A vas(II)-porfirin komplex mint lehetséges hemoglobin modell

Az acetátpuffert tartalmazó rendszerben képződő vas(II)-porfirin komplex abszorpciós színképe meglehetősen jó egyezést mutat az emberi szervezetben is jelenlévő dezoxi-hemoglobin abszorpciós színképével¹⁵⁶. A molekuláris oxigént nem kötő vas(II)-porfirin komplex szintén nagy-spinszámúnak tekinthető, ugyanis vizsgálatok kimutatták, hogy a központi vas(II) atom 0,4 Å-mel a porfirin gyűrű síkja fölött helyezkedik el¹³¹. Ahhoz, hogy a Fe(II)TPPS^4- komplex a hemoglobin szintetikus analógjaként alkalmazható legyen, szükséges, hogy reverzibilis módon tudja megkötni a molekuláris oxigént. Annak kiderítésére, hogy erre képes-e, az előállított komplexet tartalmazó oldatot oxigén gázzal telítettem. A vas(II)-porfirin, mint ahogy az már korábban említésre került, stabilnak bizonyult az oxidációval szemben, vas(III)-porfirin képződése nem volt megfigyelhető hetek múltán sem. Azonban az oxigén gázzal való telítés után az abszorpciós színképben semmilyen változás nem volt tapasztalható. Ennek két oka lehet: vagy a komplexhez koordinálódott oxigén molekula nem okoz változást az abszorpciós színképben, vagy pedig az adott körülmények között az oxigén nem képes kötődni a komplex axiális pozíciójában, mivel valamelyik jelenlévő egyéb ligandum, mint például a víz vagy az acetát molekulák, erősebben kötődnek ahhoz. E kérdés tisztázása analitikai módszerekkel a kis koncentrációk miatt gyakorlatilag lehetetlen, ezért a probléma megoldásához kvantumkémiai számításokat végeztünk (Dr. Lendvay György segítségével). E számítási eredményeket azért mutatom be, mert egyrészt alátámasztják a kísérleti tapasztalatokat, másrészt azért, hogy a kísérletileg nem eldönthető kérdések elmeléti megválászolásával kikerekítsem a felrajzolt képet.

Ahhoz, hogy lássuk, milyen mértékben kötődnek meg a rendszerben jelenlévő potenciális axiális ligandumok a Fe(II)TPPS^4- komplexhez, a DFT számításokban a vas(II)-porfirint használtuk modell vegyületként (az egyszerűség kedvéért a vas(II)-vas(II)-porfirint a továbbiakban FeP-vel jelölöm). A porfirin gyűrűn található négy szulfonáto-fenil csoport feltételezhetően elhanyagolható hatással van a komplex axiális pozíciójához való koordinációra, így néhány számolással ellenőriztük a jelenlétük szükségességét. Ezek eredményei alapján azt találtuk, hogy jelenlétük csekély mértékben befolyásolja a molekula energetikáját, így a „csupasz” porfirin gyűrű használata is elegendő. Ez azért fontos, mert az egyébként is rendkívül hosszadalmas számítási folyamat a kisebb ligandummal lényegesen rövidebb. Vizsgáltuk a H2O, az O2, valamint az CH3COO^- (a továbbiakban Ac) ligandumok

kötési energiáját a FeP-hoz szingulett, triplett és kvintett állapotokban. Mivel a vas(II)-porfirin molekulának feltételezhetően két betöltetlen axiális koordinációs pozíciója van, a H2O, O2 és Ac^- ligandumok valamint a FeP molekulának nem csak az 1:1 összetételű komplexei, hanem az összes lehetséges 2:1 kombináció szerkezetét is meghatároztuk. A számolások alapján azt kaptuk, hogy a FeP és a H2O-FeP-Ac molekulákat kivéve az összes komplex alapállapota kvintett. A különböző ligandumokat tartalmazó FeP komplexek kötési energiáit a 8. táblázat foglalja össze.

8. táblázat: A vas(II)-porfirin H2O-zel, CH3COO^--nal (Ac) és ³O2-nel alkotott biner komplexeinek DFT módszerrel kapott disszociációs energiái (kcal mol^-1-ban), továbbá a FeP-Ac komplex H2O-el és ³O2 alkotott terner komplexeinek DFT számolással kapott disszociációs energiái (kcal mol^-1-ban).

spin állapot

A biner, vagyis a FeP-L összetételű komplexek esetében kapott kötési energiák a molekula spinmultiplicitásának változásával egy kivételtől eltekintve ugyanolyan mintázat szerint változtak. A ligandumok közül az acetátion kötődik a legerősebben a FeP központi atomjához (a kötési energia 45 kcal mol^-1 a szingulett, valamint 36 kcal mol^-1 a kvintett állapotban). A H2O ligandumok már jóval gyengébben kötődnek a FeP-hoz (27 kcal mol^-1 és 15 kcal mol^-1 a szingulett és a kvintett állapotra), míg az ³O2 kötési energiája a legkisebb, 10 kcal mol^-1 körül van mind a három spin-állapotban. A második axiális ligandum mindig az első ligandummal szemközt, a porfirin gyűrű ellentétes oldalán helyezkedik el, és jóval gyengébben kötődik a vas(II) központi atomhoz. Az acetátionok kötési energiája például 13 kcal mol^-1-al kisebb a terner Ac-FeP-H2O komplexben, mint a biner FeP-Ac komplexben, mind a három lehetséges spinállapotban. A számítások alapján a bináris FeP-H2O komplexben minden spinállapotban, a terner FeP-Ac-H2O komplexben pedig szingulett és triplett állapotban, a H2O molekula a vártnak megfelelően, az oxigén atomjának egyik magános párjával kötődik a FeP komplex vas(II) központi atomjához. Ezzel ellentétben, a

