Pirokatechin-oxidáz enzimmodellek

A pirokatechin-oxidáz enzim működésének megismerésére és megértésére irányuló tudományos közlemények egy része az enzim szerkezetét, mások pedig hatásmechanizmusát vizsgálják. Számos szintetikus úton előállított bioutánzó rendszer ismeretes, melyek voltaképp egy- vagy többmagvú réz-komplexek a legváltozatosabb tulajdonságokkal bíró ligandumokkal.

Egymagvú réz(II)-komplexeket vizsgálva Nishida megállapította, hogy összefüggés van a réz körüli koordinációs övezet és a komplex katalitikus aktivitása között.⁶⁹ Síknégyzetes térbeli elrendeződés esetén ugyanis a rézkomplexek nem mutattak katalitikus aktivitást pirokatechinek oxidációs reakcióiban, míg azoknál a komplexeknél ahol a réz körül kialakuló koordinációs poliédernek van térbeli kiterjedése, a katalitikus aktivitás jelentős volt.

Kétmagvú rézcentrummal rendelkező komplexek szintén hatásos katalizátornak bizonyultak ezekben a reakciókban. A komplex szerkezete ebben az esetben is drasztikusan befolyásolta a katalitikus aktivitást. Azok a komplexek ahol a két rézion közötti távolság kisebb mint 5 Å katalitikusan aktívak, míg az ennél nagyobb Cu-Cu távolsággal rendelkezők inaktívak. Feltehetőleg sztérikus okok állnak a háttérben, nevezetesen a két rézionnak olyan távolságban kell lennie egymástól ami lehetővé teszi a szubsztrátum koordinálódását az elektronátmenet előtt.⁷⁰ Ezt a feltételezést támasztja alá az a tapasztalat is, hogy a kétmagvú komplexek általában jobb katalitikus sajátságokkal

rendelkeznek mint egymagvú analógjaik.⁷¹ Nem állapítható meg viszont egyértelmű összefüggés a komplexek redoxipotenciálja és a reakciók sebessége között. Jóllehet bizonyos szerkezet-aktivitásbeli összefüggés fennáll, az oxidációs folyamatok gyakran nem teljesen tisztázottak még a szerkezetileg jól körülírt komplexek estében sem.

A pirokatechin oxidáz modellek között találunk olyanokat, amelyek működési és szerkezeti modellként is megállják a helyüket. Általánosságban elmondható, hogy a komplexek megtervezésekor leginkább nitrogén- és oxigén-donor atomot tartalmazó ligandumok használatosak.

Krebs és munkatársai vizsgálták a komplexek szerkezete és aktivitása közötti összefüggéseket az alkoxo-hidas, kétmagvú [Cu2(bbp)2](ClO4)2 x 2 CH3OH valamint [Cu2(bbpen)2](ClO4)2 x 3 CH3OH (ahol Hbbp = 1,3-bisz-(2-benzimidazol)-2-propanol és Hbbpen = 1,5-bisz-(2-benzimidazol)-3-pentanol) komplexek esetében.⁷² A komplexekben a Cu-Cu kötéstávolságok 3 Å körüli értékek voltak. Azt tapasztalták, hogy a Hbbp ligandumot tartalmazó komplex egyáltalán nem mutat katalitikus aktivitást a DBCatH2

oxidációs reakciójában, míg a Hbbpen ligandummal előállított komplex jó katalitikus sajátságokkal bír. A magyarázat minden bizonnyal a két komplex szerkezetbeli különbségében keresendő. Az inaktív komplexben hattagú kelátgyűrű kialakulására van lehetőség, ami túlzott szerkezetbeli stabilitást okoz, az aktív komplex ezzel szemben labilisabb a ligandum hosszabb alkilláncának köszönhetően.

Az pirokatechin-oxidáz enzim met-formájának modellvegyületei között számos N4O,⁷³ N3O2,⁷⁴ N2O2-donor⁷⁵ ligandumokkal felépített kétmagvú rézkomplexekkel találkozhatunk melyekben a Cu-Cu kötéstávolság a korábban említett kritikus 5 Å-nál kisebb és a két rézcentrum között a ligandumok alkoxihídjain kívül exogén µ-oxo, µ-hidroxo, µ-metanoláto stb. hidak is találhatóak. A komplexek vizsgálatakor megállapították, hogy a katalitikus aktivitásnak egy másik fontos kritériuma, hogy a komplex rendelkezzen szabad koordinációs hellyel, ahol a szubsztrátum megkötődhet az oxidációs folyamat során. Nyilvánvalóan a µ-hidroxo vagy µ-alkoxo hidas szerkezetek sokkal stabilisabbak mintha pirokatechin alkotna hidat a két rézcentrum között, emiatt az ilyen komplexek esetében akkor tapasztalunk aktivitást, ha a rézcentrumok körül erősen torzult koordinációs szféra alakul ki. Ilyen esetekben a feszített szerkezetű komplex affinitása nagyobb lesz a rendszerben jelenlévő alternatív híd-ligandumhoz (esetünkben DBCatH2) mivel így a µ-oxo híd felnyílásával egy sokkal lazítottabb szerkezet alakulhat ki.⁷⁶

Réz-dioxigén adduktumok

Mint már korábban említettem az enzimmodellek kidolgozásánál lényegében két koncepciót szokás alapul venni, egyfelől a szubsztrátum, másfelől a dioxigén aktiválását.

