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Oktapeptide als neue Organokatalysatoren zur Hydrolyse von Phosphaten und Estern

Octapeptides as new organocatalysts for hydrolysis of phosphates and ester

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-35175
  • Ziel der Dissertation „Oktapeptide als neue Organokatalysatoren zur Hydrolyse von Phosphaten und Estern“ war es neue Oktapeptide zu finden, die die Fähigkeit besitzen Phosphate und Ester zu Hydrolysieren. In der Natur ist bei den Katalysereaktionen die Sekundärstruktur von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grunde wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Modellsystem entwickelt, mit dem gezeigt werden konnte, dass es möglich ist mit einfachen Bausteinen wie Diaminobutan und dem in der Gruppe von Schmuck entwickelten GuanidiniocarbonylpyrrolZiel der Dissertation „Oktapeptide als neue Organokatalysatoren zur Hydrolyse von Phosphaten und Estern“ war es neue Oktapeptide zu finden, die die Fähigkeit besitzen Phosphate und Ester zu Hydrolysieren. In der Natur ist bei den Katalysereaktionen die Sekundärstruktur von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grunde wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Modellsystem entwickelt, mit dem gezeigt werden konnte, dass es möglich ist mit einfachen Bausteinen wie Diaminobutan und dem in der Gruppe von Schmuck entwickelten Guanidiniocarbonylpyrrol ein Molekül zu entwickeln, welches eine stabile intramolekulare Schleife in polaren Lösungsmitteln ausbildet. Aufgrund der geringen Größe des Moleküls, konnte kein β-Faltblatt gebildet werden. Dennoch konnte mit Hilfe der NMR-Spektroskopie gezeigt werden, dass in dem polaren Lösungsmittel Methanol eine stabile Schleifenbildung mit einer intramolekularen Komplexierung stattfindet. Nach erfolgreicher Synthese des oben beschriebenen Testsystems wurde als nächster Schritt eine kombinatorische Organokatalysatorbibliothek mit 625 Mitgliedern aufgebaut. Die Struktur der Peptide kann man in drei Teile untergliedern. Der erste Teil ist die feste Phase, das Amino-TentaGel, an das nacheinander die einzelnen Aminosäuren gekuppelt wurden. An Stelle der Butylgruppe als Schleifenelement wurde Aib-D-Pro als β-Turn Element eingesetzt. Den dritten Teil bilden die bei der Synthese der Oktapeptide eingesetzten Aminosäuren AA1, AA3, AA6, AA8, die ein β-Faltblatt ausbilden sollten. Die kombinatorische Synthese der Bibliothek erfolgte nach der „Split and Mix“ Methode. Zum Unterscheiden der einzelnen Mitglieder untereinander, wurde die feste Phase zusammen mit einem Radiofrequenzchip in IRORI MikroKans gegeben. Durch die unterschiedlichen Aminosäuren ist die Bibliothek für die Katalyse in polaren Lösungsmitteln wie Wasser konzipiert worden. Als exemplarische Katalysereaktionen wurden dabei zwei Hydrolysereaktionen (Phosphatspaltung und Esterspaltung) ausgesucht. Zunächst wurde für beide Reaktionen ein Screening mit unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass bei der Phosphatspaltung nur dann die Reaktion katalysiert wurde, wenn das künstliche Argininanalogon, welches in unserer Arbeitsgruppe synthetisiert wurde, vorhanden war. Der beste Katalysator hat die Reaktion 175-mal schneller katalysiert als die unkatalysierte Reaktion. Bei dem Screening der Esterspaltung hat sich herausgestellt, dass die Aminosäure Histidin essentiell für die katalytische Aktivität ist. Der beste Katalysator bei der Esterspaltung hat die Hydrolyse des Esters 345-mal schneller katalysiert als die unkatalysierte Reaktion. Bei beiden Reaktionen hat sich gezeigt, dass die Sequenz der Katalysatoren sehr wichtig für die Katalyse ist. So verringert z.B. bei der Esterhydrolyse der Austausch zweier Aminosäuren eine Verringerung der Aktivität von dem Faktor 294 auf den Beschleunigungsfaktor 35. Auch konnten beide Katalysereaktionen in wässrigem gepufferten Lösung durchgeführt werden. Damit ist es möglich gewesen neue Oktapeptide für die Katalyse von Phosphat- und Esterspaltung zu finden und diese erfolgreich im Screening als auch in Lösung zu untersuchen.show moreshow less
