Sonja Herres-Pawlis und Peter Klüfers

Metalloproteine, Methoden und Modelle

Bioanorganische Chemie

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Sonja Herres-Pawlis undPeter Klüfers

Bioanorganische Chemie

Sonja Herres-Pawlis und Peter Klüfers

Bioanorganische Chemie

Metalloproteine, Methoden und Konzepte

Autoren

Sonja Herres-PawlisRWTH AachenInstitut für Anorganische ChemieLehrstuhl für Bioanorganische ChemieLandoltweg 152074 AachenDeutschland

Peter KlüfersLMU MünchenLehrstuhl für Bioanorganische Chemieund KoordinationschemieButenandtstr. 5–13, Haus D81377 MünchenDeutschland

TtelbildMetalloproteine erschließen sich durchkoordinationschemische Konzepte:Orbitalbetrachtungen wie im oktaedrischenLowspin-Komplex [Fe(CN)5(NO)]2−, dessenNatriumsalz ein Wirkstoff der WHO-essential-medicines-Liste ist, erhellen auch dieO2-Bindung in Myoglobin.

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Gedruckt auf säurefreiem Papier.

V

Inhaltsverzeichnis

Vorwort XIII

Teil I Die Koordinationschemie von Metalloenzymzentren 1

1 Säure-Base-Katalyse bei physiologischem pH-Wert: Zink(II)in Carboanhydrase und hydrolytischen Zinkenzymen 3

1.1 Carboanhydrasen 41.1.1 Molekülbau von humaner Carboanhydrase II (hCA II) 41.1.2 CA-Katalysezyklus 61.1.3 Cadmium als Zentralmetall in einer ζ-CA 71.2 Alkoholdehydrogenase 81.3 Hydrolytische Zinkenzyme, Klasse-II-Aldolase 81.4 Nicht katalytische Zinkzentren 91.5 Literatur 11

2 Funktion und Inhibition katalytischer Zentren:Urease und Ureasehemmstoffe 15

2.1 Harnstoff im Stickstoffstoffwechsel 152.2 Molekülbau von Urease 162.3 Ureasekatalysezyklus 172.4 Ureasehemmung durch Diamidophosphat 182.5 Ureasebiosynthese: Nickeleinbau durch UreE 192.6 Elementaranalyse an kristalliner Urease: Sumners Irrtum 202.7 Literatur 22

3 Superoxidreduktion in Anaerobiern: Rubredoxin (Rd)und Superoxidreduktasen (SORs) 25

3.1 O∙ −2 -Reduktion 253.2 Rubredoxin (Rd) 263.2.1 Aufbau von Rubredoxin 263.2.2 Das elektrochemische Potenzial von Rubredoxin:

Thermodynamik der e–-Übertragung 27

VI Inhaltsverzeichnis

3.3 Desulforedoxin (Dx) 293.4 Reorganisationsenergie einkerniger Highspin-Eisenzentren:

Kinetik der e–-Übertragung 303.5 Superoxidreduktasen (SORs) 313.5.1 Molekülbau von SORs 313.5.2 SOR-Katalysezyklus 323.6 Literatur 33

4 Anionische Liganden senken das elektrochemische Potenzial:[2Fe-2S]-Ferredoxine und Rieske-Zentren 35

4.1 Zweikernige Eisen-Schwefel-Proteine 354.2 [2Fe-2S]-Ferredoxin 354.3 Rieske-Zentren 364.4 Oxidationsstufen und Redoxpotenziale 374.5 Biosynthese von Fe-S-Clustern 384.6 Literatur 39

5 [4Fe-4S]-Cluster: Ein „altes“ Zentrummit vielen Funktionen 415.1 Ein Blick in die Evolution 425.2 [4Fe-4S]-Ferredoxine und HP-Proteine 425.2.1 [4Fe-4S]-Cluster als 1e–-Überträger 425.2.2 Molekülbau von [4Fe-4S]-Ferredoxinen 435.2.3 2[4Fe-4S]-Cluster 435.3 [3Fe-4S]-Cluster 435.4 [4Fe-3S]-Cluster 445.5 Aconitase 455.5.1 Molekülbau von Aconitase 465.5.2 Aconitasekatalysezyklus 475.6 IspG und IspH 485.7 Radikal-SAM-Enzyme 495.7.1 Molekülbau von Radikal-SAM-Enzymen 495.7.2 Bildung von 5′-Adenosylradikalen 515.7.3 Eisen-Schwefel-Cluster als Schwefelquellen 515.8 Literatur 52

6 Katalyse einer Redoxreaktion: Mangan- und Eisensuperoxiddismutase(MnSOD, FeSOD) 55

6.1 O∙ −2 -Disproportionierung 556.2 Molekülbau von Fe-, Mn- und Fe/Mn-SODs 566.3 Mn/Fe-SOD-Katalysezyklus 576.4 Weitere SODs 596.5 Literatur 59

7 Mononukleare Nichthäm-Eisen-Enzyme 617.1 Isopenicillin-N-Synthase 63

VIIInhaltsverzeichnis

7.2 Naphthalin-1,2-Dioxygenase, eine Rieske-Dioxygenase 657.3 Phenylalaninhydroxylase (PAH) 667.3.1 Monooxygenierung von Phenylalanin 677.3.2 Aufbau von PAH 687.3.3 O2-Aktivierung und Regulierung 697.3.4 Bio-Anorganisches: Die Elektronenstruktur eines

Highspin-FeIV=O-Zentrums 697.3.5 Reaktionen der transienten FeIV=O-Spezies 727.4 Literatur 73

8 O-Atom-Transfer: Der Molybdopterin-Kofaktor 758.1 Einkernige Molybdän-Enzyme 758.2 Sulfitoxidase 768.2.1 Katalyse 778.3 MoCu-CO-Dehydrogenase 808.4 Literatur 81

9 Ein Strukturelement – viele Funktionen: Oxidodieisenzentren 839.1 Hämerythrin (Hr) 849.1.1 Molekülbau von Hämerythrin 849.1.2 Sauerstofftransport in Hr 849.2 LöslicheMethanmonooxygenase (sMMO) 859.2.1 Methanotrophe Bakterien 859.2.2 Die Hydroxylasekomponente (sMMOH) der löslichen

Methanmonooxygenase 869.2.3 sMMO-Katalyse 879.3 Ribonukleotidreduktase 889.4 Flavodieisenenzyme 89

10 Bioliganden und Bindungsmodelle 9310.1 Histidin 9410.2 Aspartat und Glutamat 9510.3 Cysteinat 9510.4 Tyrosinat 9610.5 Methionin 9610.6 Porphyrinliganden 9610.7 Literatur 98

11 High- und Lowspin-Eisen: Myoglobin und Hämoglobin 10111.1 O2-Transport 10111.2 deoxyMb 10211.3 oxyMb 10311.4 MbCO 10411.5 1FeII−1O2, 2FeIII−2O∙ −2 oder

