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Die Biologische Funktion

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Präsentation zum Thema: "Die Biologische Funktion"—  Präsentation transkript:

1 Die Biologische Funktion
von Cobalt Markus Petermichl Hauptsemniar AC V

2 Gliederung Vorkommen in der Natur Cobalamine Historischer Hintergrund
Coenzym B12 und MeB12 Aufbau Bindungsspaltung Bioreaktivität Modellsysteme Zusammenfassung Hauptsemniar AC V

3 Vorkommen in der Natur Essentielles Spurenelement
Quelle: Quelle:Kaim & Schwederski, Bioanorganische Chemie, S. 7 Element Häufigkeit in der Erdkruste [ppm] Sauerstoff 4,61 · 105 Eisen 5,60 · 104 Calcium 4,14 · 104 Magnesium 2,33 · 104 Wasserstoff 1,40 · 103 Schwefel 3,50 · 102 Kohlenstoff 2,00 · 102 Kupfer 6,00 · 101 Cobalt 2,50 · 101 Spurenelement täglicher Bedarf im menschlichen Körper Eisen 10-20 mg Zink 7-10 mg Mangan 2-5 mg Kupfer 1-1,5 mg Molybdän 0,05-0,1 mg Vanadium 0,01-0,03 mg Cobalt 0,003 mg Essentielles Spurenelement Seltenstes Element der ersten Nebengruppenperiode sowohl in der Erdkruste als auch im Menschen Zahlenwerte schwanken je nach quelle Hauptsemniar AC V

4 Cobalamine Außer in Cobalamin gibt es keine weiteren Cobaltverbindungen NATÜRLICHER Metallkomplex Stabil in Wasser (pH=7) und unter Luft 18 Elektronenregel erfüllt → Stabilität Vitamin B12 der König unter den Vitaminen Hauptsemniar AC V

5 Historischer Hintergrund
Behandlung schwerer Anämien Cobalt als Spurenelement in Leberextrakt Strukturaufklärung durch neue Röntgenbeugung (Nobelpreis 1964) Behandlung schon seit den 20iger Jahren Isolation erst durch aufwendige Chromatographische Verfahren B12 kann nicht selber hergestellt werden Wird nur von Mikroorganismen gebildet Vorkommen des B12 in Fleisch, Fisch, Milch und v.a. Leber Ebenfalls im Menschen liegt B12 v.a. In der Leber vor Quelle: cyanocobalamin_VITAMIN_B12_EP6_COBAMAMIDE_adenosylcobalamine_HYDROCOBALAMINE.jpg Hauptsemniar AC V

6 Der Corrin Ligand 15 gliedriger Ligand → nicht planar
Sattelform für Reaktivität nicht aromatisch Starke Ligandenfeldaufspaltung Trotz großem relativ großem Metallzentrum nur 15 gliedriger Ring → nichtplanarität Kann Co[I]Stufe quadratisch planar stabilisieren Porphyrinringe können dies nicht Hauptsemniar AC V

7 Tetragonale Verzerrung
dx²-y² dx²-y² dxy eg dxy dz² dz² t2g dyz ,dxz quadratisch planar quadratisch planar oktaedrisch oktaedrisch Co3+ Hauptsemniar AC V

8 Reaktivität der Cobalamine
Leichte Abspaltbarkeit auf Grund des axialen Steuerliganden (Benzimidazol) und wegen der Butterflystruktur tetragonale Verzerrung erleichtert die Abspaltung Wahrscheinlich auch durch das Apoenzym Hauptsemniar AC V

9 Co-C Bindungsspaltung
Heterolytische Spaltung nur in Anwesenheit eines Reaktionspartners Homolytische Spaltung Bildung eines reaktiven primären Alkylradikals und nachweisbarem lowspin d7- Cobalt(II) (ESR nachweisbar) Unter Substitution durch z.B. H2O zu Co(III) und einem Carbanion Bildung eines supernukleophilen Co(I) und einem Carbokation Alle 3 Arten sind möglich. Was realisiert wird hängt vom Substrat, vom Redoxpotential und vom Steuerliganden ab Sonderfall Co[I] hat planar Form, welche sonst nur bei Rh[I] oder Ir[I] Komplexen beobachtet werden Zeigt typische Reaktivität von planarem Rh[I] und Ir[I] ESR ähnlich wie NMR aber man misst Elektronenspins. Man bring Radikale oder Komplexe mit nicht vollen d Schalen in ein B Feld und regt die e- mit Radiowellen an Ebenfalls WW des e- mit Protonen möglich Hauptsemniar AC V

