Skript - Institut für Organische Chemie - Leibniz Universität Hannover

Cofaktoren und ReaktionsmechanismenVorlesung (mit Übung)(für Life Science Bachelor im 5. Semester)Institut für Organische ChemieLeibniz Universität Hannover (Germany)verantwortlich:Prof. Dr. A. Kirschning und Dr. Frank Hahnunter Mitarbeit vonKristina Struckmeier und Christine BartetzkoLiteratur(Version vom Oktober 2013)1. „Naturstoffchemie - Eine Einführung“ Autoren: Habermehl, HammannVerlag: Springer-Lehrbuch, ISBN 3-540-11002-X2. Terpene - Aromen, Düfte, Pharmaka, PheromoneAutor: E. Breitmaier, Verlag: Teubner Studienbücher3. AlkaloideAutor: E. Breitmaier, Verlag: Teubner Studienbücher4. Medicinal Natural Products A Biosynthetic ApproachAutor: Paul M. Dewick, Verlag: John Wiley & Sons, 3rd edition, 20085. The Way of SynthesisAutoren: T. Hudlicky, J. W. Reed, Wiley-VCH 2007, ISBN 978-3-527-31444-76. Classics in total synthesis I und II, ISBN 3-527-29231-4Autoren: K. C. Nicolaou, und Mitarbeiter Verlag: VCH, ISBN 3-527-29231-47. RÖMPP online, Thieme Verlag enthält alle Bände des „alten RÖMPP“, auch denNaturstoffband. Der ROEMPP online ist in der Universität und am IOC (über web-Seite desInstituts) verfügbar.11A. Kirschning; Hannover

KonzeptNaturstoffe sind komplexe Strukturen, die sowohl durch die Natur (Biosynthese), als auch durch denMensch (chemische Totalsynthese) durch vielschrittige Prozesse hergestellt werden. Diese Vorlesungzielt darauf ab, die Grundlagen dieser Prozesse im Bereich der Biosynthese zu vermitteln. Es werdenverschiedene Coenzyme vorgestellt, wobei ihre chemisch-mechanistischen Fähigkeiten beleuchtetwerden und ein direkter Vergleich zu analogen Prozessen und Methoden der organischen Chemiegezogen wird. Weiterhin werden relevante und konservierte Mechanismen hervorgehoben, um dieoftmals abschreckende Komplexität von Biosynthesewegen auf die ihnen zugrunde liegendeneinfachen Prinzipien zurückzuführen.2LernzieleDie Vorlesung soll Studierenden helfen, die scheinbar strukturelle Komplexität von Naturstoffen undBiosynthesewegen zu rationalisieren, wiederkehrende Bauprinzipien zu erkennen um schließlich die„Furcht“ vor komplexen Strukturen zu verlieren.SynopsisCoenzyme und ihre Chemie, Aminosäure- und Peptidchemie1. Einführung2. Pyridoxalphosphat – ein Beispiel für ein Coenzym, Aminosäure- und Peptidchemiea. Pyridoxalphosphat (Vitamin B6), ein Beispiel für ein Coenzymb. Imin-Enamin-Chemie, Organokatalyse, Organostickstoffchemiec. Peptidsynthese3. Weitere Coenzyme (Thiaminpyrophosphat, Coenzym A, Biotin, ATP, SAM, NAD, FAD)2A. Kirschning; Hannover

Teil A (Coenzyme und ihre Chemie, Aminosäure- und Peptidchemie)41. EinführungEnzymesind aus Aminosäuren aufgebaute Proteine, die biochemische Reaktionen katalysieren. Enzymehaben große Bedeutung im Stoffwechsel von Organismen. Sie steuern den überwiegenden Teilbiochemischer Reaktionen (Metabolismus), sowohl bei der Verdauung (Katalbolismus) als auchbei der Biosynthese von körpereigenen Molekülen (Anabolismus).Viele Enzyme sind frei von zusätzlichen Cofaktoren oder Metallen, d. h. allein die in der aktivenTasche befindlichen Aminosäuren katalysieren die Biotransformation des Substrats zum Produkt.Ein wichtiges und weit verbreitetes Beispiel ist die katalytische Triade in Serinproteasen(Endopeptidasen). Die Triade besteht aus den Aminosäuren Asparaginsäure, Histidin und Serin,die die Aktivierung der Alkoholfunktion im Serin durch „Protonenhopping“ erlaubt.AminosäurenundAktivierungvonSerinMechanismusder SpaltungeinerPeptidbindungin Serinproteasen4A. Kirschning; Hannover

