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dc.contributor.advisor Meyer, Franc Prof. Dr. de
dc.contributor.author Fuchs, Michael Günther Georg de
dc.date.accessioned 2009-12-09T15:08:37Z de
dc.date.accessioned 2013-01-18T10:35:15Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:51:04Z de
dc.date.issued 2009-12-09 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-AD4F-B de
dc.description.abstract Biologische Fe/S-Cluster sind Cofaktoren, die in allen lebenden Organismen vorkommen. Sie zählen nicht nur zu den ältesten biologischen Cofaktoren, ihre vermutlichen evolutionären Vorläufer einfache, anorganische Verbindungen werden sogar als Faktoren diskutiert, die für die Entwicklung des Lebens auf der Erde unerlässlich waren. Fe/S-Cluster wurden zuerst 1960 über ESR-Spektroskopie entdeckt. Die frühesten Fe/S-Cluster enthaltende Enzyme, die als nicht-Häm-Eisen-Enzyme identifiziert wurden und Ferredoxine genannt wurden, wurden kurz darauf isoliert und ihre Rolle im Elektronentransport erkannt. Kurz nach ihrer Entdeckung konnten Analoga chemisch synthetisiert werden, die keine schützende Proteinumgebung benötigen. Der erste synthetische [4Fe 4S]2+-Cluster wurde 1972 veröffentlicht, der erste [2Fe 2S]2+-Cluster 1973. Seitdem waren biomimetische Analoga stets ein wertvolles Mittel, um die Bildung und die Eigenschaften von Fe/S-Clustern zu untersuchen. Auch nach drei Jahrzehnten sehr erfolgreicher bioanorganischer Arbeiten ist die biomimetische Chemie von kleinen Fe/S-Clustern, also [2Fe 2S]- und [4Fe 4S]-Clustern, noch lange nicht abgeschlossen. Die Isolierung eines Modells für [2Fe 2S]-Cluster des Rieske-Typs im letzten Jahr und des ebenfalls asymmetrisch koordinierten Zwischenprodukts waren die bislang einzigen Beispiele für [2Fe 2S]-Cluster mit heteroleptischer Koordination der beiden Eisen-Atome. Der Ansatz beruhte auf dem sterischen Anspruch einer der beiden bidentaten Liganden und einer schrittweisen Synthese. Die Minimierung von Nebenprodukten und die Aufreinigung stellen ein großes Problem bei der Synthese ähnlicher Komplexe dar. Deshalb wurde in dieser Arbeit ein neuer Syntheseweg erprobt, der auf einem tetradentaten statt auf zwei bidentaten Liganden beruht. Die möglichen Cluster sollten dann eine erhöhte Stabilität im Vergleich zu Clustern mit bidentaten oder monodentaten Liganden aufweisen. Eine Reihe von Ligand-Vorstufen sowie einiger [2Fe 2S]-Cluster mit Ligand-Fragmenten werden in Kapitel 2 beschrieben, ebenso die weitere Funktionalisierung der Liganden. In der Synthese der tetradentaten Liganden wurden Dithiobiphenyle als Liganden verwendet, die die Cystein-Koordination der [2Fe 2S]-Cluster des Rieske-Typs nachempfinden sollten. Die zwei koordinierenden Histidine sollten durch monodentate N-heterocyclische Verbindungen dargestellt werden. Da es bislang nur eine geringe Zahl von [2Fe 2S]-Clustern mit nicht-chelatisierenden N-Liganden gibt, wurde ein weiterer solcher Cluster synthetisiert. Bei der Synthese des [2Fe 2S]-Clusters mit 2-Methylindol-Liganden wurde der entsprechende [4Fe 4S]-Cluster als Nebenprodukt isoliert und in der Folge gezielt dargestellt. Beide werden in Kapitel 3 beschrieben, wobei letzterer der erste [4Fe 4S]2+-Cluster mit reiner N-Koordination ist. Interaktionen, die über die reine Koordination der Liganden hinausgehen, spielen eine erhebliche Rolle bei Fe/S-Clustern, weshalb das Konzept der secondary bonding interactions im Hinblick auf eine Koordinationserhöhung erweitert wurde. Eine Reihe von denkbaren Liganden wurde erprobt, weiterhin wurde ein [2Fe 2S]-Cluster mit fünffach koordinierten Eisen-Atomen eingehend untersucht (Kapitel 4). Die Rolle von Fe/S-Clustern als Schwefel-Quelle in verschiedenen SAM-Radikalenzymen ist zwar seit einiger Zeit bekannt, jedoch wurden bislang keine vergleichbaren biomimetischen Radikalreaktionen