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Neu in der Bibliothek

The Rhubarb Connection and Other Revelations von Lars Öhrström, Jacques Covès und Raychelle Burks bietet gut lesbare und teilweise amüsante Essays über Metalle, Metallionen und Metallkomplexe, so z.B. cis-Platin in der Krebstherapie, Rhabarber und Nierensteine, Vergiftungen mit Metallverbindungen.






"Elemente in 30 Sekunden" von Eric Serri. Das Buch erschien bereits 2016, passt aber genau zum Internationalen Jahr des Periodensystems. Die 50, nach Meinung der Autoren, wichtigsten Elemente werden jeweils auf einer Seite vorgestellt, mit Anwendungen und teils witzigen Illustrationen.

Silicon-based drugs - Part 2

Silabolin - das vergessene russische Steroid

Silabolin ist ein Steroid und enthält eine Trimethylsilyl-Gruppe. Die Einführung einer Trimethylsilylgruppe ist relative simpel. Damit ist diese Verbindung aber ein Silicium enthaltendes Medikament und soll hier besprochen werden. 
Silabolin hat eine relative geringe androgene Wirkung, ähnlich wie das natürliche Hormon Testosteron. Es wird hauptsächlich von Bodybuildern genutzt, um in Kombination mit anderen Steroiden Gewicht zuzulegen und Muskelmasse aufzubauen. Silabolin wurde ursprünglich in der UdSSR entwickelt und als Medikament registriert. Die Verbindung kann injiziert werden. Das Mittel soll allerdings Herz- und Leberschäden hervorrufen und die Wirksamkeit wird unter Bodybuildern kritisch diskutiert. Inzwischen wird es nur noch wenig genutzt.

Literatur:  A. A. Shishkina, T. I. Ivanenko, N. A. Zarubina, O. N. Volzhina, V. G. Angarskaya, K. K. Pivnitski "Experimental and clinical study of the anabolic preparation silabolin", Pharmaceutical Chemistry Journal 20 (1986) 143-148.

Abbildung 1: Strukturformel von Silabolin.

Nitrogen Fixation in Nature

Wie macht das eigentlich die Natur mit der Stickstofffixierung?

Neue Wege zur Stickstofffixierung - Teil 3

In der Natur gibt es Bakterien und symbiotische Diazotrophe, die aus N₂ Stickstoffverbindungen erzeugen. Diese natürliche Stickstofffixierung wird durch Nitrogenase-Enzyme katalysiert. Die Nitrogenasen arbeiten anaerob bei Raumtemperatur und Normaldruck. Die dabei ablaufenden Reaktionen können wie folgt zusammengefasst werden:

Die erste Strukturanalyse einer Nitrogenase wurde 1992 von Kim und Rees publiziert (J. Kim, D. Rees: Structural models for the metal centers in the nitrogenase molybdenum-iron protein, Science 257 (1992) 1677-1682). Die Nitrogenase besteht aus zwei Proteinen. Das eine ist ein elektronenreiches Eisen-Schwefel-Protein mit einem [4Fe:4S]-Cluster, welcher dem Elektronentransfer dient. Das andere ist ein Eisen-Molybdän-Protein mit einem [8Fe:7S]-Cluster (der "P-Cluster"), der ebenfalls dem Elektronentransfer dient und einem Eisen-Molybdän-Cluster (der "M-Cluster"). Dieser wird auch als Eisen-Molybdän-Cofaktor ("FeMeco") bezeichnet. Die Gesamtstruktur einer Nitrogenase ist in Abbildung 1 gezeigt. 

Abbildung 1: Proteinstruktur einer Nitrogenase nach Science 334 (2011) 940-940. (Die Abbildung wurde aus den in der PDB hinterlegten Daten erzeugt.)

Die von Kim und Rees gefundene Struktur des Eisen-Molybdän-Cofaktors zeigte eine äußerst ungewöhnliche Komplexverbindung, bestehend aus sieben Eisenatomen und einem Molybdänatom, die durch Schwefelatome verbrückt sind. Im Zentrum dieses Komplexes soll sich ein Hohlraum von ca. 4 Angström Durchmesser befinden. Durch detaillierte Untersuchungen an Nitrogenasen konnte gezeigt werden, dass in diesem Cluster wahrscheinlich die Stickstofffixierung abläuft (Seefeldt, L. C.; Hoffman, B. M.; Dean, D. R. Mechanism of Mo-Dependent Nitrogenase, Annu. Rev. Biochem. 2009,78, 701-­722, Volltext abrufbar bei NIH Public Access). Daher konzentrierten sich viele weitere Forschungsarbeiten auf diesen Cluster.

