![[img]](https://epub.uni-regensburg.de/style/images/fileicons/application_pdf.png) | License: Creative Commons Attribution No Derivatives 4.0 Dissertation + Appendix (67MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-376078
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.37607
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 5 August 2019 |
| Referee: | Prof. Dr. Burkhard König |
| Date of exam: | 3 August 2018 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Keywords: | Photochromism, Tool compound, Photoswitch |
| 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: | 37607 |
Abstract (English)
This Thesis focusses on the design, synthesis, and properties of small photochromic molecules and their application as tool compounds in a biological context. Specifically, Chapter I deals with an investigation of a new class of heteroaryl azoswitches, namely phenylazoindoles. Reviewing recent advances in the seek towards novel azo photoswitches, it became clear that heteroaryl scaffolds offer ...
Abstract (English)
This Thesis focusses on the design, synthesis, and properties of small photochromic molecules and their application as tool compounds in a biological context. Specifically, Chapter I deals with an investigation of a new class of heteroaryl azoswitches, namely phenylazoindoles. Reviewing recent advances in the seek towards novel azo photoswitches, it became clear that heteroaryl scaffolds offer electronic properties not observed for classical azobenzenes. Indeed, we found that 3-phenylazoindoles exhibit fast photochemical E-to-Z isomerization and extremely tunable thermal Z-to-E isomerization. Depending on both the substitution of the indole nitrogen and the character of the solvent, Z-to-E relaxation can be finetuned in a range from nanoseconds to days through accessing either a rotation or intermolecular, hydrazone-mediated pathway. These results were confirmed though laser flash photolysis and quantum-chemical methods. Presence of substituents on the phenyl moiety does not largely influence the behavior found in parent phenylazoindole. However, as with N-arylation of the indole, the main absorption band is bathochromically shifted. Analysis of the photostationary state was not feasible through classical means like HPLC or NMR due to the fast isomerization kinetics of the Z-isomer. Hence, we developed a strategy based on TD-DFT simulations of the E- and Z-isomers.
In Chapter II, photocontrol of redox-coenzyme mimetics is reported. Through structural merge of a redox-active benzoquinone or pyridine moiety with a diarylethene motif, we were able to couple the 3,3'-electrocyclic ring-closure reaction of the photoswitch to a conjugated system crucial for the redox-active part of the molecule. After successful synthesis, both isolated photoisomers of a ditienylbenzoquinone were independently investigated regarding their properties. Initial analysis via cyclic voltammetry and spectro-electrochemical measurements exposed classical redox behavior of the open isomer and unusual properties of the closed one. Oxidation of Hantzsch ester – chosen as a model – proved that this reaction can be facilitated only with the open isomer. Also, in situ irradiation of the closed, redox-locked isomer with orange light regenerated the open form of the switch and initiated the redox reaction. The same behavior was successfully transferred onto the respiratory chain in isolated mitochondria. However, the switch could be only used in one way, specifically to unlock the redox-reaction and attempts to improve the photochromic properties to generate a bidirectional switch were unsuccessful so far. Likewise, expanding the concept to other redox-active scaffolds like pyridines, the redox motif in NAD+, was challenging, as the obtained compounds proved to be both thermally and photochemically unstable. Hence, the structures have yet to be improved in this regard.
Chapter III deals with the development of tool compounds for multienzyme complexes. Aim of the project was to investigate allosteric communications in two multienzyme complexes, namely imidazole glycerol phosphate synthase and tryptophan synthase. Thereby, we focused on the design and investigation of photoswitchable ligands. In contrast to many previous reports, we did not intend to provide a photo-regulable competitive inhibitor, but to facilitate an allosteric reaction addressable with light. We synthesized dithienylcyclopentenebisphosphates exhibiting the phosphate functions in varying distances to find a suitable ligand for the HisF subunit of imidazole glycerol phosphate synthase. Here, the meta-bisphosphate derivative of the series showed the best binding properties. Investigating the overall imidazole-glycerol-phosphate-synthase-catalyzed reaction, we found that the allosteric reaction could be photocontrolled indirectly through blockage of the HisF binding site depending of the present photoisomer. However, a direct allosteric response upon ligand binding was not observed. Hence, we synthesized the corresponding dithienylmaleimidebisphosphate derivative as well as substituted phenyl azopyrazoles, which were identified as adequate candidates through molecular-dynamic simulations. The biological evaluation of the novel compounds is still ongoing. Similarly, we designed a series of six azobenzene-based ligands bearing a phosphate function in different distances with respect to the photoswitch. In this way, the binding mode of indole-3-glycerol phosphate should be mimicked, and tryptophan synthase subjected to photocontrol. UV-Vis spectroscopic studies revealed good photochromic properties of the molecule in aqueous environment. A detailed investigation on the tryptophan synthase multienzyme complex is still a subject of current research.