3FeII−3O2? 10611.6 metMb 109

VIII Inhaltsverzeichnis

11.7 Dynamik der Be- und Entladung von Mb 11011.8 Literatur 110

12 Häm-NO-Komplexe: P450nor, Nitrophorine, MbNO, löslicheGuanylatcyclase (sGC) 113

12.1 Cytochrom P450nor, eine fungale NO-Reduktase 11612.2 Die Fe–NO-Bindung in Häm-{FeNO}6-Zentren 11712.3 Nitrophorine 11912.4 NO-beladenes Mb, ein {FeNO}7-Zentrum 12012.5 Die Fe–NO-Bindung in Häm-{FeNO}7-Zentren 12012.6 Lösliche Guanylatcyclase (sGC) 12112.7 Literatur 122

13 Redoxkatalyse mit Hämzentren: Cytochrom c, Katalase, CytochromP450 125

13.1 Cytochrom c 12513.2 Häm-Katalase 12613.3 Cytochrom P450 12713.4 NO-Synthasen 13013.5 Literatur 131

14 Redoxchemie bei hohem Potenzial: blaue Kupferproteine undCuA-Zentren 133

14.1 Blaue Kupferzentren 13614.2 Plastocyanin 13614.2.1 Molekülbau von Plastocyanin 13614.2.2 Das Modell vom entatischen Zustand 13714.2.3 Der elektronische Grundzustand des Plastocyaninzentrums 13714.2.4 Die Bedeutung kovalenter Bindungen in Kupferzentren 13914.3 CuA-Zentren 140

15 Aktivierung von O2-Spezies in Kupfer-Redox-Zentren: O2-Transport,Oxygenase-, Oxidase- und SOD-Aktivität 143

15.1 Hämocyanin (Hc) 14315.1.1 Molekülbau von Hämocyanin 14315.1.2 TS-3-CuII(His)3 – ein starkes Oxidationsmittel 14415.2 Tyrosinase 14615.2.1 Molekülbau von Tyrosinase 14615.2.2 Oxidationszustände und Reaktionsschritte 14715.3 Partikuläre Methanmonooxygenase (pMMO) 14815.4 CuZnSOD 14915.4.1 Der Molekülbau von CuZnSOD 14915.4.2 Katalysezyklus 15015.5 Mononukleare Cu-Monooxygenasen 15115.6 Kupfer(III) in der Biochemie? 15215.7 Literatur 153

IXInhaltsverzeichnis

16 Proteinogene Radikale als Liganden: Galactose-Oxidase (GO) undCytochrom-c-Oxidase (CcO) 155

16.1 Galactose-Oxidase 15516.1.1 Molekülbau von GO 15616.1.2 Katalyse 15716.2 Cytochrom-c-Oxidase (CcO) 15816.2.1 Struktur des Häm-a3-CuB-Zentrums in Cytochrom-c-Oxidase 15916.2.2 Katalysezyklus 16016.3 Literatur 161

17 Vierelektronen-Katalyse, zweiter Teil: Der O2-freisetzende Komplex inPhotosystem II 163

17.1 Die fünf Zustände 16317.2 Die Struktur des Photosystems II 16417.3 Oxidationszustände des OEC und Katalysezyklus 16617.4 Synthetische Katalysatoren für die Wasseroxidation 16817.4.1 Redoxkatalyse mit Manganoxiden 16917.5 Literatur 169

18 Hydrogenasen 17118.1 H2-Aktivierung 17118.2 [NiFe]-Hydrogenasen 17218.2.1 Katalysezyklus 17318.2.2 Der μ-Hydrido-Zustand 17418.2.3 Die Biosynthese des aktiven Zentrums 17418.3 [FeFe]-Hydrogenase 17518.4 [Fe]-Hydrogenase (Hmd) 17718.5 Literatur 178

19 Nitrogenase 18119.1 N2-Reduktion 18119.2 Molekülbau von Nitrogenase 18219.3 Katalysezyklus 18319.4 Biosynthese von P- und M-Cluster 18419.5 Literatur 185

20 Organometallchemie in Organismen I: cobalaminabhängigeMethioninsynthase 187

20.1 Vitamin-B12-Derivate 18720.2 Methioninsynthase 18820.2.1 Methioninsynthase: Molekülbau und Oxidationsstufen 18820.2.2 Katalysezyklus 18920.3 Literatur 191

X Inhaltsverzeichnis

21 Organometallchemie in Organismen II:CO-Dehydrogenase/Acetyl-CoA-Synthase 193

21.1 CO2-Reduktion: anaerobe CO-Dehydrogenasen und bifunktionelleCODH/ACSs 193

21.2 Der C-Cluster in NiCODHs 19421.3 Der A-Cluster in NiCODHs 19621.3.1 Die Struktur des A-Clusters in CODH/ACS 19621.3.2 A-Cluster-Katalyse 19721.4 Literatur 197

22 Ein technisch genutztes Metallenzym: Xylose-Isomerase(„Glucose-Isomerase“) 201

22.1 Xylose-Isomerase 20122.1.1 Molekülbau von Xylose-Isomerase 20222.1.2 Katalyse 20422.2 Literatur 205

23 Eisenstoffwechsel 20723.1 Metallstoffwechsel 20723.2 Transferrin 21023.3 Bakterielle Siderophore 212

24 Koordinationschemische „Steckbriefe“ einiger Zentralmetalle 215

25 Elektrochemische Potenziale von Sauerstoffspezies bei pH 7 219

Teil II Der Blick aufs Metall:Grundlegende und spezielle Methoden 221

26 Strukturanalyse von Proteinen 22326.1 Kristallisation der Proteine 22326.2 Röntgenbeugung 22426.3 Röntgenstrukturanalyse 22726.3.1 Methode des isomorphen Ersatzes 22826.3.2 MAD-Methode (Multiwavelength Anomalous Dispersion) 22926.3.3 Methode des molekularen Ersatzes (MR) 23026.4 Die Strukturverfeinerung 23026.5 Literatur 232

27 UV/Vis-, Fluoreszenz- und CD-Spektroskopie 23327.1 Allgemeine Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie 233

XIInhaltsverzeichnis

27.2 Technisches 23827.3 Allgemeine Grundlagen der Fluoreszenzspektroskopie 23927.4 Technisches 24227.5 Fluoreszenzlöschung 24327.6 Förster-Energie-Transfer 24427.7 Allgemeine Grundlagen der CD-Spektroskopie 24527.8 Zusammenfassung 24827.9 Literatur 248

28 Elektrochemie 24928.1 Allgemeine Grundlagen 24928.2 Cyclovoltammetrie 25028.3 Einfluss der Diffusion 25328.4 Reversible Systeme 25428.5 Quasireversible und irreversible Systeme 25628.6 Wichtige Kenngrößen 25628.7 Technische Details 25728.8 Pulsvoltammetrie 25928.9 Differenzielle Pulsvoltammetrie 26028.10 Square Wave Voltammetrie 26128.11 Theorie des Elektronentransfers 26228.12 Zusammenfassung 26528.13 Literatur 265