Eine erneute Strukturanalyse der Nitrogenase mit einer Auflösung von 1.16 Angström wurde 2002 veröffentlicht (O. Einsle, F. A. Tezcan, S. L. A. Andrade, B. Schmid, M. Yoshida, J. B. Howard, D. C. Rees: Nitrogenase MoFe-Protein at 1.16 Å Resolution: A Central Ligand in the FeMo-Cofactor, Science 297 (2002) 1696-1700). Darin konnten die Autoren anhand der Elektronendichteverteilung zeigen, dass sich im Zentrum des Komplexes keinen Hohlraum sondern ein Atom befindet! Dabei kann es sich um Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff handeln. Anhand der vorliegenden Daten wurde ein Stickstoffatom vermutet.

Nach neuesten Erkenntnissen befindet sich im Zentrum des Komplexes vermutlich ein Kohlenstoffatom und kein Stickstoffatom! Einerseits deuten Untersuchungen mit Röntgenemissionsspektroskopie in Kombination mit DFT-Rechnungen auf eine zentrales Kohlenstoffatom hin (K. M. Lancaster, M. Roemelt, P. Ettenhuber, Y. Hu, M. W. Ribbe, F. Neese, U. Bergmann, S.  DeBeer:  X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor, Science 334 (2011) 974-977). Andererseits wurde ungefähr zur selben Zeit eine erneute Verfeinerung der Strukturanalyse des Eisen-Molybdän-Cofaktors veröffentlicht, in der das zentrale Atom mit größerer Wahrscheinlichkeit als Kohlenstoff identifiziert wurde. Außerdem verwendeten die Autoren isotopenmarkierte Verbindungen in Kombination mit einer komplizierten EPR-Technik (ESEEM), um dem zentralen Atom in diesem Komplex auf die Spur zu kommen (T. Spatzal, M. Aksoyoglu, L. Zhang, S. L. A. Andrade, E. Schleicher, S. Weber, D. C. Rees, O. Einsle: Evidence for Interstitial Carbon in Nitrogenase FeMo Cofactor, Science 334 (2011) 940-940. Volltext verfügbar unter NIH Public Access). 

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Der genaue Mechanismus der natürlichen Stickstofffixierung ist immer noch unbekannt, da es bisher noch nicht gelungen ist, Kristalle zu erhalten, bei denen N₂ an die Nitrogenase gebunden ist. Daher bleibt dieses Forschungsgebiet spannend und es sind weitere aufregende Entdeckungen zu erwarten.

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Weitere Links zum Thema:

• X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor von Serena DeBeer
• The mysterious central atom in the nitrogenase FeMo cofactor von Kevin Hwang, Literature Seminar
• SLAC Research Cracks Puzzle of Enzyme Critical to Food Supply - Pressemitteilung von SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA

New Developments in Chemical Nitrogen Fixation, Part 2

Neue Wege zur Stickstofffixierung - Teil 2

Untersuchungen zur Stickstoffixierung mit Metallkomplexen gibt es seit den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts (siehe den ersten Teil dieses Berichtes). Im Jahr 2003 wurde über eine neuartige Möglichkeit der katalytischen Stickstofffixierung berichtet. Schrock und Mitarbeitern war es gelungen, verschiedene Molybdänkomplexe herzustellen, die in der Lage sind Stickstoff zu binden und in Gegenwart einer Protonenquelle und geeigneter Reduktionsmittel in Ammoniak umzuwandeln (siehe Abbildung 1, Literaturstellen am Ende des Posts).

 

 Abbildung 1: Katalysezyklus zur Stickstoffixierung mit einem [(HIPT)N-CH₂-CH₂]₃NMo-Komplex.

Der katalytisch aktive Komplex in Abbildung 1 besteht aus einem Molybdän-Ion welches von Tris(2-aminoethyl)amin komplexiert wird. Zusätzlich wird der Komplex durch drei sterisch sehr anspruchvolle Hexaisopropylterphenyl-Gruppen (HIPT) umhüllt. Das Stickstoffmolekül koordiniert als "End-on"-Ligand an einer freien Koordinationsstelle des Molybdän-Ions. Das Stickstoffmolekül wird durch die sterisch anspruchvollen HIPT-Liganden in der Bindungstasche der Komplexverbindung isoliert. Dadurch wird die Bildung von stabileren und unreaktiven Dimeren mit der Mo-N=N-Mo-Einheit verhindert. Als Protonenquelle dient ein 2,6-Dimethylpyridinium-tetrakis(pentafluorphenyl)borat.  Decamethylchromocen wirkt als starkes Reduktionsmittel und liefert die notwendigen Elektronen zur Reduktion. Der gebildete Ammoniak wird als Ammoniumsalz isoliert.
Die im Katalysezyklus  in Abbildung 1 gezeigten Zwischenverbindungen  sind mit zahlreichen Einkristall-Stukturanalysen gesichert. Als Beispiel betrachte man die in Abbildung 2 gezeigte Verbindung [(HIPT)N-CH₂-CH₂]₃NMo(N₂). Die Kalottendarstellung in Abbildung 3 zeigt dasselbe Molekül in der Draufsicht. Hier wird die extreme räumliche Abschirmung des koordinierten Stickstoffs durch das Ligandsystem deutlich!