10 Homolytische Spaltung
Noch nicht 100%ig geklärt ob tatsächlich so vorhanden, aber sehr wahrscheinlich. Es könnte sich auch ein Radikal mit einem Elektron zum Co[I]- Zustand umwandeln Abstand der beiden Radikale nur etwa 1nm Co[III] und Co[II] haben sehr ähnliche Konformation(entatischer Zustand) → Geschwindigkeit der e- schnell wegen geringer Reorganisationsenergie (Vergleich Cytochrom) Bindung zum Steuerliganden aber verkürzt → leichte Abspaltung für Reaktionskontrolle Hauptsemniar AC V

11 Methylmalonyl-CoA Mutase
Ebenso bei der Leucin 2,3 aminomutase Großes interesse der Organiker diese Reaktion auch ohne Apoenzym zu verwenden oder andere Modellverbindungen zu finden Succinyl-CoA KEINE DIREKTE BETEILIGUNG DES COBALTKOMPLEXES! Hauptsemniar AC V

12 Methylmalonyl-CoA Mutase
Apoenzym hat 3 Funktionen Drastische Verringerung der Co-C Bindungsenergie (noch nicht geklärt wie genau) → Reaktionsbeschleunigung um 1010 Abschirmung des primären C-Radikals um Nebenreaktionen zu unterbinden Schaffen von Stereoselektivitä Austausch des Benzimidazol Steuerliganden durch Hystidin durch Röntgenkristallanalysen gefunden Wahrscheinlich Reaktionskontrolle, aber noch nicht genau geklärt Quelle: Hauptsemniar AC V

13 Weitere 1,2 Umlagerungen Bei der Ribonukleotid Reduktase kommt es zur Oxidation von Dithiol zu Disulfid Die meisten Mutase Reaktionen nur in Mikroorganismen Quelle:Kaim & Schwederski, Bioanorganische Chemie, S. 51f Hauptsemniar AC V

14 Methionin Synthase Methylierung durch Tetrahydrofolsäure(THFA)
über das Methylcobalamin MeB12 Eigentliche Methylierung des Homocystein mit 5 Methyl THFA aber über das Me B12 Me B12 nicht in der Leber sondern hauptsächlich im Blutkreislauf zu finden Hauptsemniar AC V

15 Modellsysteme Klärung von Mechanismen Cobalamine schlecht löslich
Anwendung für Labor Synthesen Aber keine Stabilisierung der Co[I]- Stufe Bis(acetyldioxim) komplexe sind quasi makrozyklische Liganden welche über H-Brücken verbunden sind Besser sind Costa oder sogar salen Liganden Hauptsemniar AC V

16 Zusammenfassung Sehr stabile Co[III] Komplexe
Reversible Metall-Kohlenstoff Bindung Bildung reaktiver Radikal und Alkylionen König der Spurenelemente Trotz der , oder gerade wegen der seltenheit von Cobalt kann man die Besonderheit der Verbindungen sehen. Besondere 15 Ringkonformation führt zu reversiblen Spaltungen Bildung stabiler Komplexradikale Hauptsemniar AC V

17 Quellen Kaim & Schwederski: Bioanorganische Chemie, 4. Auflage, S Christoph Elschenbroich: Organometallchemie, 6. Auflage, S Paula Yurkanis Bruice: Organische Chemie, 5. Auflage, S Bernhard Kräutler, Met. Ions Life Sci. 6 (2009) 1-51: Orgnanometallic Chemistry of B12 Coenzymes B.D. Martin, R.G.Finke, J. Am. Soc. 114 (1992) 585: Methylcobalamin's Full- vs. Half-Strength Cobalt- Carbon sigma Bonds and Bond Dissociation Enthalpies Rowena G. Metthews, Acc. Chem.Res. 34 (2001) , Cobalamin-Dependent Methyltransferases ( ) ( ) ( ) ( ) _VITAMIN_B12_EP6_COBAMAMIDE_adenosylcobalamine_HYDROCOBALAMINE.jpg ( ) Hauptsemniar AC V

18 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Hauptsemniar AC V


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