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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-3818
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10257
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 5 May 2005 |
| Referee: | Burkhard (Prof. Dr.) König |
| Date of exam: | 7 May 2004 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Keywords: | Kronenether , Fluoreszenz , Aminosäuren , Molekulare Erkennung , Peptide , , crown ethers , fluorescence , amino acids , molecular recognition , peptides |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 10257 |
Abstract (German)
Die Erkennung von Peptiden und Enzymen spielt in der Natur eine herausragende Rolle, wie z.B. bei Signalübertragungsprozessen. Die dabei erreichten Selektivitäten und Bindungsstärken sind auf eine hohe Anzahl sich gegenseitig unterstützender Bindungsereignisse zurückzuführen. Um dieses Konzept multipler Bindungsstellen für ein Biomolekül in einem Rezeptor realisieren zu können, ist es nötig, ...
Abstract (German)
Die Erkennung von Peptiden und Enzymen spielt in der Natur eine herausragende Rolle, wie z.B. bei Signalübertragungsprozessen. Die dabei erreichten Selektivitäten und Bindungsstärken sind auf eine hohe Anzahl sich gegenseitig unterstützender Bindungsereignisse zurückzuführen. Um dieses Konzept multipler Bindungsstellen für ein Biomolekül in einem Rezeptor realisieren zu können, ist es nötig, verknüpfbare Bausteine für verschiedene zu erkennende funktionelle Gruppen zu entwickeln.
Diese Arbeit leistet hierzu einen Beitrag durch die Entwicklung von Ammonium-Ion-bindenen Kronenetherbausteinen. Im ersten Kapitel werden Kronenether verschiedener Struktur synthetisiert und getestet. Allen gemeinsam ist dabei der Aminosäurecharakter und eine fluoreszierende Phthalimideinheit, die als Fluoreszenzsensor zur Anzeige von Bindungsprozessen dient. Als Referenz werden zusätzlich noch einfache Kronenether mit Carbonsäure- aber ohne Aminoende dargestellt, da anhand dieser Verbindungen die maximal möglichen Bindungskonstanten abgeschätzt werden können.
Durch Vergleich der Bindungseigenschaften für Kalium- und n-Butylammonium-Ionen werden Kronenether mit einer Azabenzo-21-Krone-7 Geometrie als am geeignetsten identifiziert. Diese zeichnen sich durch vergleichbare Bindungsstärken für Ammonium-Ionen (K = 1.8 * 102 M-1 in Methanol) mit einem strukturell ähnlichen Benzo-18-Krone-6 Molekül aus. Der große Vorteil der entwickelten Kronenether-Aminosäuren ist die im Vergleich zur Referenzsubstanz beobachtete Fluoreszenzsteigerung um bis zu Faktor 4. Damit sind Bausteine für den Einsatz in größeren Rezeptoren gefunden.
Die Verwendung der im ersten Teil gefundenen Bausteine wird im zweiten Kapitel beschrieben. Zunächst wird durch einfache Umsetzung am Aminoende der Kronenetheraminosäure 96 mit n-Butylisocyanat ein Lariatether mit Harnstofffunktionalität dargestellt. Bedingt durch das als Wasserstoffbrücken-Akzeptor fungierende Sauerstoffatom des Harnstoffes kann eine Steigerung der Ammonium-Ion Bindung um ca. 50 % erreicht werden. Die Titration des Lariatethers mit ungeschützten zwitterionischen Aminosäuren soll eine Bindungsverstärkung durch Wasserstoffbrücken zwischen den H-Atomen des Harnstoffes und dem Carboxylat der Aminosäure zeigen, kann aufgrund der geringen Löslichkeit der Aminosäuren aber nur in gepufferter Lösung durchgeführt werden. Die ermittelte Bindungskonstante ist ca. 1 M-1 und damit zu klein, um von analytischem Nutzen zu sein.
Ein weiterer Rezeptor entsteht durch Kombination des Kronenethers mit einem Histidin bindenden Cu-IDA-Motiv. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Michael Kruppa. Die Synthese des Zielmoleküls ist zum Zeitpunkt des Abschlusses dieser Arbeit noch nicht beendet. Daher wird zum weiteren Fortgang auf die Arbeit von Michael Kruppa verwiesen.
Die Verknüpfung des Kronenetherbausteines zum Dipeptid liefert einen dritten Rezeptor. Dieser bindet Lysinmethylester Dihydrochlorid in Methanol mit einer Bindungsstärke von mindestens 2 * 104 M-1-. Die beiden Kronenether des Rezeptors sind dabei aufgrund verschiedener Emissionswellenlängen einzeln beobachtbar. Damit lassen sich auch die Bindungskonstanten für beide einzeln bestimmen. Die Titrationsdaten weisen auf eine 1:1 Stöchiometrie des Komplexes hin, was durch eine Auftragung nach Job bestätigt werden kann. Das Zusammenwirken von zwei kovalent verknüpften Kronenethern bewirkt eine Verhundertfachung der Bindungskonstante für Ammonium-Ionen von ca. 200 M-1- auf ca. 20000 M-1. Die geeignete Kombination von Einzelbausteinen zu einem größeren Rezeptor ermöglicht somit eine deutliche Erhöhung der Bindungsstärke.