In Chapter IV, we developed photochromic enzyme ligands which undergo structural changes upon irradiation with visible light. Thus, we focused on the use of indolylfulgimides and red-shifted azobenzenes as photochromic scaffolds. In particular, the structural similarity of the succimide motif in indolylfulgimides with maleimide-based, NAD+-competitive inhibitors motivated us to produce photochromic analogues. They were reversibly switchable under enzymatic-assay conditions using purple and orange light. Two compounds showed IC50 values in the micromolar range towards the Sirt2 isoform of sirtuins, a DNA-regulating, NAD+-consuming enzyme class. One compound exhibited a 1.5-fold difference in the IC50 of both photoisomers. As mentioned before, red-shifted azobenzenes were also used as photochromic core structures to design potential Histamin H1 antagonists. The azo function was positioned in between two important interaction groups to alter their relative geometry upon photoswitching. Moreover, a piperazine moiety was installed in ortho-position to the azo function to induce a red-shift of the chromophor’s absorption profile through electron donation. Two compounds have been successfully synthesized and switched with blue light (455 nm or 470 nm, respectively) to the Z-form and thermally back to the E-isomer.
Covering the development of biological relevant photoswitches and investigating mechanistic relationships, the findings in this Thesis may pave the way to further development of photochromic molecular tools towards clinical research and drug development.
Translation of the abstract (German)
Gegenstand dieser Dissertation ist das Design, die Synthese und die Erforschung photochromer Moleküle und deren Anwendung als pharmakologische Wirkstoffe. In Kapitel I wird eine neue Klasse von Heteroarylazophotoschaltern untersucht, die 3-Phenylazoindole. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass das Vorhandensein von Heteroarylstrukturen in Azophotoschaltern neuartige elektronische Eigenschaften bewirkt ...
Translation of the abstract (German)
Gegenstand dieser Dissertation ist das Design, die Synthese und die Erforschung photochromer Moleküle und deren Anwendung als pharmakologische Wirkstoffe. In Kapitel I wird eine neue Klasse von Heteroarylazophotoschaltern untersucht, die 3-Phenylazoindole. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass das Vorhandensein von Heteroarylstrukturen in Azophotoschaltern neuartige elektronische Eigenschaften bewirkt und so ein für Azobenzol sonst nicht zugängliches photochemisches Verhalten eröffnen. Daher untersuchten wir die Merkmale von 3-Phenylazoindolen als Vertreter dieser Gruppe. 3-Phenylazoindole weisen eine sehr schnelle photochemische E-zu-Z-Isomerisierung auf, wohingegen die Geschwindigkeit der thermischen Rückisomerisierung von verschiedenen Faktoren, z.B. der Methylierung des Indolstickstoffs, dem Vorhandensein eines freien NHs und den Eigenschaften des Lösungsmittels abhängt und daher zwischen Nanosekunden und Tagen variiert werden kann. Grund dieses ungewöhnlichen Verhaltens ist der Zugang zu verschiedenen Relaxationswegen, dem Rotationsweg und einer Z-zu-E-Isomerisierung über die Bildung eines intermolekularen Hydrazones. Diese Erkenntnisse wurden durch Laser-Flash-Photolyse sowie durch quantenchemische Rechnungen unterstützt. Weitere Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Substituenten am Phenylring der 3-Phenylazoindeole ergaben, dass diese ebenso wie eine Arylierung des Indolstickstoffes zu einer bathochromen Verschiebung der Absorptionsbande führten. Da sowohl die substituierten als auch die unsubstituierten Verbindungen extrem schnelle thermische Isomerisierungsraten aufweisen, kann der photostationäre Zustand nicht durch klassische Methoden wie NMR oder HPLC erfasst werden und wurde daher durch quantenchemische Berechnungen approximiert.
Kapitel II beschäftigt sich mit der Photokontrolle von Redoxcoenzymmimetika. Durch eine strukturelle Verschmelzung eines redoxaktiven Benzochinons oder eines Pyridins mit einem Diarylethen konnten wir die 3,3'-elektrozyklische Ringschlussreaktion des Photoschalters an die Elektronenverfügbarkeit der redoxaktiven Teilstrukturen kuppeln. Die Charakterisierung der beiden isolierten Photoisomere eines Dithienylbenzochinons zeigte, dass das offene Isomer das klassische Verhalten eines Benzochinones aufweist, wohingegen sich das geschlossene Isomer sowohl in Cyclovoltammetrie als auch in Spektroelektochemie untypisch verhält. Darüber hinaus untersuchten wir die Reaktion beider Photoisomere mit Hantzschester und konnten lediglich eine Oxidationsreaktion durch das offene Isomer beobachten. Das geschlossene Isomer ist unreaktiv, solange es nicht mit orangem Licht bestrahlt und dadurch in situ in seine offene Isoform überführt wurde. Derselbe Effekt konnte in isolierten Mitochondrien beobachtet werden. Doch die Photoreaktion war nur bedingt umkehrbar. Daher versuchten wir durch ein neues Design die Photoeigenschaften des Schalters zu verbessern, allerdings erfolglos. Ähnlich schwierig gestaltete sich eine Erweiterung des Konzeptes auf die Verwendung von Pyridin, dem Redoxzentrum in NAD+, als redoxaktive Struktureinheit, da sich das geschlossene Isomer als thermisch labil erwies und die Photostabilität bislang unzureichend ist.