5FortsetzungCoenzyme (Cofaktoren)sind (im Gegensatz zu Enzymen) niedermolekulare Verbindungen, die bei enzymatischkatalysierten Reaktionen eine Übertragungsrolle spielen. Sie bilden zusammen mit derProtein-Komponente (Apoenzym) das aktive Holoenzym. Da sie während der Reaktionchemisch verändert werden können aber nicht müssen, sind sie zuweilen als Co-Katalysatoren ansonsten eher als Co-Substrate zu betrachten. Von den Substratenunterscheiden die Coenzyme sich jedoch dadurch, dass sie in einem kurzen Cyclus, d.h.meist in einem einzigen Reaktionsschritt, regeneriert werden. Coenzyme sindÜberträger von Wasserstoff-Atomen, Elektronen oder funktionellen Gruppen. Coenzymebinden sich normalerweise reversibel u. nichtkovalent an die entsprechenden Enzyme,können in etlichen Fällen aber auch kovalent gebunden sein und werden dann alsprosthetische Gruppen bezeichnet. In einigen Fällen sind auch bestimmte Metall-Ionen als Cofaktor für die Enzym-Aktivität erforderlich. Vorläufer vieler Coenzyme sinddie Vitamine.5A. Kirschning; Hannover

2. Coenzyme2a. Pyridoxalphosphat,Aminosäure- undPeptidchemie6A. Kirschning; Hannover

Biotransformationen an Aminosäuren mit Hilfe der Vitamin B 6 Cofaktoren7Pyridoxalphosphat Coenzymekatalysieren folgende Reaktionen:1. Transaminierung:7A. Kirschning; Hannover

8Stickstoff, wo kommte er her? Glutaminsäure dient in der Regel als Stickstoff- bzw. „Ammoniak“-Quelle. Das„Ammoniak“ wird auf a-Ketocarbonsäuren übertragen, die häufig aus der Glycolyse oder dem Citratcycluskommen. Der Stickstoff selbst kommt als Nitrat aus dem Boden in die Pflanzen oder aus der Luft als N 2über Stickstoff-fixierende Bakterien und wird dann durch reduktive Aminierung auf a-Ketoglutaratübertragen.8A. Kirschning; Hannover

2. Eliminierung-Hydratation:9Wie könnte der Mechanismus aussehen ?9A. Kirschning; Hannover

3. Decarboxylierungen:1010A. Kirschning; Hannover

Decarboxylierungen führen zur Bildung von biogenen Aminen11HONH 2Thyramin aus TyrosinHOOHOH CH 3NHAdrenalin- Gefäßverengend- Blutdruckerhöhend!(auch Migräneauslösend)(auch als Fäulnisproduktvon Eiweiß, besonders inChianti, Schokolade, Käse)(Namensgebung aus demGriechischen: tyros)N NH 2NHHistaminaus Histidin- Gefäßerweiternd- Blutdrucksenkend- Krämpfe, traum. Schock, AllergienHONHNH 2Serotonin aus TryptophanCH 3 ONHHN CH 3OMelatonin- steuert die "biologische Uhr":(Schlaf- / Wachzyklus)- Neurotransmitter- Blutdruckwirkung Dosisabhängig(Kann Gefäßverängend wirken)(z.B. enthalten in Ananas,Bananen und im Gift derBrennessel)11A. Kirschning; Hannover

Antihistamine: Schwächen die Wirkung von Histamin ab (Reisekrankheiten):12PhCH 3NH(CH 3 )Amphetamin (als Dopning-/ Rauschmittel eingestuft)ausSerinHONH 2AcONMe 3AcetylcholinausTyrosinHOOHH 2 N HDOPADihydroxyphenylalaninCO 2 HNeurotransmitterHODopaminOHNH 2- Passieren der Blut-Hirnschranke- Decarboxylierung zumNeurotransmitter Dopamin12A. Kirschning; Hannover