Die Selektivität der Bindung von Tripeptiden wird anhand von drei Verbindungen untersucht. Hierbei handelt es sich um die drei möglichen Kombinationen von zwei Glycinen mit einem Lysin (Peptide jeweils als Methylester-dihydrochlorid). Die Auswertung der Titrationsergebnisse zeigt eine deutliche Präferenz der Bindung für N-terminales Lysin mit einer sukzessiven Abnahme der Bindungsstärke bei zunehmendem Abstand zwischen den Ammonium-Gruppen. Damit ist gezeigt, dass die räumliche Vororientierung von Rezeptorbausteinen durch kovalente Verknüpfung ihre Bindungsstärke und die Selektivität der Komplexierung erhöht.
Translation of the abstract (English)
Recognition of peptides and enzymes plays a central role in nature, e.g. in signal transduction processes. The hereby achieved selectivities and binding strengths can be attributed to a great number of binding events which support one another. To utilise this concept of multiple binding sites for a biomolecule in an artificial receptor it is necessary to develop connectable building blocks for ...
Translation of the abstract (English)
Recognition of peptides and enzymes plays a central role in nature, e.g. in signal transduction processes. The hereby achieved selectivities and binding strengths can be attributed to a great number of binding events which support one another. To utilise this concept of multiple binding sites for a biomolecule in an artificial receptor it is necessary to develop connectable building blocks for the recognition of different functional groups within a biomolecule.
This thesis contributes to this task by development of ammonium ion binding crown ether building blocks. In the first chapter crown ethers with varying structure were synthesised and tested in relation to their binding properties. All synthesised compounds have in common an amino acid structure and a fluorescent phthalimide unity. The phthalimide moiety acts as a fluorescence reporter for binding processes. In addition, crown ethers with a carboxy end but without an amino end were synthesised and tested as reference compounds. These simpler compounds enable an estimation of maximum obtainable binding constants.
Crown ethers with a aza-benzo-21-crown-7 structure were identified as the most suitable building blocks by comparison of the binding properties for potassium and n- Butyl ammonium ions of all compounds. These lead compounds show comparable binding strengths for ammonium ions (K = 1.8 * 102 M-1 in Methanol) to a structurally similar benzo-18-crown-6 molecule. The great advantage of the developed crown ether amino acids over the reference compound is their 4 fold increase in fluorescence intensity in binding, Thus building blocks for the synthesis of receptors have been identified.
The application of the building blocks identified in the first chapter is described in the second chapter. The first receptor is generated by reaction of the amino end of the crown ether amino acid with n-Butyl isocyanate. A lariat ether is formed, which contains a urea moiety. The urea oxygen acting as a H-bond acceptor increases the binding strength of ammonium ions by about 50%. Titration of this lariat ether with unprotected betainic amino acids should show a binding enhancement resulting from the formation of H-bonds between the urea N-H and the carboxylate moiety of the amino acid. As unprotected amino acids are insoluble in organic solvents, the measurements had to be conducted in a buffered aqueous solution. The binding constant was identified to be 1 M-1 and therefore too small to be of analytical use.
A second receptor was built by combining the crown ether motive with a histidine binding Cu-IDA-moiety. This was carried out in collaboration with Michael Kruppa. Synthesis of the target compound was not finished at the time of completion of this thesis. Therefore all further results will be published by Michael Kruppa.
Combination of two crown ether amino acid building blocks leads to a dipeptide. This receptor binds lysine methyl ester dihydrochloride in methanol with a binding strength of at least 2 * 104 M-1. The two crown ethers of the receptor can be monitored separately due to their different emission wavelengths. This renders the determination of the single binding constants for each crown ether possible. The data obtained point to a 1:1 stochiometry, which could be further substantiated by use of a Job's plot. The cooperation of the two covalently connected crown ethers causes a 100 fold increase in the binding constants for ammonium ions from about 200 M-1 to about 20000 M-1. Therefore a suitable combination of building blocks to form a greater receptor makes a significant rise in the binding constant possible.
The selectivity of the binding of tripeptides was examined in relation to three compounds. All tripeptides contain one lysine and two glycines and only differ in their sequences. (Peptides were tested as methyl ester dihydrochloride.) The receptor shows a significant preference for N-terminal lysine with a successive decrease in binding strength with increasing distance between the ammonium moieties. Therefore it has been shown that the spacial preorganisation of receptor building blocks by covalent linkage can increase both binding strength and selectivity of recognition.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 13:26
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