Bioanorganische Chemie

Unsere derzeitigen Forschungsprojekte beschäftigen sich im besonderen mit dem biologischen Stickstoffmonoxid (NO) Metabolismus, d.h. der Synthese, Funktion, und dem Abbau von Stickstoffmonoxid in der Biosphäre. Stickstoffmonoxid ist ein giftiges Gas, welches jedoch eine überragende biologische Bedeutung besitzt. Daher wurde das NO im Jahr 1992 vom Magazin Science zum Molekül des Jahres gewählt. Diese bahnbrechenden Ergebnisse stimulierten weitere Forschungsarbeiten, und bis zu diesem Zeitpunkt ist bekannt, daß NO eine Schlüsselrolle für die Signalübertragung in Nervenzellen, die Regulierung des Blutdrucks, die Blutgerinnung, und die Funktion von weißen Blutkörperchen spielt. Neue biologische Funktionen von NO und der entsprechenden, ein-Elektronen reduzierten Spezies (dem 'Nitroxyl'-Ion), werden immer noch entdeckt. Viele der biologischen Funktionen von Stickstoffmonoxid werden durch Häm-Proteine ausgeführt. NO wird in vivo durch die Enzyme der Familie der Stickstoffmonoxid-Synthasen (NOS) dargestellt. Die Regulierung des Blutdrucks kommt durch die Freisetzung kleiner Mengen NO (produziert durch endotheliale (e-) NOS) in den Blutstrom und die Detektion des Stickstoffmonoxids durch die lösliche Guanylat-Zyklase (sGC) zustande. Dabei wird sGC durch Bindung von NO an das Häm-Eisen(II) aktive Zentrum aktiviert. Interessanterweise wird die Rolle des Stickstoffmonoxids fär die Erweiterung der Blutgefäße durch bestimmte blutsaugende Insekten ausgenutzt, die NO in die Bißwunden ihrer Opfer injizieren. Dabei kommen zum Transport des Stickstoffmonoxids wiederum Häm-Proteine, die sogenannten Nitrophorine (Np), zum Einsatz.

Unsere Forschung beschäftigt sich vornehmlich mit Modellsystemen fär die Denitrifizierung, besonders fär die Stickstoffmonoxid (NO)- und Dististickstoffoxid (N₂O)-Reduktasen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Erforschung der verschiedenen Arten der Aktivierung von komplexgebundenem NO. Dazu werden Modellsysteme mit Hilfe von Schlenk-Techniken synthetisiert und deren spektroskopische und elektrochemische Eigenschaften erforscht. Diese werden dann mit Hilfe von quantenchemischen Rechnungen mit der experimentellen Reaktivität dieser Systeme und den postulierten Mechanismen für die entsprechenden Enzyme korreliert. Die synthetischen Arbeiten konzentrieren sich hauptsächlich auf Porphyrinliganden, entsprechende Übergangsmetallkomplexe und deren Addukte mit NO.

Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Stickstoffmonoxid-Reduktasen (NORs). Diese erlauben einen Einblick in die Reaktivität von koordiniertem NO als Funktion der Struktur des aktiven Zentrums der Enzyme. Bakterielle NOR (NorBC) reduziert NO zu N₂O an einem aktiven Zentrum, das aus einem Häm- und einem Nicht-Häm-Eisen in unmittelbarer Nachbarschaft besteht, wobei das Häm außerdem über einen axialen Histidin-Liganden verfügt. Im Vergleich dazu wird die selbe Reaktion von der NO-Reduktase in Pilzen (P450nor) katalysiert, jedoch an einem aktiven Zentrum, welches nur aus einem Häm mit axialer Thiolat-Koordination besteht. Die beiden Enzyme NorBC und P450nor führen daher die gleiche Reaktion aus, jedoch unter Anwendung eines völlig unterschiedlichen Reaktionsmechanismus wie in Schema 1 gezeigt. Die zentralen Ziele unserer Forschungarbeiten sind die Aufklärung der Reaktionsmechanismen dieser Enzyme sowie die generellen Eigenschaften von Häm-Nitrosyl Addukten als Funktion der trans-Liganden zu NO und Substitutionen an den Porphyrin-Liganden. Zur Erreichung dieser Ziele verfolgen wir eine duale Strategie. Zum einen untersuchen wir 'einfache' Modellkomplexe vom Typ [Fe(TPP*)(L)(NO)]ⁿ⁺ (TPP* = Tetraphenylporphyrin-artiger Ligand; L = N-donor, Thiolat, etc.), mit Hilfe derer Substitutionseffekte am Porphyrin und Effekte des trans-Liganden zu NO systematisch untersucht werden können. Komplementär dazu beschäftigen wir uns mit der Synthese von komplizierteren Modellsystemen für die NO-Reduktasen. Die so dargestellten Komplexverbindungen untersuchen wir dann mit einer Reihe von hochrangigen spektroskopischen Methoden (siehe Research home) in Korrelation mit Dichtefunktional- (DFT) Rechnungen. Die so erzielten Ergebnisse sind nicht nur von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der Reaktionsmechanismen der NO-Reduktasen, sondern außerdem relevant für eine Reihe anderer biologischer Funktionen von NO wie oben beschrieben.