29 Theoretische Methoden 26729.1 Allgemeine Grundlagen 26729.2 Dichtefunktionaltheorie 27029.3 Beschreibung des Lösungsmittels 27429.4 Optimierung der Geometrie 27629.5 Berechnung thermodynamischer und optischer Eigenschaften 27829.5.1 Frequenzen, Energien 27829.5.2 UV/Vis-Spektren 28029.5.3 NMR- und EPR-Spektren 28129.5.4 Molekülorbitale und Ladungsverteilungen 28229.6 Zusammenfassung 28429.7 Literatur 284

30 Resonanz-Raman-Spektroskopie 28530.1 Der Raman-Effekt 28530.2 Resonanz-Raman-Spektroskopie 28730.3 Technisches 28930.4 Anwendung 29130.5 Zusammenfassung 29230.6 Literatur 292

XII Inhaltsverzeichnis

31 Röntgenabsorptionsspektroskopie 29331.1 Allgemeine Grundlagen 29331.2 Technisches 29531.3 Auswertung 29631.4 Anwendung 29831.5 Zusammenfassung 30031.6 Literatur 300

32 Mößbauer-Spektroskopie 30132.1 Allgemeine Grundlagen 30132.2 Technisches 30232.3 Mößbauer-Spektren und ihre Parameter 30332.4 Anwendung: Rieske-Proteine 30532.5 Zusammenfassung 30632.6 Literatur 306

33 Elektronenspinresonanzspektroskopie 30733.1 Allgemeine Grundlagen 30733.2 Technisches 30933.3 Spin-Bahn-Kopplung 31033.4 Hyperfeinkopplung 31133.5 Systeme mit einem Spin > 1∕2 31333.6 Anwendung I: Blaue Kupferproteine 31433.7 Anwendung II: Eisen-Porphyrin-Systeme 31533.8 Moderne Entwicklungen 31633.9 Zusammenfassung 31733.10 Literatur 318

34 Magnetische Messungen mit SQUID 31934.1 Allgemeine Grundlagen 31934.2 Technisches 32134.3 Anwendung 32234.4 Zusammenfassung 32234.5 Literatur 323

Sachverzeichnis 325

XIII

Vorwort

Dieses Buch geht auf Vorlesungen zurück, die wir in den vergangenen Jahren ander LMU München gelesen haben, und zwar auf die Vorlesung BioanorganischeChemie des Bachelor-Studiengangs Chemie und Biochemie und auf die Spezial-vorlesung des Chemie-Masterstudiengangs Spektroskopische Methoden der Bio-anorganischen Chemie.

Teil I: Die Koordinationschemie von Metalloenzymzentren

Der erste Teil dieses Buches entspricht in seinem didaktischen Ziel in etwa ei-ner zweistündigen Vorlesung „Bioanorganische Chemie“, die im Curriculum derLMUMünchen für das sechste Semester des Bachelorstudienganges vorgesehenist. Das Hauptziel besteht darin, die koordinationschemischen Regeln, welche dieStudierenden in einer ebenfalls zweistündigen Vorlesung im vierten Fachsemes-ter kennenlernen, in den Strukturen und Reaktionen der aktiven Zentren vonMetalloproteinenwiederzufinden. Die Beschränkung der Bioanorganischen Che-mie auf Metalloproteine ergab sich im Laufe der Jahre als geeignetes didaktischesHilfsmittel, um das genannte Hauptziel zu erreichen. (Therapeutika wie Cispla-tin werden an der LMU im Rahmen der einführenden koordinationschemischenVorlesung behandelt, nicht in der Bioanorganischen Chemie.) Diese Einteilungwurde beibehalten, der Stoff wurde lediglich so vermehrt, dass ein „rundes“ Bilddieses interessanten und sich schnell entwickelnden Faches entsteht. Würde manjetzt umgekehrt den ersten Teil des Buches als Vorlesung halten, so wäre diesenäherungsweise vierstündig.Die Gliederung zeichnet nicht, wie in Biochemie-Lehrbüchern sinnvollerwei-

se üblich, Stoffwechsel- oder Signaltransduktionswege nach. Die Abfolge derbehandelten Enzymzentren richtet sich vielmehr nach der koordinationschemi-schen Komplexität. Auf die einfache Säure-Base-Katalyse (Zinkenzyme, Nicht-Redox-Nickelenzyme) folgt daher die Redoxchemie an Highspin-Zentren (Eisen-Schwefel-Enzyme) und Reaktionen mit Sauerstoffspezies ohne Spinwechsel amZentralmetall (Mangan-SOD, Nichthäm-Eisenenzyme, Molybdopterin, Oxodiei-senzentren), dann folgen die Koordination und die Redoxkatalyse an Lowspin-Zentren oder unter Wechsel des Gesamtspins (Hämenzyme), um schließlich

XIV Vorwort

mit den Kupferenzymen aktive Zentren zu behandeln, bei denen die Modu-lierung der Orbitalenergien des Zentralmetalls reaktionssteuernd ist. (Bei denRedoxenzymen geht die so gewählte Abfolge mit einem Ansteigen des elektro-chemischen Potentials einher.) Es folgen größere, eigenständige Themen, die vielAufmerksamkeit auf sich gezogen haben, zum Teil seit Jahrzehnten: Photosys-tem II, Hydrogenasen, Nitrogenase. Am Schluss kommen dann mit Cobalaminund CO-Dehydrogenase/Acetyl-CoA-Synthase organometallchemische Aspektehinzu, ferner wird mit Xylose-Isomerase auf großtechnische Aspekte eingegan-gen. (In diesem Abschnitt und auch im Text wird der Begriff Enzym auch fürElektronen- und O2-Transportproteine verwendet, also nicht nur für Enzyme imSinn der International Union of Biochemistry andMolecular Biology, IUBMB, dieeine EC-Nummer tragen.)Das Lernziel des ersten Teils lässt sich konkreter darin sehen, einen sinnvol-

len Zusammenhang zwischen den koordinationschemischen Charakteristika ei-nes Zentralmetalls und seinem Verhalten im aktiven Zentrum eines Enzyms her-zustellen. Um eine Hilfestellung bei der Einschätzung zu geben, wie sich ein Zen-tralmetall außerhalb einer Proteinumgebung, also unter „Reagenzglasbedingun-gen“ verhält, sind in Kapitel 24 „koordinationschemische Steckbriefe“ für jedesZentrum dieses Textes zusammengestellt.Der didaktische Bezug zur Koordinationschemie wird weiter vertieft, indem

spezielle Themen – meist „Handwerkszeug“ oder Konzeptionelles – in eigenenAbschnitten dargestellt werden, die mit „Bio-Anorganisches“ eingeleitet werden.Hier finden die Leserin und der Leser Lehrinhalte dargestellt, die Studierendenach unserer Erfahrung gerne im Zusammenhang vermittelt bekommen.

