CIDNP als Werkzeug zur Untersuchung biologischer Radikalstrukturen

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss der Umgebung eines Radikalzentrums auf die gebildete Radikalstruktur, den Reaktionsmechanismus und den Reaktionsweg in Peptiden zu analysieren. Zur Untersuchung kurzlebiger Radikale bietet die NMR mit dem Effekt der chemisch induzierten, dynamischen Kernspinpolarisation (CIDNP) eine geeignete spektroskopische Methode. Nach dem Durchlaufen einer Radikalpaarreaktion wird dabei das Auftreten eines vom thermischen Gleichgewicht abweichenden Polarisationsmusters und dessen Abhängigkeit von den Radikalparametern der vorliegenden Reaktion ausgenutzt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte das Anwendungsgebiet der CIDNP durch die Einführung einer Methode erweitert werden, mit welcher es (unter sehr allgemein gehaltenen Bedingungen) möglich ist, Hyperfeinkopplungskonstanten der primär gebildeten Radikale zu bestimmen. Auf Grund der Proportionalität des CIDNP-Signals eines Kernes zur Hyperfeinkopplung desselben ist es somit leicht möglich, Verhältnisse von Hyperfeinkopplungen und darüber hinaus bei Kenntnis eines Kopplungswertes des Radikalpartners absolute Kopplungen zu bestimmen. Die theoretischen Überlegungen und methodischen Voraussetzungen dazu werden vorgestellt und experimentell bestätigt. Dabei hat sich herausgestellt, dass Untersuchungen der Zeitabhängigkeit der CIDNP-Signale essentiell sind, um die primäre Radikalpaarreaktion von später einsetzenden Folgereaktionen zu trennen. Durch Kombination dieser Methode mit Messungen der Magnetfeldabhängigkeit des CIDNP-Signals ist es erstmals möglich, Informationen über die magnetischen Parameter (Hyperfeinkopplungskonstanten und g-Faktoren) der an der Primärreaktion beteiligten Radikale allein mittels NMR-Methoden zu ermitteln. Außerdem können durch Analyse der gesamten Zeitabhängigkeit Reaktionswege und Reaktionsraten bestimmt werden. Hier wird eine systematische Studie vorgestellt, in der freie Aminosäuren und einfache Dipeptide mit Thioethergruppen unter nahezu physiologischen Bedingungen untersucht und miteinander verglichen werden. Dabei werden verschiedene Kombinationen der Residuen Glycin, Methionin und S-Methyl-Cystein verwendet, wobei deren Stellung zueinander (cis- bzw. trans-Konformere) variiert wird. In diesem Zusammenhang ist es einerseits möglich, den Einfluss der Veränderung des Abstandes zwischen Schwefelatom und Aminosäuregruppe bzw. Peptidrückgrat zu ermitteln. Andererseits wird die Auswirkung des Peptidrückgrates und benachbarter Residuen auf das beobachtete CIDNP-Signal analysiert. Trotz des gleichen Reaktionsmechanismus werden unterschiedliche Radikaltypen gebildet, da sich das zunächst entstehende schwefelzentrierte Kationradikal abhängig von der Umgebung durch Bildung einer "2-Zentren-3-Elektronen"-Bindung mit Hilfe freier Elektronenpaare benachbarter Atome stabilisiert. Die auffälligen Differenzen in den beobachteten Radikalstrukturen und Reaktionsraten werden diskutiert und die Implikationen dieser Ergebnisse für zukünftige Untersuchungen an Peptiden und Proteinen beurteilt.

This work focuses on how radical structures and pathways of radical reactions are influenced by structurally changing the surroundings of the radical center. Therefore, radicals of free amino acids and peptides containing a thioether group are investigated. By applying NMR spectroscopy to photoreactions it is possible to acquire structural information of radical intermediates which are often too short lived to be directly detected by ESR, and reaction pathways. This method is known as chemically induced dynamic nuclear polarization (CIDNP). Typically, formation of a radical pair originating from a photo-excited dye and a quencher molecule gives rise to polarization of the NMR spectrum. Using a pulsed version of this experiment, time resolved measurements with microsecond resolution are conducted allowing differentiation between geminate and bulk processes and thus extracting reaction pathways and rate constants. This in combination with the magnetic field dependence of CIDNP allows determining magnetic resonance parameters (hyperfine coupling constants and g-factor) of the elusive radicals. Using a new methodological approach, we demonstrate the possibility of extracting hyperfine couplings of the geminate pairs directly from the CIDNP spectrum recorded directly after the laser flash for quite general conditions. Taking into account, that the CIDNP intensity is proportional to the hyperfine coupling of the corresponding nucleus, ratios of hyperfine couplings in a radical can be obtained immediately. Furthermore we show that absolute values and signs can be determined, when the couplings of one of the radical partners are known. The theoretical ideas and methodical requirements as well as the experimental proof are presented. For the first time the hyperfine coupling constants and g-factors were extracted using CIDNP results only. It is well known for sulfur-centered radical cations that they tend to stabilize themselves by forming a three electron bond between sulfur and neighbouring atoms with lone electron pairs. This should induce differences in reaction pathways and radical structures depending on the proximity of the sulfur atom. This work will present CIDNP results of a systematic study comparing the thioether-group containing amino acids methionine and methylcysteine and peptides containing these acids with various co-residues (methionine, methylcysteine and glycine) in aqueous solution at ambient conditions. In this context methylcysteine and methionine differ in the sulfur-backbone-distance. First, the impact of this displacement will be shown. Second, for studying the influence of geometric factors, measurements are performed on cyclic dipeptide structures in different enantiomeric forms. Here, we focus particularly on the influences of the backbone and interactions with other side chains. By comparing these systems, distinct differences in reaction kinetics and radical structure are discussed based on the formation of a three electron bond between sulfur and its neighbouring atoms. Furthermore, primary and secondary reaction steps are differentiated and their rate constants are determined.