untersucht. Explorative Untersuchungen wurden durchgeführt, um dieses neue Forschungsgebiet zu erschließen. Die ersten Fragestellungen betrafen dabei die Wahl geeigneter Radikalstarter und Fe/S-Cluster sowie die geeigneten Mittel zur Reaktionsverfolgung und zur Identifizierung von Reaktionsprodukten. Die ersten Ergebnisse dieses faszinierenden Gebietes der Fe/S-Chemie werden in Kapitel 5 vorgestellt. Schließlich wurde das aktive Zentrum der Biotinsynthase unter die Lupe genommen. Der [2Fe 2S]-Cluster der Biotinsynthase besitzt wie die Cluster des Rieske-Typs eine asymmetrische Koordinationsumgebung. Darüber hinaus stellt der einzigartige Arginin-Rest einen äußerst seltenen biologischen Liganden dar. Die verfügbare Kristallstruktur ermöglicht keine genaue Interpretation des Koordinationsmodus und der gesamten Geometrie des Clusters, vor allem des außergewöhnlich großen Fe Fe-Abstandes. Deshalb wurde ein theoretischer Ansatz gewählt, um diese Fragestellungen zu klären. Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen lag der Protonierungsgrad der Guanidin-Gruppe des Arginins, der genaue Koordinationsmodus sowie die Gründe für den außergewöhnlichen Fe Fe-Abstand. Diese Punkte und weitere Schlussfolgerungen aus den Berechnungen werden in Kapitel 6 beschrieben. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/ de
dc.title Biomimetic and Theoretic Investigations of Unusual Iron-Sulphur Clusters de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Biomimetische und Theoretische Untersuchungen ungewöhnlicher Eisen-Schwefel-Cluster de
dc.contributor.referee Meyer, Franc Prof. Dr. de
dc.date.examination 2009-10-21 de
dc.subject.dnb 540 Chemie de
dc.description.abstracteng Biological Fe/S clusters are cofactors common to all living organisms. In fact, they are not only believed to belong to the most ancient biological cofactors but simple inorganic compounds which can be regarded as their predecessors are argued as critical factors of evolution of life on earth itself. Fe/S clusters were first discovered in 1960 by EPR spectroscopy. The earliest examples of enzymes containing Fe/S clusters, identified as non-haem iron-containing proteins and named ferredoxins, were isolated shortly thereafter and their function in electron transport was recognised. Not long after the initial discovery of Fe/S clusters it could be shown that analogues of these complexes could be chemically synthesised and that they do not require the presence of a protein environment. The first synthetic [4Fe 4S]2+ analogue was reported in 1972 followed by a [2Fe 2S]2+ analogue in 1973. Thus, biomimetic analogues have ever been a powerful means to study assembly and conversion reactions and properties of the different Fe/S species. Despite more than three decades of very successful bioinorganic approaches, the biomimetic chemistry of small Fe/S clusters, i.e., [2Fe 2S] and [4Fe 4S] clusters, is far from being settled, and there are still challenging tasks. The recent isolation of a model for Rieske type [2Fe 2S] clusters and the also asymmetrically coordinated intermediate are the only successful examples of [2Fe 2S] clusters with heteroleptic coordination of the two iron atoms so far. The approach relies on the steric bulk of one of the bidentate ligands and on a stepwise synthesis. Minimisation of by-product formation and their separation makes the synthesis of other complexes of this type considerably difficult. Therefore a different approach to asymmetrically coordinated [2Fe 2S] clusters was tested that uses one tetradentate instead of two bidentate ligands. Putative clusters with a tetradentate ligand are expected to have an increased stability compared to clusters bearing bidentate or even monodentate ligands. A variety of ligand precursors and [2Fe 2S] clusters of some ligand building blocks are presented in