Abbildung 2: Einkristall-Strukturanalyse von [(HIPT)N-CH₂-CH₂]₃NMo(N₂), Seitenansicht.

Abbildung 3: Struktur von [(HIPT)N-CH₂-CH₂]₃NMo(N₂) im Kalottenmodell (van-der-Waals-Radien der Atome, Draufsicht).

Literatur:

• D. V. Yandulov, R. R. Schrock, A. L. Rheingold, C. Ceccarelli, W. M. Davis: Synthesis and Reactions of Molybdenum Triamidoamine Complexes Containing Hexaisopropylterphenyl Substituents,  Inorg. Chem.; 42 (2003) 796–813.
• D. V. Yandulov, R. R. Schrock: Catalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia at a Single Molybdenum Center, Science 301 (2003) 76–78.  
• S. Schenk, B. Kirchner, M. Reiher: A Stable Six-Coordinate Intermediate in Ammonia–Dinitrogen Exchange at Schrock's Molybdenum Catalyst, Chemistry - A European Journal 15 (2009) 5073–5082.
• Weitere Informationen zur Stickstofffixierung in Natur und Technik bei Wikipedia

Bioinorganic Chemistry

Bioanorganische Chemie

Die lange überfällige Aktualisierung des wichtigsten Lehrbuches zur bioanorganischen Chemie ist jetzt erschienen. Der Titel heißt nunmehr "Bioinorganic Chemistry - Inorganic Elements in the Chemistry of Life: An Introduction and Guide" (von Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski und Axel Klein von John Wiley and Sons, Oktober 2013). Das Buch gehört zur Reihe "Wiley Textbook Series, Inorganic Chemistry" und hat sogar einen relativ erträglichen Preis von ca. 57 Euro.

Das Werk hat eine umfassende Modernisierung erhalten. Die bewährte Struktur in Reihenfolge und Aufbau der Kapitel ist beibehalten und neueste wissenschaftliche Erkenntnisse sind eingearbeitet worden. Die Abbildungen der Proteinstrukturen sind nunmehr auf einem aktuellen Stand mit farbigen Abbildungen in denen die Feinheiten der Sekundär- und Tertiärstrukturen der Proteine erkennbar dargestellt sind. In bewährter Weise konzentriert sich die Diskussion der katalytischen Aktivität auf die Metallkomplexe im Zentrum der Proteinstrukturen. Modellkomplexe werden ebenfalls gebührend diskutiert. Leider ist der Titel zur Zeit nur auf Englisch erhältlich, das dürfte für Studenten in niederen Semestern eine bedeutende Hürde in der Akzeptanz des Buches darstellen. Da ist der einfache Student notfalls schneller mit Googlen und muss sich dann nicht durch das englischsprachige Lehrbuch quälen. Bleibt zu hoffen, das auch noch eine deutschsprachige Version erscheinen wird.

Molybdän-Cofaktor-Defizienz

ist eine selten auftretende Erbkrankheit bei Neugeborenen. Innerhalb weniger Tage nach der Geburt haben betroffene Negeborene starke Krämpfe, schreien fortlaufend und verweigern die Nahrungsaufnahme. Ursache dafür ist ein Mangel an Molybdän-Cofaktor (MOCO, Molybdopterin). Molybdopterin reagiert mit Molybdän und aktiviert die Enzyme Sulfitoxidase, Xanthindehydrogenase und Aldehydoxidase. Wenn der Molybdän-Cofaktor fehlt, können die drei Enzyme ihre Aufgaben nicht mehr ausführen. Es kommt z.B. zu Sulfitablagerungen im Gehirn. Langfristig entstehen dadurch Hirnschäden und die Krankheit führt meist bereits im Kindesalter zum Tod. In den letzten Jahren gelang es Biochemikern vom Institut für Pflanzenbiologie der Technischen Universität Braunschweig eine Therapie gegen diese Krankheit zu entwickeln. In Australien wurde kürzlich ein Kind mit Hilfe des Wirkstoffes gerettet. Das Kind muss das Medikament sein Leben lang einnehmen, hat aber jetzt eine Chance.

• Artikel über die Rettung von "Baby Z" in "Die Welt"
• Artikel über Molybdän-Cofaktor-Defizienz bei Wikipedia
• Bericht über die Therapie bei JOURNAL MED
• Ausführlicher Bericht vom National Center for Biotechnology Information mit Literaturliste

Struktur von Molybdopterin

Weiterführende Informationen über die Funktionsweise molybdänhaltigerEnzyme gibt es hier (Präsentation im PDF-Format von der Universität Heidelberg).