Teil II: Der Blick aufs Metall: Grundlegende und spezielleMethoden

Der zweite Teil dieses Buches basiert auf der einstündigenVorlesung „Spektrosko-pische Methoden in der Bioanorganischen Chemie“, die von SHP als Wahlvorle-sung an der LMUMünchen in denMasterstudiengängen Chemie und Biochemieangeboten wurde. Das Hauptziel besteht darin, die Grundlagen, Möglichkeitenund potentiellen Anwendungsfälle der wichtigsten Methoden für die bioanorga-nische Chemie für Studierende ab dem 5. Semester ohne spezielle analytischeVorbildung zusammenzufassen. Die Auswahl der Methoden bildet viele wichti-ge Techniken ab, wobei die Auswahl in künftigen Auflagen ergänzt werden wird.Die bioanorganische Chemie ist ein sehr dynamisches Feld und neue Methodenermöglichen immer wieder neue Erkenntnisse zur elektronischen Struktur undFunktion von Enzymzentren. In allen methodischen Kapiteln ist weiterführendeLiteratur zu Spezialwerken angegeben. Da dieseWerke häufig nicht für Einsteigerverfasst sind, sollen die Kapitel in Teil II einen verständlichen Zugang für Bache-lorstudierende bieten. Nach dem Lesen der Kapitel soll der Leser in der Lage sein,eine potentielle (bioanorganische) Anwendung zu erkennen aber auch die Gren-zen der jeweiligen Methode zu erfassen.

XVVorwort

Die Kapitel sind so gestaltet, dass sie einzeln gelesen werden können und nichtals ganzer Block verstanden werden müssen. Sie dienen auch als methodischeErläuterung zu den spezielleren Ausführungen in Teil I. Für das Verständnis derAnwendungsfälle in Teil II sind Hinweise auf die jeweiligen Kapitel in Teil I gege-ben. Die Abfolge der Kapitel in Teil II verläuft von den allgemeineren Methodenzu den spezielleren. Wir starten daher Teil II mit der weit verbreiteten Struktur-analyse von Proteinen, über die UV/Vis-, Fluoreszenz- und CD-Spektroskopiezur Elektrochemie und den theoretischen Methoden. Diese Methoden sind denmeisten Studierenden bereits aus früheren Vorlesungen vertraut und werdenhier noch einmal aufgefrischt bzw. vertieft. Anschließend folgen die Metho-den, die deutlich spezifischere Einblicke auf die Oxidationsstufe und Elektronen-konfiguration des Metalls, ausgewählte Metall-Ligand-Schwingungen und auchdie koordinative Metall-Umgebung in Lösung und nicht-kristallinen Phasen er-möglichen (Resonanz-Raman-Spektroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie,Mößbauer-Spektroskopie, Elektronenspinresonanzspektroskopie und SQUID-Magnetometrie).Das Lernziel ist das bessereVerständnis der Originalliteratur, die jameist schon

vor dem Bachelorabschluss gelesen werden sollte, und ein Abbau der Hürde zumSelbststudium und Verständnis der Methoden. Letztendlich sollen die Leser undLeserinnen nach Lektüre des Buches in die Lage versetzt werden, selbst zu erken-nen, welche Methode bei einem gegebenen bioanorganischen Problem anwend-bar ist.Für die Unterstützung bei der Erstellung der zahlreichen Graphiken in Teil II

ist SHP Herrn Dr. Alexander Hoffmann zu größtem Dank verpflichtet. Des wei-teren möchte SHP sich auch bei Herrn Dr. Gerhard Herres, Herrn PD Dr. Alex-ander Pawlis und Herrn Dr. Benjamin Dicke für die Hilfe bei einigen Bildern be-danken. Für die zahlreichen Diskussionen und das Korrekturlesen vieler Kapiteldankt SHP Herrn Prof. Dr. Michael Rübhausen, Frau Prof. Dr. Birgit Weber undHerr Prof. Dr. Biprajit Sarkar sowie demArbeitskreis Herres-Pawlis sehr herzlich.Abschließend möchten wir uns auch beim Verlag Wiley-VCH und speziell bei

FrauMoosdorf und ihremTeam für die Betreuung dieses Buchprojekts bedanken.Die bioanorganische Chemie und ihre Methoden sind ein sehr vitales Feld, da-

her freuen wir uns sehr über Anregungen, Hinweise und Ergänzungen der inter-essierten Leser und Leserinnen (Hinweise zu Teil I bitte an PK, zu Teil II an SHP).Wir wünschen Ihnen viel Freude beim Lesen!

Technisches

Werden quantenchemische Rechnungen herangezogen, um z. B. Orbitalwechsel-wirkungen zu veranschaulichen, wird das theoretische Niveau in Kurzform ver-merkt. Es bedeutet:xDFT1: Rechnung mit Orca, BP86/def2-TZVP, van-der-Waals-Korrektur nach

Grimme (keyword D3), COSMOmit den Standardparametern für Wasser; x = u:unrestricted, x = r: restricted, x = bs: broken-symmetry;OrbitalbildermitGabedit.

XVI Vorwort

Die Abbildungen von Proteinen und deren aktiven Zentren wurden mit Pymolauf derGrundlage vonStrukturanalysen angefertigt, die in derProtein-Datenbank(PDB) hinterlegt sind. Über die Datenbankeinträge hinaus enthält die PDB nütz-liche Informationen methodischer Art. So werden viele Einzelheiten (was ist diebei jeder Struktur genannte „Auflösung“, etc.?) anschaulich bei den EducationalRessources behandelt (die Auflösung unter resolution).Zur Notation von Konzentrationsangaben: IUPACs Green Book lässt für die

molare Konzentration zwei gleichbedeutende Notierungen zu, zum Beispielc(H3O+) = [H3O+] = 10−7 mol L−1. In diesem Text wird [A] als c(A)∕c–o(A) be-nutzt, so dass zum Beispiel gilt: pH = − lg[H3O+]. Löslicheitsprodukte [A][B]sind analog definiert und daher als bloße Zahl angegeben.

Aachen und München, Februar 2016 Sonja Herres-Pawlis undPeter Klüfers

Teil IDie Koordinationschemie von Metalloenzymzentren

3

1Säure-Base-Katalyse bei physiologischem pH-Wert:Zink(II) in Carboanhydrase und hydrolytischenZinkenzymen

Die schwache Brønsted-Säure Wasser wird deutlich saurer, wenn sie andie Lewis-Säure Zn2+ koordiniert.Die konjugierte BaseOH– steht im ak-tiven Zentrum des Enzyms in hoher Konzentration als zinkgebundenesNukleophil zur Verfügung. Im aktiven Zentrum des Enzyms findet soSäure-Base-Katalyse bei konstantem pH-Wert statt.