Kapitel III befasst sich mit der Entwicklung pharmakologischer Werkzeuge für die Multienzymkomplexe Imidazolglyzerolphosphat-Synthase und Tryptophan-Synthase. Dabei stand die Erforschung der allosterischen Wechselwirkung innerhalb der Multienzymkomplexe mittels photoregulierbarer Liganden im Mittelpunkt. Die Besonderheit der Arbeit besteht darin, dass nicht, wie sonst üblich photochrome, kompetitive Inhibitoren für einzelne Enzyme entwickelt werden, sondern, dass nun eine allosterischen Reaktion in einem Enzymverbund mit Licht bewirkt werden soll. Daher wurden Dithienylcyclopentenbisphosphate synthetisiert, welche Bisphosphateeinheiten in verschiedenen Abständen aufweisen, um einen geeigneten photochromen Liganden für die HisF-Untereinheit in Imidazolglyzerolphosphat-Synthase zu finden. Hierbei war das Meta-Bisphosphoderivat der aktivste Ligand. Zudem konnte die allosterisch regulierte Imidazolglyzerolphosphat-Synthase-Gesamtreaktion photoreguliert werden, nicht aber durch direkte allosterische Regulation des Multienzymkomplexes, sondern durch die unterschiedlich starke Inhibition des photochromen Liganden. Daher wurde als Nächstes das entsprechende Bisphosphodithienylmaleimidederivat sowie Phenylazopyrazole synthetisiert, die zuvor mittels Molekulardynamik-Simulationen als geeignet identifiziert wurden und zusätzliche biologisch relevante Interaktionsgruppen besitzen. Die biochemische Untersuchung dieser Liganden dauert noch an. Parallel dazu wurden azobenzolbasierte Liganden für den Tryptophansynthasekomplex dargestellt. Die kleine Bibliothek aus sechs Liganden, die eine Phosphatgruppe als Bindungseinheit in variierenden Abständen zum Azobenzolteil besitzen, verfügen alle über ausgezeichnete photochrome Eigenschaften in DMSO und Puffersystemen. Die biochemische Evaluierung dieser Substanzen ist noch nicht abgeschlossen.
In Kapitel IV wird die Regulation von Enzymaktivität durch lichtinduzierte sterische Änderungen berichtet. Dabei wurden Indolylfulgimide und rot-verschobene Azobenzolderivate verwendet, zwei photochrome Gruppen, die mit sichtbarem Licht angeregt werden können. Da die Succimiduntereinheit des Fulgimides eine strukturelle Ähnlichkeit zu maleimidebasierten NAD+-kompetitiver Inhibitoren aufweist, wurde diese Struktur ausgewählt, um einen fulgimidbasierten Inhibitor zu synthetisieren. Drei Verbindungen wurden isoliert und können reversibel mit violettem beziehungsweise orangem Licht unter Enzymassaybedingungen geschaltet werden. Zudem weisen die Moleküle an Sirt2 IC50-Werte im mikromolaren Bereich auf. Die beste Verbindung zeigte dabei einen 1,5-fachen Unterschied zwischen den IC50-Werten beider Photoisomere. Die rot-verschobenen Azobenzole bilden das photochrome Kernstück potentieller Histamin H1-Antagonisten. Dazu wurde die Azogruppe im Liganden so designt, dass die Photoisomerisierung die Geometrie zweier biologisch relevanter funktioneller Gruppen stark beeinflusst. Eine der beiden Funktionalitäten, eine Piperizineinheit, ist dabei in ortho-Position zur Azobrücke positioniert, um durch die erhöhte Elektronendichte ein rot-verschobenes Azobenzolderivat zu erzeugen. Tatsächlich ist es möglich, beide Verbindungen mit blauem Licht vom E- in das Z-Isomer zu überführen und das E-Isomer anschließend thermisch zu regenerieren. Eine biologische Untersuchung ist noch ausstehend.
Die gewonnenen Erkenntnisse in der Entwicklung neuer biologisch relevanter Photoschalter sowie die Erforschung ihrer (photo)chemischen Mechanismen tragen dazu bei, zukünftig photoschaltbare pharmakologische Werkzeuge auch für klinisch relevante Anwendungen zu erhalten.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 19:23
Owner only: item control page
Download Statistics