Vanadium(IV)komplexe OH-funktioneller Aminosäuren : Modelle der Inhibierung von Phosphatasen

Abstract

Vanadium übernimmt in den Oxidationsstufen IV und V eine Reihe spezifischer biologischer sowie generelle physiologische Funktionen. Die prominenteste biologische Bedeutung kommt dem Vanadat(V) als aktivem Zentrum vieler Haloperoxidasen in Meeresalgen zu. Die physiologisch bedeutsamen Funktionen gründen sich vor allem auf die Ähnlichkeit zwischen Phosphat [HPO4]2- und dem Vanadaten(V und IV), [H2VO4]- und [VO(OH)3] . Diese Ähnlichkeit führt zur Regulation (und gegebenenfalls Inhibierung) vieler Phosphat-metabolisierender Enzyme (wie Phosphatasen, Kinasen und Ribonucleasen) und erklärt wahrscheinlich auch den insulinmimetischen Effekt von Vanadiumverbindungen. Die Wechsel¬wirkung mit Phosphatasen beruht häufig auf einer Koordination des Vanadats an einen Aminosäurerest mit Hydroxi-Seitenfunktion im aktiven Zentrum der Enzyme. Auf diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit Oxovanadium(IV)-Komplexe mit Schiffbase-Liganden synthetisiert und charakterisiert, die Tyrosin- (Tyr), Serin- (Ser) oder Threonin- (Thr) Komponenten enthalten. Neben den Aminosäuren selbst wurden auch die Dipeptide Glycyltyrosin (GlyTyr) und Serylglycin (SerGly) eingesetzt. Als Carbonylkomponenten der Schiffbasen dienten 2-Hydroxi-Naphthaldehyd(1) (Naph), Salicylaldehyd (Sal) und o-Vanillin (Van). Die Komplexe, mit einem NOx-Donorsatz, haben zugleich Modellcharakter für die reduzierte, inaktive Form der Haloperoxidasen.

Die Darstellung erfolgte in der Regel in einer Eintopfreaktion aus dem Aldehyd, der Aminosäure (bzw. dem Dipeptid) und VOSO4 in acetatgepufferter Wasser/Methanol-Lösung. In kristalliner Form isoliert und damit strukturell abge¬sichert wurden folgende Komplexe: [D TyrNaphVO(H2O)]•MeOH, [L TyrNaph VO(H2O)]¬•MeOH, [D,L TyrVanVO(H2O)]•H2O und [D,L SerVanVO(H2O)]•2 H2O, sowie der Ligand D,L MeTyrNaph (MeTyr = Tyrosinmethylester; die Verbindung liegt in der Betainform vor). Alle Komplexe sind tetragonal-pyramidal gebaut; die Oxogruppe steht in apikaler Position.

Im Kristallgitter zeigen die Verbindungen komplexe supramolekulare Arrangements, die durch Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen und pi-Stacking zustande kommen.

Da in allen Fällen von den L-Aminosäuren ausgegangen wurde, muss im Reaktionsverlauf Racemisierung durch Inversion am Cα erfolgt sein. Dies kann mit einer konzertierten 1,3-H-Verschiebung - wie für die Aspartat-Aminotransferase beschrieben - plausibel gemacht werden. Die CD-Spektren der Bulk-Mengen der Komplexe [D-TyrNaphVO(H2O)]•MeOH und [L-TyrNaphVO(H2O)]•MeOH zeigen, dass keine vollständige Racemisierung erfolgt.

Insgesamt konnten siebzehn Komplexe isoliert werden. Lösungen zeigen im UV-Vis die für VO2+-Komplexe unter angenäherter C4v-Symmetrie typischen Banden I (um 700 nm, dxy nach dxz/yz) und II (um 530 nm, dxy nach dx2-y2). Strukturinformationen in Lösung wurden in erster Linie mittels der EPR-Spektroskopie erhalten