  • The main focus of the thesis “Octapeptides as new organocatalysts for hydrolysis of phosphates and esters” was to find new octapeptides with the ability to hydrolyse phosphates and esters. In nature the secondary structure is essential for catalytic reactions. For this reason a model system was developed. With simple devices like diaminobutyl and guanidiniocarbonylpyrrol developed in the group of Schmuck a molecule should be build up, which could form a stable intramolecular loop in polar solvents. Due to the small size of the molecule noThe main focus of the thesis “Octapeptides as new organocatalysts for hydrolysis of phosphates and esters” was to find new octapeptides with the ability to hydrolyse phosphates and esters. In nature the secondary structure is essential for catalytic reactions. For this reason a model system was developed. With simple devices like diaminobutyl and guanidiniocarbonylpyrrol developed in the group of Schmuck a molecule should be build up, which could form a stable intramolecular loop in polar solvents. Due to the small size of the molecule no β-sheet could be formed. Nevertheless it could be demonstrated with the help of the NMR spectroscopy that in the polar solvent methanol a stable loop formation with an intramolekular complexation took place. After successfully producing and testing of the above test system the next step was to synthesize a combinatorial library with 625 organocatalysts members. The structure of the peptides can be broken down into three parts. The first part is the solid phase, the amino-TentaGel. To this the amino acids where coupled. Instead of a butyl group the literature known β-turn element Aib-D-Pro was used. Third part of the octapeptides was the varying amino acids in the position AA1, AA3, AA6 and AA8. Between amino acid AA1 and AA3 and AA6 and AA8 a glycine was used. These amino acids should build a β-sheet. The combinatorial synthesis of the library took place after the “split and mix” method.[90-93] To distinguish the individual members the resin was put in the IRORI MikroKans and a radio frequency chip was added to the resin. Due to the different amino acids the members of the library were designed for use in polar solvents as water. Two hydrolysis reactions were used as exemplary catalysis reactions. For both reactions a screening followed by catalysis in solution were performed under different conditions. Thereby it was found that for the cleavage of phosphate the artificial arginine analogue is essential for the catalysis. The best found catalyst for this reaction catalysed the reaction 175-times faster than without catalyst. For the screening of ester cleavage it was found that the amino acid histidine is essential for the catalytic activity. For that it is not surprising that the best catalyst has four histidine and catalysed the reaction 345-times faster compared with the uncatalysed reaction. For both reactions it could be shown that the sequence of the amino acids is of great importance for the catalytic activity. So for example reduced the exchange of two amino acids the activity from the accelerating factor 294 to 35 for the ester cleavage. Also one aim of these thesis was to carry out the hydrolysis under aqueous conditions and this was possible. All reactions were carried out in water with buffer. So it was possible to synthesis new octapeptides which show catalytic activity for the hydrolysis of phosphates and esters and to investigate this octapeptides successfully in the screening as well as in solution.show moreshow less

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Metadaten
Author: Jürgen Dudaczek
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-35175
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Organische Chemie
Date of final exam:2009/04/02
Language:German
Year of Completion:2009
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
GND Keyword:Organokatalyse; Kombinatorische Synthese; Esterasen; Phosphatasen; Enzymkinetik; Screening; Fluoreszenz; Ultraviolettspektroskopie
Tag:UV-spectroscopy; combinatorial chemistry; enzym kinetic; esterase; fluorescence; organocatalysis; phosphatase; screening
Release Date:2009/05/15
Advisor:Prof. Dr. Carsten Schmuck