terner FeP-Ac-H2O komplex kvintett állapotában, a H2O molekula két H atomja közelebb van a FeP egységhez, mint az O atomja, és a porfirinváz két szomszédos nitrogén atomja felé irányulnak. Ezáltal két O-H-N hidrogén kötés alakul ki, egy, a vas(II) központi atommal alkotott koordinatív kötés helyett. Ez azt jelenti, hogy a vas(II) központi atom kvintett állapotban (vagyis nagy-spinszámú állapotban) egy axiális ligandum, vagyis az acetátion kapcsolódása után koordinatíve telítetté válik (lásd 45. ábra). Ez érthető, ugyanis a H2O molekula nem „erős” terű ligandum, vagyis egy nagy-spinszámú központi atomban nem képes spin-párosodást előidézni, ezáltal koordinálódni sem.

A bináris komplexek közül egyértelműen a FeP-Ac a legstabilabb. Az elsőként koordinálódó ligandum, az Ac csoport és a vas(II) központi atom mindig a porfirin sík azonos oldalán tartózkodik (vagyis ligandum a porfirin négy nitrogénje és a központi atom által létrejött piramis csúcsához kapcsolódik). Mivel a „csupasz” vas(II)-porfirin komplex alapállapota kvintett, vagyis nagy-spinszámú, feltételezhetően oldatban is hasonló állapotban van jelen. Vizes oldatban a H2O, vagy az acetátion koordinációja nagy valószínűséggel nem fogja megváltoztatni a komplex spinmultiplicitását. A molekuláris oxigén triplett állapotban van jelen a vizes oldatban, így koordinációja során a spinek keveredése miatt a FeP-O2 komplex a legkülönbözőbb spinállapotokban képződhet, nem feltétlenül a termodinamikailag legstabilabb (vagyis kvintett) állapotban. Ha a triplett oxigén ³O2 például triplett komplexet képez a FeP-nel a kötési energia körülbelül 9 kcal mol

-1, míg kvintett komplex esetén 13 kcal mol^-1, vagyis a kötési energiák nagyjából azonosak a spinállapottól függetlenül. Ám a kötési energiákból az is látszik, hogy a terner Ac-FeP-O2

komplexek közül a teljes molekulát tekintve a triplett a legstabilabb, ami azt sejteti, hogy a

45. ábra. A vas(II)-porfirin actetát és víz ligandummal képzett terner komplexének DFT módszerrel számolt szerkezetei, különböző néz etből.

vas(II) központi atom szingulett állapotban van. Ez összhangban van azzal a tapasztalattal, hogy a ³O2 erős terű ligandum, melynek hatására a vas(II) központi atom d pályáinak párosítatlan elektronjai párosodnak, így a létrejövő betöltetlen d pálya egy újabb axiális koordinációs pozíció betöltését teszi lehetővé. A kötési energiák alapján a FeP molekulák döntő többségét bizonyosan Ac^--ionok komplexálják és igen kis valószínűséggel lesz az ³O2

az első kapcsolódó ligandum. Az acetát- ion megkötődése után egy újabb Ac^--ion koordinációja sztérikus okok miatt kizárható. Így terner komplex H2O vagy O2

ligandumokkal alakulhat ki, melyek közül a H2O molekulák koordinációja sokkal jobban preferált, annak ellenére, hogy nem valódi koordinatív kötéssel kapcsolódik, ugyanis a kötési energiái még így is minden spinállapotban nagyobbak, ráadásul az oldott oxigénhez képest jóval nagyobb koncentrációban vannak jelen.

Végeredményben tehát megállapítható, hogy egy olyan vizes oldatban, mely – jelen esetben a vas(III)ionok maszkírozása végett – nagy koncentrációban tartalmaz acetátionokat, igen kicsi a valószínűsége annak, hogy a FeP vagy jelen esetünkben a Fe(II)TPPS^4- komplex a hemoglobinhoz hasonlóan képes reverzibilis módon megkötni molekuláris oxigént. A vas(II)-porfirin komplex esetleg képes lehet a molekuláris oxigén szállítására egy olyan rendszerben, ahol a vas(III)ionok maszkírozására egy kevésbé erősen koordinálódó molekulát használunk. Ugyanakkor, még ha a rendszer acetátionokat nem is tartalmazna, a H2O molekulák valószínűleg továbbra is gátolnák az O2 kapcsolódását. E megfigyelés megmagyarázhatja a hemoglobinban tartózkodó vas(II)-porfirin egységet körülvevő hidrofób fehérje burok jelenlétének szerepét és fontosságát. E fehérje burok nélkül valószínűleg a szervezetünkben lévő hemoglobin sem lenne képes az oxigénszállításra, mivel a víz molekulák blokkolnák az oxigén kötődését. Szintetikus körülmények között is van lehetőség valamilyen hasonló funkciót ellátó, szerves, hidrofób makromolekuláris burok létrehozására a porfirin molekula körül, például β-cyclodextrin dimer segítségével^107,157. E rendszerekben a vas(II) központi atom viszonylag stabil oxidációval szemben, valamint képes a molekuláris oxigén reverzibilis szállítására néhány ciklusban.