Tyrosinase model systems and biohybrid conjugates with copper bis(pyrazolyl)methane complexes

Liebhäuser, Patricia; Herres-Pawlis, Sonja; Okuda, Jun

doi:HT020054626

Tyrosinase model systems and biohybrid conjugates with copper bis(pyrazolyl)methane complexes

Liebhäuser, Patricia^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Patricia Liebhäuser, M. Sc.

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (162 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Herres-Pawlis, Sonja (Thesis advisor)^RWTH* ; Okuda, Jun (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-04315
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/760635/files/760635.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biohybrid Conjugates (frei) ; Biohybridverbindungen (frei) ; Bis(pyrazolyl)methane (frei) ; Bis(pyrazolyl)methanes (frei) ; Katalyse (frei) ; Kupfer (frei) ; Phenol Oxidation (frei) ; Phenoloxidation (frei) ; Tyrosinase Models (frei) ; Tyrosinasemodelle (frei) ; catalysis (frei) ; copper (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
In den letzten Jahrzehnten wurden zunehmend Übergangsmetallkomplexe mit kleinen Ligand-molekülen als Modelle verwendet, um den Reaktionsmechanismus, Substratreaktionen und die Struktur des aktiven Zentrums von Enzymen zu untersuchen. Diese Dissertation beschreibt zwei Anwendungen von Bis(pyrazolyl)methanliganden im Bereich der Modellierung von Enzymen. Kupferkomplexe dieser N-Donorliganden sind bereits als exzellente strukturelle und funktionelle Modelle des zweikernigen Kupferenzyms Tyrosinase bekannt. Weiterhin eröffnet die Verwendung von Bis(pyrazolyl)methankupferkomplexen im Bereich der Biohybridkatalyse die Möglichkeit zur Modellierung von einkernigen Kupferenzymen wie der partikulären Methan-monooxygenase. Die Entwicklung eines Bis(pyrazolyl)methanliganden mit einem substituierten Pyridinylrest (HC(3-tBuPz)2(4-CO2MePy)) führte zu einem neuen Tyrosinasemodellsystem. Die Reaktion mit molekularem Sauerstoff resultierte mit diesem substituierten Pyridinylliganden in einem Peroxiddikupfer(II)-Komplex, der die Stabilität von früheren Pyridinylsystemen übertrifft. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die katalytische Umsetzung des phenolischen Substrats 8-Hydroxychinolin hinsichtlich der Ausbeute und Reaktionszeit verglichen mit einem früheren Imidazolylsystem verbessert werden konnte. Die Kinetik der Hydroxylierung von Natrium-phenolaten entspricht einer Sättigungskinetik. Zudem wurde ein elektrophiler aromatischer Substitutionsmechanismus nachgewiesen, der den Mechanismus der Tyrosinase widerspiegelt. Der Ligand HC(3-tBuPz)2(4-CO2MePy) wurde außerdem zur Synthese und strukturellen Charakterisierung von Kupfer(I)- und Kupfer(II)-Komplexen verwendet. Die Stabilisierung einkerniger Superoxidkupfer(II)-Spezies ist mit Bis(pyrazolyl)methanliganden schwierig zu realisieren, da Superoxidkomplexe meist kurzlebig sind und zur Ausbildung zweikerniger Spezies neigen. Ermöglicht werden könnte dies durch den Einsatz von Biohybrid-verbindungen. Mit der Entwicklung von Liganden, die eine Maleimidgruppe aufweisen, wurde ein neuer Anwendungsbereich für Bis(pyrazolyl)methane eröffnet. Die optimierte Synthese zweier Maleimido-Bis(pyrazolyl)methane wird beschrieben. Die entsprechenden Kupfer-komplexe wurden mittels der phenolischen Substrate 8-Hydroxychinolin und 4-Methoxyphenol auf die Aktivierung und Übertragung von Sauerstoff hin untersucht. Des Weiteren wurden die Maleimidliganden in Varianten des Fassproteins Nitrobindin konjugiert. Die Bildung von Kupferkomplexen innerhalb des Proteins und die Aufnahme von Sauerstoff wurden spektroskopisch untersucht. Reaktivitätsstudien wurden mit unterschiedlichen Substraten durchgeführt. Bisher konnte keine Reaktivität im Hinblick auf Oxygenierungs-, Oxidations- oder H-Atom-Transferreaktionen ermittelt werden.

In the last decades, small molecule transition metal complexes became useful models for analysing enzymatic mechanisms, substrate reactivities and active site structures. This doctoral thesis describes two applications of bis(pyrazolyl)methane ligands in the field of enzyme modelling. Copper complexes of these N-donor ligands are known to serve excellently as structural and functional models for the dinuclear copper enzyme tyrosinase. Furthermore, the use of bis(pyrazolyl)methane copper complexes in the field of biohybrid catalysis opens up the possibility of modelling mononuclear copper enzymes like particulate methane monooxygenase. The development of a bis(pyrazolyl)methane ligand with a substituted pyridinyl moiety (HC(3-tBuPz)2(4-CO2MePy)) established a new tyrosinase model system. The reaction with molecular oxygen displayed that the peroxide dicopper(II) complex with this substituted pyridinyl ligand exceeds the stability of the system with the former pyridinyl ligand. Simultaneously, conversion of the phenolic substrate 8-hydroxyquinoline showed an improved catalytic reactivity compared to the reported imidazolyl system with regard to yield and reaction time. The hydroxylation of sodium phenolates resulted in saturation kinetics. Moreover, an electrophilic aromatic substitution mechanism was found, which resembles that of the enzyme tyrosinase. The ligand HC(3-tBuPz)2(4-CO2MePy) was furthermore used for the synthesis and structural characterisation of copper(I) and copper(II) complexes. The stabilisation of a mononuclear superoxide copper(II) species with bis(pyrazolyl)methane ligands is rather difficult due to the mostly transient nature of superoxide complexes, which tend to form dinuclear species. This might be overcome with the help of a biohybrid conjugate. The design of maleimide-bearing ligands led to the establishment of a new application field for bis(pyrazolyl)methanes. The optimised synthesis of two maleimido-bis(pyrazolyl)methane ligands is described. Copper complexes of both ligands were analysed concerning oxygen activation and transfer reactions. This was performed with the phenolic substrates 8-hydroxyquinoline and 4-methoxyphenol. Furthermore, these maleimide ligands were conjugated into variants of the $\beta$-barrel protein nitrobindin. The formation of copper complexes inside of the protein as well as the incorporation of molecular oxygen were analysed spectroscopically. Reactivity was investigated with oxygenation, oxidation or H-atom transfer reaction substrates, but no activity could be detected yet.

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