schwefel-Struktur mit einem Imidazolliganden besteht, der den Histidinrest des Proteins modelliert. Dieses Modell wurde aus den experimentellen Strukturen des aktiven C-Clusters in seiner reduzierten Form abgeleitet. Die Modellcluster wurden zum Vergleich des [NiFe4S4] und des [NiFe4S5] C-Clusters des aktiven Zentrums der CODH berechnet. Hierbei wurden verschiedene Oxidationszustände (vollständig oxidiert, einfach und doppelt reduziert) betrachtet und verschiedene zusätzliche Liganden, wie H2O, CO und H- berücksichtigt, jedoch ergab keine Geometrie eine konsistente Übereinstimmung mit den Geometrieparametern, die durch die Röntgenstrukturanalyse erhalten wurden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die aus den Röntgenstrukturanalysen berechneten Geometrien schon von Präparation zu Präparation stark abweichend sind. Verschiedene stationäre Punkte des Katalysezyklus der CO-Oxidation wurden ebenfalls betrachtet. Dabei ergab die vollständig oxidierte Form des [NiFe4S4] Modells im Gegensatz zu denen des [NiFe4S5] Modells akzeptable Strukturen, sowie ein sinnvolles Energieprofil. Zusätzlich wurden mechanistische Varianten, wie die alternative Koordination des CO an das Eisenatom und des H2O an das Nickelatom betrachtet. Eine Hydridspezies, die als eine mögliche Alternative vorgeschlagen wurde, scheint energetisch möglich zu sein. Für den eigentlich vorgeschlagenen Reaktionszyklus berechnete, einfach und doppelt reduzierte Spezies, weisen dagegen kein sinnvolles Energieprofil auf. c) Ein dinuklearer Molybdän-Kupfer-Komplex [(Me2C2S2)Mo(O)2-SCuSMe] 2-, sowie seine protonierte Oxo-Hydroxo-Form, wurden berechnet, um einen Einblick in die bei der Molybdän und Kupfer abhängigen CODH beteiligten Reaktionsschritte zu gewinnen. Nur der Bisoxo-, nicht aber der Hydroxo-Oxo-Komplex, ermöglicht eine exotherme CO-Oxidation. Ein Thiocarbamatkomplex, der als Reaktionsprodukt des Enzyms mit dem Inhibitor n-Butylisonitril beschrieben wurde, ist thermodynamisch verifizierbar. Für die Bildung eines analogen Thiocarbonatkomplexes bei der CO-Oxidation dagegen konnte keine signifikante, thermodynamische Triebkraft gefunden werden. In die Proteinstruktur des Enzyms eingebettet sollte diese Spezies weiter destabilisiert werden, da der Abstand der Metallzentren für das freie Modell bei dessen Bildung deutlich vergrößert wird.

Translation of abstract (English)

Aim of this thesis was to establish theoretical models, which allow rapid and reliable computations of energetic and geometric parameters of the catalytic centre of two key enzymes of bacteria and archaea, the nickel iron and the molybdenum copper dependent carbon monoxide dehydrogenase (CODH). These theoretical models were to rely on published experimental data, including crystallographic data. The following models were investigated: a) A dinuclear model, in which an iron and a nickel atom are structurally fixed by a cyclopropane rather than an iron sulfur cluster. Although this apparently most simplistic model is very simplifying, it allows to calculate energetic and geometric parameters from many hypothetical geometries in a short time frame. Thus, this model might be used to select the most suitable geometries for a subsequent study of a more complex theoretical model. b) A polynuclear model is characterized by a cubic structure and an imidazole ligand, substituting the histidine residue of the core protein. This model was derived from experimental structures published for the catalytically active C cluster in its reduced state. Although calculation time per variable is comparatively high, the parameters obtained more reliably resemble data derived from investigations of the isolated enzymes or the crystallized enzyme, and as reported in the literature. These small model clusters were computed for comparison between CODH [NiFe4S4] and [NiFe4S5] C cluster active sites. Various oxidation states (fully oxidized, singly and doubly reduced) and additional ligands, such as H2O, CO and H- were considered, but no computed geometry gave a consistently good agreement with geometrical parameters determined experimentally by single crystal X-ray diffraction. The experimental data from different studies, however, is considerably diverse. Stationary points of the proposed catalytic cycle for CO oxidation were also computed. In the oxidized form, the [NiFe4S4] models gave reasonable structures as well as a reasonable energy profile – in contrast to the [NiFe4S5] models. Mechanistic alternatives were also considered, e.g. reversed roles of metals, i.e. CO binding by Fe and H2O binding by Ni. A hydride bridged species, which was proposed as possible intermediate, seems to be energetically possible. For the originally proposed pathway singly and doubly reduced species were also computed but do not result in a smooth energy profile in contrast to the fully oxidized forms. c) A dinuclear molybdenum copper complex [(Me2C2S2)Mo(O)2-S-CuSMe]2- or its oxo protonated form was investigated to gain insights into the reaction steps involved in substrate oxidation of a Mo/Cu dependent CO dehydrogenase. Only the bisoxo but not the hydroxo oxo complex was found to oxidize CO exothermically. A thiocarbamate complex structurally characterized as the reaction product of the enzyme with the inhibitor n-butylisonitrile can be verified thermodynamically. For the formation of the analogous thiocarbonate complex from CO oxidation, however, no significant thermodynamic driving force could be found. In the protein matrix of the enzyme this species should be further destabilized as it requires the metal centers to considerably move apart from each other.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Krämer, Prof. Dr. Roland
Date of thesis defense: 2 November 2007
Date Deposited: 07 Nov 2007 13:57
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Inorganic Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Dichtefunktionalformalismus, Kohlenmonoxid-Dehydrogenase
Uncontrolled Keywords: dft , codh
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