4. „Retroaldol“:HO13POOHNCH 3CO 2 HHONH 2SerinP = PhosphatH CO 2 H +NH 2GlycinHOHFormaldehyd"Retroaldol":OHCO 2 HNH 2H OOHPON CH 3HPOCO 2 HHHONHNOOHOHCH 3CH 2 OPOHHHNHNCO 2 HOHCH 3POHHNNCO 2 HOHCH 3HydrolysePOHNH 2OOHDer frei werdende Formaldehyd stellt ein Zellgift dar und wirddem folsäuresystem zugeführt, wo er als C 1 -Körper nutzbarbleibt (siehe weiter unten).NCH 313A. Kirschning; Hannover

145. Racemisierung:HOPOOHNCH 3RHNH 2CO 2 HP = PhosphatR CO 2HNH 2H6. „Michael“-Addition:POHOOHNCH 3CO 2 HIndolNH+OHCO 2 HNH 2SerinP = PhosphatCO 2 HNHNH 2Tryptophanvia:HNPOOHNCH 3Wie könnte der Mechanismus aussehen ?14A. Kirschning; Hannover

15POHNOOHCH 3EnzymNH 2POHNNOHCH 3EnzymRNH 2CO 2 HPOHRNNCO 2 HOHCH 3POHNRNHOCH 31. NaBH 42. H + , POHNNH(Reduktionder C=N-Bindungund Protein-HydrolyseOHCH 3NH 2CO 2 HLysin-DerivatEnzym+NH 2M 2+HO 2 COOH 2 NOPORRotationNHSubstratNHOCH 3EnzymBiosynthetische Untersuchungen (siehe Abfang des Intermediatsdurch Reduktion / Hydrolyse) zeigen, dass das Coenzymzunächst über eine Imin-Bindung an das Enzym gebunden wirdund dann ein Austausch mit dem Substrat stattfindet.Nach einem Model von Low, Ingram und Arigoni kann diePositionierung im Enzym so gestaltet sein, dass nachIminhydrolyse nur eine Rotation um die Pyridyl-Achse dieKondensation mit dem Substrat erlaubt.15A. Kirschning; Hannover

2b. Die Chemie des Enamin – Imin - Paares:OH16C=OR 1R 2H oderLewissäureR 1OR 2R 1OR 2BaseR 1OR 2Keto-Enol-TautomerieR 1OHR 2EnolatCarbonylEnolR 1NRR 2R 1NRR 2BaseR 1IminNRR 2Keto-Enol-TautomerieR 1NREnaminR 2C=NRH oderLewissäureR 1HNRR 2Iminium-Kation16A. Kirschning; Hannover

Enamine können als Vorläufer für Imminium-Salze fungieren17ORHNOHNH 2 ONClOORgutes NukleophilONNC NOEEC NHHNOLactamDas klassische Feld der Enamin / Imminium Kation Chemie erfährt heute eine große Renaissance. Die heutigenForschungsaktivitäten sind mit dem Begriff „Organokatalyse“ bzw. „Metallfreie Katalyse“ verbunden. Es handeltsich dabei um eine Chemie, die ohne Metalle auskommt und sich sehr an die metallfreie Enzymkatalyse anlehnt.17A. Kirschning; Hannover

Organokatalyse (historisch)18• 1971 / 1974: Zwei Gruppen (Hajos und Parrish sowie Eder, Sauer und Wiechert) entdecken unabhängigvoneinander die asymmetrische Robinson-Annellierung eines achirale Triketons (meso-Verbindung), diedurch die Aminosäure L-Prolin katalysiert wird und eine hohe Ausbeute und gute Enantioselektivitätbietet.3 mol% L-ProlinOMe OODMF, 20°C, 20hO100%, 93% ee+bzw.O OOOOH1. Z.G. Hajos, D.R. Parrish: Asymmetric Synthesis of Bicyclic Intermediates of Natural Product Chemistry,J. Org. Chem. 1974, 39, 16152. U. Eder, G. Sauer, R. Wiechert: New Type of Asymmetric Cyclization to Optically Active Steroid CDPartial Structures, Angew. Chem., Int. Ed. 1971, 10, 496.• 2000: List, Lerner und Barbas III finden Prolin-Zentren in einer Aldolase und findendaraufhin eine Prolin-katalysierte, direkte, intermolekulare, asymmetrische Aldol-Reaktionzwischen Aceton und verschiedenen Aldehyden. Durch Verwendung von 20-30 mol% L-Prolin müssen keine vorgefertigten Enolate verwendet werden, wie sonst beiasymmetrischen Aldol-Reaktionen üblich.B. List, A. Lerner, C.F. Barbas III: Proline-Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions,J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 239518A. Kirschning; Hannover