Zinkenzyme

Für den Menschen sind nur wenige Übergangsmetalle essenzi-ell. Wird die bloße Menge an Metall betrachtet, so finden sichim Grammbereich lediglich Eisen mit ≈ 3−5 g und Zink mit 2 g,im 100-mg-Bereich Kupfer. Cobalt, Mangan und Molybdän tretenhinter diese drei wichtigsten Elemente zurück – vor allem, wenn dieZahl an Enzymen betrachtet wird, die das jeweilige Metall enthal-ten. Gerade bei Zink zeigt sich dabei der Zusammenhang zwischenden verfügbaren Detektionsmethoden und dem Erkennen einesProteins als Zinkenzym. Als diamagnetisches, farbloses d10-Ionohne Redoxchemie fallen nämlich einige Detektionsmöglichkeitenaus. So bleiben, von der Röntgenstrukturanalyse an Einkristallen ab-gesehen, die Atomabsorptionsspektroskopieund – alsMethode zurDetektion nicht zu fest gebundenen Zinks – die Fluoreszenzspek-troskopie an Zinkchelaten, die ihre fluoreszierenden Eigenschaftennur im zinkgebundenenZustand zeigen, nicht für den freien Ligand.Ein Motiv für die intensive Suche nach weiteren Zinkproteinen istein genetischer Befund. Abhängig von den angewandten Kriteri-en zeigt die Sequenz der menschlichen DNA an, dass 3–10% desGenoms Zinkproteine codieren. Für den oberen Wert hieße dies,dass derMensch ca. 3000Zinkenzyme ausbilden könnte, von denenbislang nur ca. 200 bekannt sind.

Bioanorganische Chemie, 1. Auflage. Sonja Herres-Pawlis und Peter Klüfers.© 2017WILEY-VCHVerlag GmbH& Co. KGaA. Published 2017 byWILEY-VCH VerlagGmbH & Co. KGaA.

4 1 Säure-Base-Katalysebei physiologischempH-Wert

1.1Carboanhydrasen

Carboanhydrasen sind im Tier- und Pflanzenreich weit verbreitet.Eine Carboanhydrase (CA) war das erste der heute bekannten En-zyme, die als Zinkenzyme erkannt wurden. Genetisch werden ver-schiedene CA-Familien unterschieden (α-, β-, γ-, δ- und ζ-CAs).Im Menschen kommen α-CAs vor, die ihrerseits wieder in derzeit15 verschiedene Formen („Isozyme“) zerfallen. Die Formenvielfaltspiegelt wider, dass CAs zahlreicheAufgaben haben, so sind sie auchbeim ständigen Umbau des Skeletts beteiligt (biologischer Apatitenthält Carbonat). Da sie außerdembei vielen Krankheitsbildern ei-ne Rolle spielen, sind CAs Ziel der Wirkstoffentwicklung.Die von CA katalysierte Reaktion mutet fast primitiv an, da „nur“

eineGleichgewichtseinstellung zwischen Lösung undGasraumvor-bereitet wird – so katalysiert bei uns Menschen Carboanhydrase IIdie Reaktion zwischen demHydrogencarbonat des Blutplasmas unddem Kohlendioxid in den Lungenbläschen:

CO2 + 2H2O ⇌ HCO−3 +H3O+

Dass dieser einfache Vorgang kinetisch gehemmt ist und der Kata-lyse bedarf, erkennt man spätestens dann, wenn man im Biergar-ten vor einer frisch gezapften Maß sitzt. Auch nach längerer Zeit„bitzelt“ ein Schluck auf der Zunge. Es wird also noch Kohlensäurefreigesetzt, die (Gott sei Dank) eben nicht in den ersten Sekundennach dem Zapfen die wässrige Phase verlassen hat, um so das ther-modynamische Gleichgewicht einzustellen – wirksames Veratmenvon CO2 ist unkatalysiert also offensichtlich nicht möglich. (Auchdas Prickeln auf der Zunge wird übrigens durch eine dort lokalisier-te Carboanhydrase IV bewirkt [10].)

1.1.1Molekülbau von humaner Carboanhydrase II (hCA II)

Die meisten CAs bestehen aus einem einzelnen Proteinstrang vonca. 260Aminosäuren. Es sindmehr als 400 Strukturanalysen anCAsund CA-Hemmstoff-Komplexen in der PDB hinterlegt (abzufragenunter carbonic anhydrase). Die durch β-Faltblatt- und ungeordne-te Abschnitte charakterisierte Molekülstruktur von humaner Car-boanhydrase II ist in Abb. 1.1 gezeigt.Im aktiven Zentrum binden drei Histidinreste ein vierfach ko-

ordiniertes Zinkion (Abb. 1.2). Die vierte Koordinationsstelle wirdvon einem Aqua/Hydroxido-Liganden belegt. Unter den Amino-säureseitenketten in der näheren Umgebung des aktiven Zentrumswird der Histidin-64-Rest in der Rolle eines Protonenüberträgers

51.1 Carboanhydrasen

Abb. 1.1 Humane Carboanhydrase II in 1,56 Å Auflösung (PDB-Eintrag 2VVA). Einemit 0,9 Å hochaufgelöste Struktur wird in 3KS3 beschrieben.

gesehen. Es liegen Strukturanalysen vor, die sowohl CO2-beladenehCA II zeigen, als auch dasselbe Enzym in der Hydrogencarbonat-form. Beide Zustände sind durch Wasserstoffbrückenbindungencharakterisiert, in die der Aqua/Hydroxido-Ligand, zwei Wasser-moleküle im typischen 3-Å-Abstand und die Hydroxygruppe ei-ner Threoninseitenkette eingebunden sind. In der CO2-beladenenForm ist das Kohlendioxidmolekül über weitere Wasserstoffbrü-ckenbindungen für den Angriff eines OH−-Nukleophils räumlichkorrekt positioniert (in zinkfreier CA führt die Beladung mit CO2zu derselben räumlichen Anordnung des Substrats). Abbildung 1.2zeigt das Ergebnis der Strukturanalyse; zur besseren Übersicht istder über eine „In“- und eine „Out“-Konformation fehlgeordneteHis64-Protonenüberträger nicht dargestellt (His64 liegt links vomaktiven Zentrum). Das Wassermolekül oberhalb des Aqualiganden(„deep water“) nimmt in der substrat- und produktfreien Form desEnzyms ungefähr den Platz des oberenO-Atoms desCO2-Molekülsein. Bei der Bindung des Substrats wird dieses Wassermolekül ausseiner Ruhelage gedrängt.

Abb. 1.2 Das aktive Zentrumder in Abb. 1.1 dargestelltenCO2-beladenen hCA II.

Die in Abb. 1.3 gezeigte Struktur mit der hydrogencarbonatbe-ladenen Form suggeriert einen einfachen Ablauf der Katalyse. Daskorrekt positionierte Elektrophil CO2 und der Aqua/Hydroxido-Ligand scheinen ohne nennenswerte Bewegung der Umgebungeinen HCO−3 -Liganden gebildet zu haben. Es sollte jedoch beachtetwerden, dass das Proton des Hydroxidoliganden (das in der Rönt-genstrukturanalyse nicht sichtbar ist) im Produktkomplex nicht amzinkgebundenen O-Atom gebunden ist. Der im folgenden gezeigteKatalysezyklus berücksichtigt dies.