Az utóbbi esetben oxofém intermedierek keletkeznek az enzimkatalízis első lépésben és ezen köztitermékek lépnek reakcióba a szubsztrátummal.

Az átmenetifémionok dioxigénnel alkotott adduktumainak négy fő csoportját különböztethetjük meg (7. ábra).

7. ábra. A réz-dioxigén adduktumok lehetséges szerkezetei.

A legtöbb réz-dioxigén adduktumot oldat formájában, aprotonos oldószerekben, alacsony hőmérsékleten sikerült csak jellemezni, mivel termodinamikai stabilitásuk igen kicsi volt.^77,78,79 Karlin és munkatársai állították elő az első nagyobb stabilitással bíró µ-1,2-peroxo típusú rézkomplexet és meghatározták szerkezetét röntgendiffrakciós méréssel.⁸⁰ A komplexben a két rézcentrum távolsága 4,36 Å, míg az őket összekapcsoló O-O kötés hossza 1,43 Å volt. Kitajima µ-η²-η²-peroxo-réz-dioxigén adduktumokat állított elő. A [{Cu(TPA)}2(O2)](PF6)2 (TPA = trisz-[(2-piridil)-metil]-amin),⁸¹ illetve [{Cu(HB(ⁱPr2pz)3)}2(O2)] ([HB(ⁱPr2pz)3] = hidridotrisz-3,5-(di-izopropil-pirrazolil)-borát)⁸² komplexeket N-donor ligandumok segítségével állították elő. A komplexek stabilitása kicsi volt. Szobahőmérsékleten is stabilis µ-η²-η²-peroxo komplexet Koderának sikerült elsőként előállítania 1,2-bisz-[2-bisz(6-metil-2-piridil)-metil)-6-piridil]-etán ligandum alkalmazásával.⁸³

Cu O O

1+

end-on, η¹

Cu O

O side-on, η²

1+

szuperoxo

Cu O

O Cu

2+

µ-1,2-peroxo

Cu O

O

Cu

2+

Cu O

O

Cu

2+

µ-η²-η²-peroxo bisz-µ-oxo

A hidrido-trisz-(pirrazolil)borát ligandumok más oxokomplexek előállítására is alkalmasnak bizonyultak, hidridotrisz(3-terc-butil-5-izopropil)-pirrazolil-borát ligandumot alkalmazva állították elő az első η²-peroxo komplexet is.⁸⁴

Tolman és munkatársai triaza-ciklo-nonán származékokat (TCN^iPr3 és TCN^Bz3) használva ligandumként egymagvú Cu(I)-komplexeket állítottak elő, majd vizsgálták reakciójukat dioxigénnel.⁸⁵ Megállapították, hogy a ligandum sajátságai nagymértékben meghatározzák a dioxigén rézhez való koordinációját; TCN^iPr3 esetében ugyanis µ-η²-η² -peroxo, míg TCN^Bz3 esetében bisz-µ-oxo koordináció valósul meg.

További bisz-µ-oxo komplexeket állítottak elő a TPA 6-metil-piridil származékával Kitagawa és munkatársai.⁸⁶ A bisz-µ-oxo-[Cu(III)]2 szerkezettel leírható [Cu2(O)2(Me2-TPA)2](PF6)2 x (CH3)2CO komplex kialakulásáért feltehetően a ligandum metilcsoportjainak sztérikus hatása a felelős.

Egy szokatlanul nagy stabilitással bíró peroxoréz komplexet sikerült Krebs csoportjának előállítania.⁸⁷ A szintézis során 2,6-bisz(pirrolidino-metil)-4-metil-fenolt réz(II)-perkloráttal reagáltattak, trietil-amin és DBCatH2 (vagy H2O2) jelenlétében. A keletkezett komplex egy négymagvú réz-µ4-(η¹)4-peroxo komplex volt. A reakcióban a dioxigén réz által katalizált redukciója játszódik le. A DBCatH2-nak elektrondonor szerepe van saját maga kinonná oxidálódik a folyamatban. Abban az esetben ha a reakciót DBCatH2 (vagy H2O2) nélkül végezték el termékként réz-µ4-O^2--oxo komplexhez jutottak.

Oldatfázisú vizsgálatokkal kimutatták, hogy az oxokomplex át tud alakulni a peroxo-komplexszé, ha a rendszerbe DBCatH2-t (vagy H2O2-t) juttatnak.

A fent említett dioxigén adduktumok közül a µ-1,2-peroxo- és µ-η²-η² -peroxo-komplexek katalitikus sajátságait vizsgálták pirokatechinek oxidációs reakcióiban.

Általánosságban elmondható, hogy µ-η²-η²-peroxo koordináció esetén a dioxigén két hidrogént von el a szubsztrátumtól, ebben az esetben tirozináz modellekről beszélünk, míg µ-1,2-peroxo koordinációnál reverzibilis kötés alakul ki, ezek a hemocianin modellek.

A bemutatott példákon láthattuk, hogy a komplexekben a rézcentrumok Cu-Cu kötéstávolsága határozza meg a dioxigén megkötődésének módját. A komplexben ezt a távolságot a ligandumok sztérikus és elektronikus sajátságai határozzák meg, így a megfelelő ligandum kiválasztásával lehetséges az adott enzim modelljének megtervezése, előállítása.