Aldolasen (Typ 1 und Typ 2)1919A. Kirschning; Hannover

Der Enamin-Iminium-KatalysezyklusProlin bietet zwei mögliche Wege der Katalyse, als Iminium-Ion oder als Enamin. Die Katalyse über dieEnaminzwischenstufe erfolgt gemäß:20R 1 NHR 2ONCO 2 HOH + Elektrophil NukleophilR 1 N R2 R 1 N R2RR- H 2 OONHCO 2 HOH 2 ORNCO 2 HONO ORHHOROHfür C=NR (Mannich), C=C-COR (Michael)Der Katalysezyklus ähnelt dem der Klasse I Aldolasen in denen ebenfalls Aminogruppen und eineBrönstedtsäure vorliegen. Bemerkenswert ist, dass Prolin mit Ketonen sehr viel schneller reagiert als mitAldehyden.Problem: Unterdrückung von Selbstkondensationen des Aldehyds20A. Kirschning; Hannover

Postulierte Mechanismen für Aldol- und Mannich-Reaktionen21H OR 3R 2ArH NHH R 3R 2NHNHR 1R 1OOOOO OHanti-R 1 R 3R 2syn-ArO HNR 1 R 3R 2Metallfreier Zimmermann-Traxler-ähnlicher ÜbergangszustandAldol-ReaktionMannich-ReaktionZurück zu LactamenLactame sind cyclische Amide (Lactone entsprechend cyclische Ester); sie bilden sich leicht aus denentsprechenden g-, - und e-AminosäurenONHONHN OgLactam H Lactam eLactam21A. Kirschning; Hannover

Schwierig, aber wichtig:undHNROHNO OH HwegenNSCO 2 HCephalosporinLactame aus AminosäurenOAcOHH H HN SHO NOCO 2 HValinCysteinONThienamycinCO 2 HS NH 2Penicillin GLactam-Antibiotikaaus penicillum notatum(Fermentation)von A. FlemingDie Darstellung bereitete zunächst große Schwierigkeiten: - nucleophilfrei- keine starken Säuren22Mittlerweile sind jedoch viele Synthesewege bekannt!Historisch: nachSheehanRNH CO 2 HDCCRNHOOR'NHNR'RNON C NROHDCC = Dicyclohexylcarbodiimid:aktivierterEsterR'NHONHR'hydrolysierter DCC22A. Kirschning; Hannover

Mitsunobu-Variante (an a-Amino--Hydroxycarbonsäuren)23Bei der Mitsunobu-Reaktion handelt es sich um eine in situ Aktivierung einer Alkoholgruppe zu einer gutenFluchtgruppe, um eine Sn2-Substitution durchzufürhen. Dabei wird ein Phosphonium-Salz gebildet, dassdurch ein Nukleophil angreifbar ist. Andere Nukleophile wie Halogenide-Anionen führen zu Alkylhalogeniden.Man spricht dnn von der Appel-Reaktion.R 1 HNOOHR 2R 3OHMechanismus:EtO 2 CCO 2 EtN NMichael-TypAddition oderEingangsreaktionder Baylis-HilmanReaktion1. H 2 N OBn R 1 HN2. DCCPPh 3RAls Nucleophile können dienen:BzOH, Zn(N 3 ) 2 hier: OOOHR 2R 3NHOBnPh 3 P, DEADEtO 2 C CO 2 EtN NPPh 3NHOBnRCH 2 OHPhosphonium-IntermediatR 1 HNRONR 2R 3OBnEtO 2 C CO 2 EtN NH HNu+RCH 2 -O PPh 3H 2C Nu + O PPh 323A. Kirschning; Hannover

Zurück zu den Aminosäuren:Synthesen von enantiomerenreinen bzw. enantiomerenangereicherten Aminomosäuren24Enantioselektive Techniken:RCO 2 HHNH 2Nach Noyori:CO 2 HNH 2Enantioselektive HydrierungHCO 2 HHNH 2wasserentziehendeMittelPhCO 2 HPhEine perfekte Methode wäre die Alkylierung von Glycin.Hierfür müsste eine Deprotonierung in dera-Positionerreicht werden, andere acide Positionen blockiert werdenund das Elektrophil nur von einer Seite an das Enolatherangeführt wird.ONChiralePhosphan-Liganden L*OR CHOPhONaP PhPhP PhPhChira-PhosROPPPhH 3 COOCH 3PhDipampO OPd(0)L*Ph HNDifferenzierungder beiden Flächen R(aund ) durchden chiralen L* im KomplexOCH 3NHCO 2 HPPh 2RhPPh 2HOMeOMeHBF 4H 2 (3 bar) RTOHCH 3NHRHCO 2 HRR24A. Kirschning; Hannover