6 1 Säure-Base-Katalysebei physiologischempH-Wert

1.1.2CA-Katalysezyklus

Der Zyklus (Abb. 1.4) ist wie üblich als Umwandlung von CO2 inHydrogencarbonat dargestellt, wie er bei der CO2-Aufnahme durchphotosynthetisierende grüne Pflanzen abläuft. Man beachte, dasser im Gegenuhrzeigersinn abläuft, wenn CO2 ausgeschieden wird.Der Zyklus beginnt mit dem Enzym in der Ruheform, bei der we-gen des pKa-Wertes des Aqualiganden von ca. 7 dieser vor allemin der Hydroxidoform vorliegt (pH-Wert des Blutplasmas: 7,4). Dasvom Aqualiganden abgespaltete Proton wird über Wasserstoffbrü-ckenbindungen letztlich der His64-Seitenkette zugeführt. Da es imweiteren Verlauf der Katalyse auf umgekehrtemWeg wieder in denKreislauf zurückfließt, dient His64 als Protonenüberträger („protonshuttle“). Man beachte, dass eine wichtige Einzelheit einer wirksa-men Katalyse darin besteht, dass alle während der Reaktion beweg-ten Fragmente einen definierten Bindungspartner vorfinden. Es istalso nicht nebensächlich, dass das Proton nicht in die Umgebungentlassen wird und dieser bei Bedarf wieder entzogen wird.

Abb. 1.3 Das aktive Zentrumvon hydrogencarbonatbelade-ner hCA II in 1,66 Å Auflösung(PDB-Eintrag 2VVB). Der Hydroxidoligand ist das eigentliche Agens, das nun das Elek-

trophil CO2 angreift. Im nächsten Schritt entsteht ein Hydrogen-carbonatoligand. Die blau eingezeichneten Pfeile entsprechen denVorstellungen, die in der Literatur als „Lindskog-Mechanismus“bezeichnet werden. Dieser ist in den letzten Jahren bei computer-

Zn2+ OHis119N

His96N

His94N

Zn+ OH

Zn+

CO

O

H

O

Zn+

CO

O

OH

His64HH

His64H

CO2

H O + His643+ + HCO3

−

2 H O +2 His64H

His119N

His96N

His94N

His119N

His96N

His94N

His119N

His96N

His94N

Abb. 1.4 Katalysezyklus für das Carboanhydrasezentrum.

71.1 Carboanhydrasen

chemischen Rechnungen gegenüber einem konkurrierenden, hiernicht diskutierten „Lipscomb-Mechanismus“ wahrscheinlicher ge-worden. Die Formulierung der Kohlensäure im letzten Reaktions-schritt alsHydrogencarbonat spiegelt deren Säurestärke (pKa = 6,5)wider.Was ist nun der „Trick“ der Natur, ein Zinkzentrum mit CA-

Aktivität auszustatten? Eine Prise Zinksulfat führt schließlich nichtdazu, dass aus kohlensäurehaltigen Lösungen sofort CO2 entweicht– und es ist auch nicht zu erwarten: der pKa-Wert des Aqua-Zink-Komplexes, der sich beim Lösen eines Zinksalzes bildet, liegt bei9,0 (Tab. 24.8). Am Neutralpunkt und darunter liegt also nur wenigder konjugierten Base des Aquaions vor, also nur wenig zinkge-bundenes Hydroxid. Die gegenüber dem hydratisierten Ion höhereAcidität der aktiven Zentren der CAs ist mit deren kleinerer Ko-ordinationszahl im Einklang, und zwar im Sinne einer geringerenKompensation der Lewis-Acidität eines freien Zn2+-Ions durchweniger Liganden. Diese Auffassung wird durch experimentelle(Punktmutationen) und computerchemische Arbeiten unterstützt,die den Verlust der CA-Aktivität beim Austausch des neutralenN-Donorliganden Histidin gegen den anionischen Carboxylat-O-Donor Aspartat zeigen. Mit dem Anstieg des pKa-Wertes nimmtdie Konzentration an Hydroxidnukleophil beim physiologischenpH-Wert ab und damit die CA-Aktivität [5].

1.1.3Cadmium als Zentralmetall in einer ζ-CA

Das Zn(His)3-Muster der humanen CAs ist keine notwendige Vor-aussetzung für eine aktive CA, nicht einmal das Zinkatom ist fürdie Funktion unersetzbar. So enthalten Kieselalgen eine sogenannte„kambialistische“ Carboanhydrase vom ζ-CA-Typ, deren Funktionnicht von einem einzigen Zentralmetall abhängt. Das aktive Zen-trum ist ein M(Cys)2(His)-Fragment, in dem M sowohl Zink alsauch Cadmium sein kann. Für beide Fälle liegen Strukturanaly-sen vor. Abbildung 1.5 zeigt das aktive Zentrum einer CA aus derDiatomee Thalassiosira weissflogii mit einem fünffach koordinier-ten Cadmiumzentralatom (mit dem kleineren Zinkatom zeigt dieAnalyse ein vierfach koordiniertes Zn(Cys)2(His)(H2O)-Zentrummit dem zweiten Wassermolekül in Wasserstoffbrückenbindungzum Aqualigand). Gegenüber den meisten anderen CAs sind imüblichen Zn(His)3-Muster zwei Histidin-Neutralliganden durchCysteinatanionen ersetzt.

Abb. 1.5 Das aktive Zentrum ei-ner Cadmium-CA (PDB-Eintrag3BOB, 1.45 Å Auflösung).

Die CA-Aktivität dieses aktiven Zentrums verschiebt den Fokusder oben vorgestellten Interpretation, dass die Acidität des Aqua-liganden entscheidend sei. Amata et al. [7] betrachten die Acidi-

8 1 Säure-Base-Katalysebei physiologischempH-Wert

tät des metallgebundenen Wassermoleküls nicht als entscheiden-de Größe, sondern fragen nach der Nukleophilie des Hydroxido-liganden, wenn dieser erst einmal entstanden ist. Hier wäre dannnatürlich in umgekehrter Weise zu schließen: Ein weicher, anioni-scher Thiolatoliganden dämpft die Lewis-Acidität des Zentralme-tallatoms und erhöht damit die Beladung des Hydroxidoliganden.Es wird deutlich, dass im funktionsfähigen Enzym gegenläufige

Einflüsse ausbalanciert sind. Einheitlich bewertet wird die Bedeu-tung einer für das jeweilige Zentralmetall eher kleinen Koordina-tionszahl und deren Variation im Katalysezyklus. Der in Abb. 1.4gezeigte Reaktionsablauf beinhaltet für das mit blauen Pfeilen an-gedeutete Intermediat eine fünffache Koordination des Zentral-metallatoms. Dieser Schritt errechnet sich für Zink und Cadmiumals Übergangszustand, der beim größeren Cadmiumzentralmetalleine geringere Barriere darstellt [7]. Die aus Rechnungen an ζ-CAgewonnenen mechanistischen Aussagen sind nicht im Detail aufdie verbreiteteren α-CAs zu übertragen, da nicht nur der Weg desHCO−3 -Protons durch unterschiedliche Wasserstoffbrückenbin-dungssysteme bestimmt ist, sondern auch die steuernden Parame-ter selbst, die Acidität des Aqualiganden und die Nukleophilie desHydroxidoliganden zu Beginn der Kaskade von den umgebendenWasserstoffbrückenbindungsdonoren und -akzeptoren beeinflusstwird.