Die für strukturelle Informationen in besonderem Maße geeignete parallele Komponente der EPR-spektroskopischen Hyperfeinkopplungskostanten, Aparallel, lässt sich aus partiellen Beiträgen der äquatorialen Ligandenfunktionen berechnen und mit den experimentellen Aparallel vergleichen. Danach koordinieren die Schiffbasen mit den einfachen Aminosäuren (Aparallel ca. 170•10-4 cm-1) über Phenolat, den Enamin-Stickstoff und Carboxylat; die vierte Position wird durch ein Solvensmolekül besetzt. Im Falle der Schiffbasen mit Dipeptiden wird alternativ zu diesem Koordinationsmodus auch die Koordination über Phenolat, Enamin-N und den Carbonyl-Sauerstoff der Amidgruppierung beobachtet (Aparallel ca. 165•10-4 cm-1). Neben einkernigen sind auch zweikernige, über Carboxylat oder (im Falle der Serin-haltigen Liganden) die Hydroxigruppe verbrückte zweikernige Spezies wahrscheinlich.

In its oxidation states IV and V, vanadium takes over a couple of specific biological as well as general physiological functions. The most prominent biological importance of vanadium is its presence, in the form of vanadate(V), as a constituent of the active centre of many haloperoxidases in marine algae. The physiologically important functions are based upon the similarity between phosphate [HPO4]2- and the vanadates(V and IV), [H2VO4]- and [VO(OH)3] . This similarity leads to the regulation (and, at higher vanadium doses, inhibition) of many phosphate metabolising enzymes (such as phosphatases, kinases and ribonucleases), and possibly also explains the insulin-mimetic properties of vanadium compounds. The interaction with phosphatases very often results from the coordination of vanadate to an active centre amino acid carrying a hydroxylic side-chain. Against this back-ground, oxovana¬dium(IV) complexes of Schiff bases were synthesised and characterised. The Schiff bases contain tyrosine (Tyr), serine (Ser) or threonine (Thr) constituents, or the dipeptides glycyltyrosine (GlyTyr) or serylglycine (SerGly). Carbonyl components of the Schiff bases are 2-hydroxinaphthaldehyde(1) (Naph), salicylaldehyde (Sal) or o vanilline (Van). These complexes, containing an NOx donor set, also have model character for the reduced, inactive form of the haloperoxidases.

The preparation was usually carried out in a one-pot reaction from the aldehyde, the amino acid (or dipeptide) and VOSO4 in acetate buffered water/methanol solution. The following complexes were isolated in crystalline form and thus structurally characterised: [D-TyrNaphVO(H2O)]•MeOH, [L-TyrNaphVO(H2O)]•MeOH, [D,L-TyrVanVO(H2O)]•H2O and [D,L-SerVanVO (H2O)]•2 H2O, as well as the ligand D,L-MeTyrNaph (MeTyr = tyrosine-methylester; the compound is present in its betain form). All of the complexes are tetragonal-pyramidal with the oxo group in the apical position.

The compounds exhibit complex supramolecular arrangements in the crystal lattice, coming about through hydrogen bonding interactions and pi stacking.

Since starting materials have been L-amino acids in all cases, racemisation by inversion at Cα must have taken place in the course of the reaction. A likely explanation is a concerted 1,3-H shift as made plausible for aspartate amino¬transferase. The CD spectra of the bulk material of the complexes [D TyrNaphVO(H2O)]• MeOH and [L TyrNaphVO(H2O)]• MeOH show that racemisation has occurred only partially.

A total number of seventeen complexes could be isolated. The UV-Vis spectra of solutions show the bands typical for VO2+ complexes under approximate C4v-symmetry, viz. band I (around 700 nm, dxy to dxz/yz) and band II (around 530 nm, dxy to dx2-y2). Structure information in solution was primarily derived by means of EPR data.

A particularly informative parameter obtained from EPR for structural information is the parallel component Aparallel of the hyperfine coupling constant. Aparallel can be calculated from partial contributions of the equatorial ligand functions, and be compared with the experimental Aparallel. Accordingly, the Schiff bases containing simple amino acids (Aparallel ca. 170•10-4 cm-1) coordinate via phenolate, the enamine-nitrogen and carboxylate, with the fourth position being occupied by a solvent molecule. In the case of Schiff bases of dipeptides, an alternative coordination mode is observed, viz. coordination of phenolate, enamine-N and the carbonyl-oxygen of the amide function (Aparallel ca. 165•10 4 cm-1). Along with these mononuclear species, dinuclear complexes are likely to be present, formed by bridging carboxylate or (in the case of ligands containing serine) the hydroxyl group.