25Schöllkopf-Verfahren:L-ValinBF 4HNH 2HOOKondensationHNOCH 3H 3 C OCH 3N OCH 3OOHH 2 NGlycinONHMeerweinsalzCH 3 ONBuLiGlycin wird mit Valin kondensiert und anschließend die verbliebenen aciden Protonen durch Methylierungentfernt, wobei der Methyltransfer auf den Sauerstoff stattfindet und so die Bislactim-Ether gebildet werden.Nun kann der „Glycinteil“ deprotoniert werden, da hier die Bildung des Anions nicht durch einen +I Effekterschwert wird. Auf der Valin-Seite übt der Alkylrest diese Wirkung aus. Dieser aber schirmt die Unterseitedes cyclischen Anions ab, so dass das Elektrophil von oben (der -Seite) kommen muss.N OCH 3R-IN OCH 3HydrolyseOOCH 3CH 3 ONCH 3 ONR'H 2 NR'D-AminosäureNach Hydrolyse bilden sich die Methylester von Valin und der neuen Aminosäure. Aus Glycin ist dabeidie neue a-Aminosäure geworden. Wird L-Valin stereosteuernd eingesetzt erhält man D-Aminosäurenals Produkte.25A. Kirschning; Hannover

Strecker-Synthese26Bei der Strecker-Synthese handelt es sich um die Dreikomponenten-Reaktion eines Aldehyds mit einemprimären Amin in Anwesenheit einer Cyanid-Quelle. Hierbei bildet sich aus dem Amin und dem Aldehydzunächst das Imin, welches vom nukleophilen Cyanid angegriffen wird. Es entsteht ein a-Aminonitril. Inder a-Position entsteht dabei ein stereogenes Zentrum, wobei beide enantiomere Produkte in mit gleicherWahrscheinlichkeit erzeugt werden. Um nur ein Enantiomer bevorzugt zu erhalten, muss eine chirale Hilfeanwesend sein, sei es als Katalysator (Reagenz-kontrollierte stereoselektive Synthese), sei es im Aminoder im Aldehyd (Substrat-kontrollierte stereoselektive Synthese). Unten findet sich ein Beispiel für eineSubstrat-kontrollierte enantioselektive Synthese von a-Aminonitrilen. Durch saure oder basischeHydrolyse kann die Nitrilgruppe in eine Carbonsäure überführt werden.RHN HCNRCNH 2NRacematH 3 ORNH 2CO 2 HEnantioselektive Variante der Strecker-SyntheseHN S MeRHPhchirales Elementbestimmt, von welcherSeite das Cyanid angreiftRMeHS NH S PhH C NH 2eines von zweimöglichen DiastereomereRSH CNH 2Nnach Hydrierung undEntfernung der chiralenHilfsgruppe verbleibtein Enantiomer zurück26A. Kirschning; Hannover

2c. Peptidsynthese27Amino-TerminusH 2 NROum zum Tripeptidzu gelangen:NHR'OCarboxyl-TerminusOHDipeptidH 2 Ndarf nicht nukleophilsein, um gewünschtePeptidbindung zuerzeugenHROOHnicht elektrophilgenug um mit H 2 N-zu reagierenH 2 NHR'OOHHOR'YNRNHOORPeptide sind durch die Petidbindung (Amidbindung)charakterisiert. Sie stellt das verbindende Element fürdie beteiligten a-Aminosäuren dar.entwedernukleophilermachenoderelektrophilermachenBessere Option: Elektrophilie der Carbonylgruppe erhöhen:Für N:FürC O :- Eine die Nucleophilie bremsende Schutzgruppe die milde ablösbar ist.- Keine Spaltung der Peptidbindung bei der Entfernung der Schutzgruppe.- keine Racemisierung des stereogenen Zentrums.- Einen den Charakter hochtreibenden Substituenten (z.B. Cl), derauch passable Fluchtgruppeneigenschaften besitzt.- Trotz erhöhtem -Charakter keine Racemisierung27A. Kirschning; Hannover