1.2Alkoholdehydrogenase

Das Zn(Cys)2(His)-Motiv der ζ-CA kommt, ebenso wie ande-re Muster mit drei Liganden aus der Gruppe Histidin, Aspar-tat/Glutamat und Cysteinat, auch bei der Alkoholdehydrogenasevor. Die katalysierte Reaktion ist hier die Hydridübertragung vomKohlenstoffatom einer −CH2OH-Funktion auf NAD+, wobei derAlkohol zum Aldehyd oxidiert wird (Abb. 1.6).

Abb. 1.6 Das aktive Zen-trum von Pferdeleber-Alkoholdehydrogenase mitPentafluorbenzylalkohol undNAD (PDB-Eintrag 4NFH, 1,20 ÅAuflösung).

1.3Hydrolytische Zinkenzyme, Klasse-II-Aldolase

Viele andere Zinkenzyme katalysieren die Hydrolyse polarer Bin-dungen. So enthalten Proteasen und Esterasen oft Zink in ihremaktiven Zentrum. Das Reaktionsprinzip ist das gleiche wie bei CA.Das eigentliche Agens ist ein Hydroxidoligand, der als Nukleophildas Kohlenstoffatom polarer C−N- oder C−O-Bindungen angreift(Abb. 1.7).

91.4 Nicht katalytischeZinkzentren

Zn(His)3-Zentren haben weitere Reaktionsmöglichkeiten. Einfür die Medizin wichtiges Zielenzym ist Klasse-II-Fructose-1,6-bisphosphat-Aldolase. Fructose-1,6-bisphosphat-Aldolasen spieleneine Rolle in wichtigen Biosynthesewegen: in der Glykolyse, derGluconeogenese und im Calvin-Zyklus. Während die auch vomMenschen verwendete Klasse-I-Aldolase kein Metalloenzym ist,enthält das aktive Zentrum von Klasse-II-Aldolase ein Zn(His)3-Motiv. Klasse-II-Aldolase, die in kritischen pathogenen Keimenwie den Tuberkulosebakterien (Mycobacterium tuberculosis) vor-kommt, wird aufgrund dieses Unterschieds zum möglichen Zielvon Antibiotika [6]. Die katalysierte Reaktion ist im Gegensatz zuden hydrolytischen Enzymen nicht die Spaltung einer polaren Bin-dung durch ein Nukleophil, sondern eine C−C-Bindungsspaltung,bei der die C6-Kette von Fructose-1,6-bisphosphat in Dihydro-xyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat, also in zweiC3-Bruchstücke gespalten wird. Bei der Gluconeogenese findet dieReaktion in umgekehrter Richtung statt.

Abb. 1.7 Das aktive Zentrumvon substratbeladener Klasse-II-Fructose-1,6-bisphosphat-Aldolase von M. tuberculosis(PDB-Eintrag 3ELF, 1.31 Å Auf-lösung). Das rechte C-Atom desFructosegerüsts ist C1, das lin-ke C6; die Ketofunktion mit C2ist das anomere Zentrum derKetose.

Abbildung 1.7 zeigt das aktive Zentrum einer Klasse-II-Aldolaseaus der Gattung Mycobacterium. Das Zentrum ist mit Fructose-1,6-bisphosphat beladen, das bereits einen ersten Schritt zur Spal-tung erfahren hat. In einer wässrigen Lösung liegt Fructose-1,6-bisphosphat nämlich nur zu einem Anteil von ca. 1% in der offen-kettigen Form vor, die es im Enzym einnimmt, die Hauptmengeentfällt auf α- (16%) und β-Fructofuranose-1,6-bisphosphat (82%).Die an C3 und C4, zwischen denen die Bindung gespalten werdenwird, gebundenen O-Atome koordinieren an das Zinkatom.Klasse-II-Aldolase ist ein weiteres Beispiel für biochemische

Säure-Base-Katalyse. Anders als die CAs, die das OH−-Nukleophildurch Wasserdeprotonierung bereitstellen, bindet hier ein kom-plexeres Substrat mit Hydroxyfunktionen an das Zentralmetall.Die Acidität der OH-Funktionen wird, wie beim Aqualigand derCAs, erhöht und die konjugierte Base wird verfügbar. Bei Peganet al. [3] wird die Deprotonierung von OH-4 formuliert, das O4-Alkoxid bildet dann eine Ketofunktion mit C4 unter Bruch derC3–C4-Bindung.

1.4Nicht katalytische Zinkzentren

Katalytisch aktiven Zinkzentren ist eine kleine Koordinationszahlbezüglich der proteinogenen Liganden gemeinsam. So erlaubendie dreifach koordinierten Zn(His)3- und Zn(Cys)2(His)-Zentrenentweder die Bindung eines reaktiven Hydroxidoliganden oder ei-nes Substrats wie Fructose-1,6-bisphosphat, das unmittelbar an das

10 1 Säure-Base-Katalysebei physiologischempH-Wert

Zentralmetallatom eines Zn(His)3-Zentrums koordiniert. DieserAspekt wird von katalytisch inaktiven Zinkproteinen unterstrichen,in denen das Zentralmetall tetraedrisch von vier proteinogenen Li-ganden koordiniert ist, in denen also keine freie Koordinationsstelleoder kein leicht substituierbarer Ligand eine Substratbindung er-möglicht.Diese Situation liegt in Zinkfingerdomänen vor, in denen ein

Zinkatom in eine (His)2(Cys)2-Umgebung eingebunden ist(Abb. 1.8). Die strukturelle Ähnlichkeit mit der Zinkform einerζ-CA ist offensichtlich: Bei beiden ist ein Zn(His)(Cys)2-Fragmentdurch einen vierten Liganden ergänzt. Ist dies ein Histidinligandwie bei der Zinkfingerdomäne, entsteht ein katalytisch inaktivesZentrum, ist dies ein Aqualigand wie bei der ζ-CA, steht ein re-aktives OH−-Nukleophil zur Verfügung. Zinkfingerdomänen ha-ben Bedeutung in Transkriptionsfaktoren, das sind Proteine, diein Wechselwirkung mit Nukleinsäuren treten. Die Zinkatome tra-gen hier zum Aufbau von Strukturelementen bei, die wirksam anWasserstoffbrückenbindungen zwischen Protein und DNA/RNAteilnehmen können.

Abb. 1.8 Die typischeZn(His)2(Cys)2-Baueinheit einerZinkfingerdomäne (PDB-Eintrag4LJO, 1,56 Å Auflösung).

Weitere nicht katalytische Zinkzentren, die C1-Domänen, zeigendasselbe Grundprinzip (Abb. 1.9). Mit zwei Zn(Cys)3(His)-Zentrenpro Domäne weisen diese Proteinabschnitte keine freie Koordina-tionsstelle oder einen leicht substituierbaren Liganden auf – undtatsächlich findet die Substratbindung entfernt von den Zinkzen-tralatomen statt.