Chapter 2 along with other possible functionalisations of the ligands and their complexes. While in the design of tetradentate ligands dithiobiphenyls were employed as bidentate ligands mimicking the cysteine coordination of the Rieske type [2Fe 2S] cluster, the two coordinating histidine residues should be represented by monodentate N-heterocyclic compounds. Since examples for clusters with non-chelating N-coordinating ligands are still relatively rare, this type of complexes was extended by one species. In the course of the synthetic efforts to isolate a 2-methylindole coordinated [2Fe 2S] cluster, the respective [4Fe 4S] cluster was isolated as a by-product and subsequently rationally synthesised. Both the [2Fe 2S] and the [4Fe 4S] cluster are discussed in Chapter 3, the latter being the first example of an all-N-coordinated [4Fe 4S]2+ cluster bearing organic ligands. The importance of interactions other than the obvious coordination between the ligands and the cluster core is increasingly appreciated. For this reason the concept of secondary bonding interactions was further extended to genuine five-fold coordination of the iron atoms. A set of suitable ligands and their respective Fe/S clusters was explored and one five-coordinate [2Fe 2S] cluster was thoroughly examined, as is described in Chapter 4. While the role of Fe/S clusters as the sulphur source in various SAM radical enzymes is widely accepted, analogous biomimetic reactions have not been reported by now. In order to open this field of research, explorative reactions of radicals and synthetic Fe/S clusters have been examined. The first issues that have been addressed include the choice of suitable radical precursors, the possible need for special properties of the employed Fe/S cluster and the means to follow the reaction and to identify reaction products. The first results in this intriguing field of Fe/S cluster chemistry are presented in Chapter 5. Finally, a closer look at the active centre of biotin synthase was taken. Like the Rieske type [2Fe 2S] clusters the cluster from biotin synthase has an asymmetric coordination environment. Moreover, the unique arginine residue coordinating one of the iron atoms is a highly unusual ligand in enzymes. Since the available crystal structure does not allow an exact interpretation of the coordination mode of the arginine side chain and of the overall geometry of the cluster, namely the highly exceptional Fe Fe distance, a theoretical approach was employed to tackle this problem. The focus of this investigation was laid on the protonation state of the arginine s guanidine group, its exact coordination mode and the reason for the exceptional Fe Fe distance. These questions and the conclusions that can be drawn from the calculations are described in Chapter 6. de
dc.contributor.coReferee Ryde, Ulf Prof. Dr. de
dc.subject.topic Mathematics and Computer Science de
dc.subject.ger Bioanorganische Chemie de
dc.subject.ger Eisen-Schwefel-Cluster de
dc.subject.ger Biotinsynthase de
dc.subject.ger Radikale de
dc.subject.ger QM/MM de
dc.subject.eng bioinorganic chemistry de
dc.subject.eng iron-sulfur cluster de
dc.subject.eng biotin synthase de
dc.subject.eng radicals de
dc.subject.eng QM/MM de
dc.subject.bk 35.43 de
dc.subject.bk 35.79 de
dc.subject.bk 35.11 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2302-1 de
dc.identifier.purl webdoc-2302 de
dc.affiliation.institute Fakultät für Chemie de
dc.subject.gokfull STR 200: Eisen {Anorganische Chemie} de
dc.subject.gokfull STO 250: Schwefel {Anorganische Chemie} de
dc.subject.gokfull SOC 250: Metallkomplexe de
dc.subject.gokfull Chelate {Chemie: Verbindungstypen} de
dc.subject.gokfull SOE 100: Reaktionen freier Radikale {Chemie: Verbindungstypen} de
dc.identifier.ppn 618824642 de

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