Schutzgruppen für die Aminogruppe in Aminosäurena. Carbobenzoxy- (Benzyloxycarbonyl-) Schutzgruppe (Z- oder früher Cbz-Gruppe)28BlockierungDeblockierungPh O ClH 2 NRPhOHNRH 2H 2 NRBnOOCNO N NüberOoderOZ-GruppeOHOHNRCO 2OO NHRCH 3ZOBtBt = BenzotriazolBesser: + m-EffektH 3 COHb. tert-Butyloxycarbonyl-Schutzgruppe (Boc-Gruppe)BlockierungHHOOH 2 NROOClHN RDeblockierungCF 3 CO 2 H (kat.)OCH 3H 2 NRCO 2t-BuKann problematisch sein,da H zur Bildung vonführt, das selbst alkylierend fürz. B. Indolringe sein kann.28A. Kirschning; Hannover

c. Fluorenylmethoxycarbonyl-Schutzgruppe (Fmoc)29BlockierungDeblockierungH 2 NRPiperidinH 2 NR + CO 2 +OC(O)ClHNHOONRHd. Allyloxycarbonyl-Schutzgruppe (Alloc)BlockierungDeblockierungOClH 2 NRONHRPd°H 2 NR + CO 2 +OOüberONHRNuz. B. HPdSchutzgruppen für die Carboxylgruppe in AminosäurenONutert-ButylesterBlockierungDeblockierungHO 2 CR ,H O R H HO ROO29A. Kirschning; Hannover

Verfahren zur Knüpfung der Peptidbindung (Aktivierung der Carboxylgruppe)a. Säurechloride (altmodisch)OProblemeR- KetenbildungCl - Racemisierung30b. Gemischte AnhydrideOO- Unsymmetrie- sterischer Anspruch wichtigOOCl- gute Fluchtgruppe- geringe RacemisierungstendenzROROClc. Aktivierter Ester x=O,F, NO 2 und mehrfach O, F, NO 2ROOAkzeptorgruppeXROO CH 2CNundRON 3ausz. B. Pentafluorphenyl = PfpF FOFPhOOPOPhN 3RCO 2 HROOOP(OPh) 2N 3FF30A. Kirschning; Hannover

d. in situ Aktivierung (Isolierung nicht notwendig)O31N C NDCC (Dicyclohexylcarbodiimid)4-DMAP (4-Dimethylaminopyridin)e. Phosphonium oder Uronium-ReagenzienN(Me 2 N) 3 P O N NPF 6RCO 2RCO 2 HRH 2 NOR'NHNCO 2 CH 3CyCyROHN+ HarnstoffBOP=Benzotriazoloxy-tris-(dimethylamino)phosphonium-hexa-fluorophosphatOR 3 P X RC ONuPR 3 'POCNu + O PR 3R'CO 2 CH 331A. Kirschning; Hannover

Proteinbiosynthese im Ribosom32Die t-RNA fungiert als Matrix undNHn-2 Schutzgruppe für die Carbonsäure-Funktion bzw. als HNRAktivierung der Carbonsäure-FunktionOOHNNHOR nNHR n-1OOt-RNAn+1RWachsende PolypeptidketteNH 2OOt - RNA (n+1)HOt-RNAn-1 ROn+1RHNNHR n-2OR nOOt - RNA (n+1)Aminosäure-RestTransfer-RNAMessenger-RNAaus Voet /VoetRibosomBewegung der Ribosomenbewegungauf der mRNA32A. Kirschning; Hannover

Merrifield´s Festphasensynthese von Peptiden33Die klassische Durchführung der Peptidsynthese in Lösung ist mit Schwierigkeiten verbunden und zwar beider Isolierung, Reinigung und Charakterisierung von Intermediaten. 1963 beschrieb Bruce Merrifield erstmalsdie Festphasensynthese von Peptiden (Merrifield erhielt dafür den Nobelpreis).Konzept:LinkerXALinkerX AFiltration undWaschenBLinkerX ABFiltration undWaschenAbspaltungA BDas Polymer:XXXArArArArXStyrolArArArArXX= H, CH 2 OH, CH 2 SH, COCl, CH 2 NH 2CH 2 CN, Br, PPh 2 , CHO, CO 2 HDivinylbenzol33A. Kirschning; Hannover