Abb. 1.9 Die Zn(Cys)3(His)-Baueinheit einer C1-Domäne(PDB-Eintrag 4FKD, 1,63 Å Auf-lösung).

Eine weitere Gruppe nicht katalytischer Zinkzentren spiegelt inbesonders instruktiver Weise koordinationschemische Regeln wi-der. Abbildung 1.10 zeigt drei Zinkzentren in einem zinkspezifi-schenMetallsensorprotein, mit dem Streptomyces coelicolor seinenZinkstoffwechsel reguliert. In [8] wird gezeigt, dass die Detektionfreien Zinks in der Zelle durch die beiden rechts im Bild gezeigten– hier beladenen – Bindetaschen erfolgt, während die links darge-stellt Zn(SCys)4-Einheit mit einem ständig gebundenen Zinkatomnur strukturelle Aufgaben hat – im Einklang mit der hohen Sta-bilität eines Tetrathiolatokomplexes, der nur eine besonders gerin-ge Gleichgewichtskonzentration an freiem Zink zulässt. Die beidenübrigen Zentren, Zn(OAsp)(SCys)(NHis)2 und Zn(OAsp)(NHis)3, sindetwas weniger stabil; entsprechend den kleinen zu detektierendenZinkkonzentrationen stellen sie aber immer nochKomplexemit be-achtlicher Stabilitätskonstante dar, die sich ab einer Konzentrationvon etwas mehr als 10−16 mol L−1 Zn2+ mit demMetall beladen.

111.5 Literatur

1.5Literatur

Eine Übersicht über die CA-Klassen und die therapeutische Be-deutung von CA-Hemmern finden Sie bei Alterio et al. [4]. DerEinfluss einer starken Wasserstoffbrückenbindung vom TypZn−(H)O…HOH auf den pKa-Wert des zinkgebundenen Aqua-liganden und auf den Protonenfluss wird bei Avvaru et al. [11] an-hand der hochaufgelösten Strukturanalyse 3KS3 diskutiert. Der Ein-fluss unterschiedlicher Liganden auf die Acidität des Aqualigandenwird in [5] untersucht. Die Abhängigkeit der Reaktivität des aktivenZentrums vom Metall (Zn oder Cd) und vom Austausch His/Cyswird bei Amata et al. [7] berechnet. Maret [2] gibt einen allgemei-nen Überblick über die Bedeutung von Zink für den menschlichenOrganismus; über die unmittelbar als Zinkenzyme bekannten Pro-teine hinaus wird aus der Sequenz des humanen Genoms auf ca.3000 Zinkenzyme geschlossen. In dieser Arbeit wird ein weitererAspekt angesprochen, nämlich dass Zinksensorproteine nicht nurals Regulatoren im Zinkstoffwechsel Bedeutung haben, sonderndass Zinkionen auch in der Signaltransduktion eine Rolle spielen.Dołȩga [9] gibt einen Überblick über Alkoholdehydrogenase, Peganet al. [3] formulieren einen Katalysezyklus für Klasse-II-Fructose-

Abb. 1.10 Drei Bindungsmodi in Zink-zentren eines Zinksensorproteins vonS. coelicolor in 2,4 Å Auflösung (PDP-Eintrag: 3MWM) Nur die beiden Zink-

atome rechts verlassen den Sensor beiZinkmangel, die Zn(SCys)4-Einheit linksbleibt immer intakt.

12 1 Säure-Base-Katalysebei physiologischempH-Wert

1,6-bisphosphat-Aldolase, deren Hemmung [6] gewidmet ist. Dasund Rahman [1] geben eine Übersicht über C1-Domänen.

1 Das, J. und Rahman, G.M. (2014) C1 domains: Structureand ligand-binding properties. Chem. Rev., 114, 12108–12131,doi:10.1021/cr300481j.

2 Maret, W. (2013) Zinc biochemistry: From a single zinc enzy-me to a key element of life. Adv. Nutr. Int. Rev. J., 4, 82–91,doi:10.3945/an.112.003038.

3 Pegan, S.D. et al. (2013) Active site loop dynamics of a class IIa fructose1,6-bisphosphate aldolase from Mycobacterium tuberculosis. Bioche-mistry, 52, 912–925, doi:10.1021/bi300928u.

4 Alterio, V. et al. (2012) Multiple binding modes of inhibitors to car-bonic anhydrases: How to design specific drugs targeting 15 differentisoforms? Chem. Rev., 112, 4421–4468, doi:10.1021/cr200176r.

5 Jiao, D. und Rempe, S.B. (2012) Combined density functional theo-ry (DFT) and continuum calculations of pKa in carbonic anhydrase.Biochemistry, 51, 5979–5989, doi:10.1021/bi201771q.

6 Labbé, G. et al. (2012) Development of metal-chelating inhibitors forthe Class II fructose 1,6-bisphosphate (FBP) aldolase. J. Inorg. Biochem.,112, 49–58, doi:10.1016/j.jinorgbio.2012.02.032.

7 Amata, O., Marino, T., Russo, N. und Toscano, M. (2011) Catalyticactivity of a ζ-class zinc and cadmium containing carbonic anhydrase.Compared work mechanisms. Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 3468–3477,doi:10.1039/C0CP01053G.

8 Shin, J.-H. et al. (2011) Graded expression of zinc-responsive genesthrough two regulatory zinc-binding sites in Zur. Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 108, 5045–5050, doi:10.1073/pnas.1017744108.

9 Dołȩga, A. (2010) Alcohol dehydrogenase and its simple inorganicmodels.Coord. Chem. Rev., 254, 916–937, doi:10.1016/j.ccr.2009.12.039.

10 Dunkel, A. und Hofmann, T. (2010) Carboanhydrase IV vermittelt dasPrickeln der Kohlensäure in Getränken. Angew. Chem., 122, 3037–3039,doi:10.1002/ange.200906978.

11 Avvaru, B.S. et al. (2010) A short, strong hydrogen bond in the ac-tive site of human carbonic anhydrase II. Biochemistry, 49, 249–251,doi:10.1021/bi902007b.

weiter geht’s mit . . .. . . Nickelproteinen. Wenn die IUPAC in IR-3.5 ihres Red Book formu-liert „. . . , the elements of groups 3–12 are the d-block elements. Theseelements are also commonly referred to as the transition elements,though the elements of group 12 are not always included“, deutet siean, dass eine vollständig gefüllte d-Unterschale in der wichtigsten Oxi-dationsstufe nicht zu einem richtigen Übergangsmetall passt. Ein Ver-gleich der koordinationschemischen Steckbriefe von Highspin-Nickel(Tab. 24.7) und Zink (Tab. 24.8) zeigt eine erste Konsequenz: Die rechthohe Ligandenfeldstabilisierungsenergie (LFSE) der Nickelkomplexewird in voller Höhe nur bei oktaedrischer Koordination wirksam – die