Vorbereitung des Polymersa. Chlormethylierung H 2 C O / HCl (Blanc-Reaktion)b. NO 2NO 2ClCl34Durchführung der PeptidsyntheseNO 2ClR 4 N O 2 CR´NHBocdann R 4 N O 2 CCH 3 , um nichtumgesetztes Benzylchloridzu "cappen"NO 2R´´OOR´NHBocTrifluoressigsäureNO 2OOR´NH 2OOHNHBocDCC, 4-DMAPdann "cappen" nicht umgesetzterAminogruppen mit Ac 2 ONO 2OOR´NHOR´´NHBocHBrHOOR´NHONHBocR´´34A. Kirschning; Hannover

3. Weitere Coenzyme3a. ThiaminpyrophosphatN NOP 2 O 6SIn der Natur werden Reaktionen, die formal Acylanionen alsMe NIntermediate nutzen, durch Vitamin B1 (Thiamin) katalysiert.Das Coenzym enthält als katalytisch wirksame Komponente einen Thiazolium-Ring. Thiamin kommt inpflanzlichem und tierischem Gewebe (besonders in Hülsen von Reis, in Getreidekörnern, Hefe, Leber, Eiern,Milch, grünen Blättern, Wurzeln und Knollen) sowie als Stoffwechselprodukt vieler Bakterien vorwiegend alsThiamindiphosphat (TDP) vor. Als TDP ist es wirksam und zwar als Coenzym in vielen Enzymen.Insgesamt sind 25 enzymatische Reaktionen bekannt, an denen TDP beteiligt ist, in erster Linie amKohlenhydratmetabolismus und Energiestoffwechsel. Schlüsselenzyme sind die mitochondriale Pyruvat-Dehydrogenase, die die Verbindung zwischen der Glykolyse und dem Citronensäure-Cyclus bildet, der a-Oxoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (a-Ketoglutarat-Dehydrogenase) des Zitronensäure-Zyklus und diecytosolische Transketolase im Pentosephosphat-Cyclus.PPOMeSNRHPPOMeSNRMeOOHOPPOMeSNRNH 3Me OHOOHMe5-35PPOO- CO 2SNMeOHSCoAMe RPPOMeOSN ORPhMeHMeOPhO+ TPPOHMePhNH 235A. Kirschning; Hannover

36Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA (Einstieg in den Zitronensäurezyklus)HMeHMeNNpKs= 18NNNMeSThiaminpyrophosphatMeNNH HHNH HOMeSO P PO P PNNMeSMeSH 3 C C CO 2 HCarbenHOPyruvat (Brenztraubensäure)ODie direkte Deprotonierung istunter physiologischen Bedingungenschwer möglich – intra-Molekulare Deprotonierungnach Protonierung des benachbartenAminopyrimidinRings erleichtert dieses Schritt.CONMeSC OHMeSMeMeCoenzyme A(R SH)HSMeSNOSHMeNOHSOH 3 C C S ROAcetyl-Coenzym AHSHSHSOxidationSSRR = OH, LipoinsäureR =NHONHA. Kirschning; Hannover

Überblick über Thiaminpyrophosphat-katalysierte Reaktionen37ROOOROOHXROHHHOPO 32-HORNSPyrMeOPPHORNSPyrMeOPPR 2 OHROOHR 2ROO 22-OPO 3ROR 2HSR 2OCO 2OR 2CO 2OHRSR 2SSR 2ROSHSR 2M. Pohl, G. A. Sprenger, M. Müller, Curr. Opin. Biotechnol. 2004, 15, 335-342.37A. Kirschning; Hannover

Umpolungsreaktionen38Prinzip (Beispiel Grignard-Reagentien): R Br MgRMgBr1. Stetter-ReaktionDie Stetter-Reaktion bezeichnet eine Methode zur Herstellung von Diketonen, wobei neben Cyanid-Ionenauch 1,3-Heteroazolium-Salze z.B. Thiazolium-Salze als Katalysatoren verwendet werden. Diese Zusätzeführen zur Umpolung der Reaktivität der Aldehyd-Carbonyl-Gruppe. Bei nucleophiler Addition derKatalysatoren wird ein Zwischenprodukt gebildet, in dem das ursprüngliche Aldehyd-Proton acide ist und imGleichgewicht abgespalten werden kann. Es entsteht ein mesomeriestabilisiertes Carbanion, das alsNucleophil z. B. mit Michael-Akzeptoren reagiert. Bei den Thiazolium-Salzen wird auch ein Carben-Mechanismus diskutiert (Bildung von nukleophilen Carbenen durch Deprotonierung).Nu kat =R 1SOR 2NR 3NuONu OH OORRHRHRNuRO HOOR- Nu kat.ROOOR38A. Kirschning; Hannover

2. Benzoin-Kondensation39OHCNOOHPhüberOHCNundOHCN3. Hünig-VarianteR 1ROHMe 3 SiCNMe 3 SiORHCNLDAMe 3 SiOCNRLiIFMe 3 SiORR 1 CNFROR 139A. Kirschning; Hannover

4. Seebach-Dithioacetal-Methode40Dithiane sind cyclische Thioacetale, die durch Reaktion von Aldehyden oder Ketonen mit 1,3-Propandithiolgebildet werden. Das ursprüngliche Aldehyd-Wasserstoffatom wird durch diese Umsetzung acide.Eine übliche Erklärung für die Stabilisierung von Anionen durch Schwefel in Thioethern wird in derMöglichkeit gesehen, dass die negative Ladung des 2p-Orbitals partiell in die leeren 3d-Orbitale des Sabgelegt werden kann. Hierzu passt die ab initio Berechnung nicht, dass die C-S-Bindung in –CH 2 -SHlänger sein sollte als in CH 3 -SH. Bei Rückbindung sollte die Bindung eigentlich verkürzt sein.Stabilisierung von Thioethern (traditionell)(einfachste Beschreibung geht von Delokalisierungder negativen Ladung in die 3d-Orbitale von S aus)3d 2pEine alternative Erklärung ist eineDelokalisierung in das *-Orbital derbenachbarten C-S Bindung, waserklärt, warum das äquatoriale Protonacider als das axiale Proton ist undwarum das äquatoriale Anion ebenfallsstabiler ist. Diese Interpretation wirdheutzutage favorisiert.RS CH 2RS CHS S HDithianHBaseäquatorialesH ist acider!S S Hin *-Orbital40A. Kirschning; Hannover

Dithiane als stabile Acylanionen-Äquivalente41ROHSHSHH + oder BF 3RSHSBuLiRSLiS=AcylanionROElektrophiles CNukleophiles CR´-IRSSR´weichesElektrophilH 2 O, THF oderCH 3 CNROR´Hg(II)-Salze,MeI, NIS oder NBSPhI(O 2 CCF 3 ) 241A. Kirschning; Hannover

3b. Coenzym ACysteamin42Coenzym A ist ein komplexes Thio-Derivat,Das aus Cysteamin, Panthotensäure (Vitamin B 5und Adenosindiphosphat zusammengesetzt ist.Es dient zur Aktivierung von CarbonsäurenIndem diese unter ATP-Verbrauch in dieThiolester (SCoA-Ester) überführt werden.Pantoinsäure-PPantothensäure-PDie Größe des Schwefels verhindert eineeffektive Überlappung mit dem p-Systemder Carbonylgruppe des Esters. DadurchVerstärkt sich zum einen die CarbonylaktivitätGegenüber Nukleophilen als auch die a-CH-Acidität.Rß-AlaOHH 3 CC(CH 2 ) 2NHHN (CH 2 ) 2C OC OHC CH 3CH 2 OOPOSHNH 2NNN NO5'O P O CH 2OO1'O3'OPOAdo-3',5'-P 2Der überwiegende Teil des Moleküls ist nicht direkt an den Reaktionen beteiligt, sondern ermöglicht diemeist sehr spezifische Erkennung und Bindung durch das jeweilige Enzym. Neben zahlreichenTransacylierungsreaktionen wie z.B. die Bildung von Acetylphosphat, Acetylcholin u. N-Acylneuraminsäurenbeobachtet man oft auch Umwandlungen an der Acyl-Gruppe, während sie an CoA gebunden ist. Dazugehören unter anderem deren Oxidation (beim Fettsäure-Abbau), Reduktion zum Aldehyd sowie Reaktionender α-Methyl(en)-Gruppe wie Carboxylierung (bei der Fettsäure-Biosynthese) und Aldol-Additionen (z.B. beider Citrat-Synthese im Citronensäure-Cyclus).OSCoAOSCoADoppelbindungsregel:keine pp-pp Überlappung bei Elementender 3. PeriodeROOH42A. Kirschning; Hannover

3c. Biotin43HNHONHHVitamin H ist für die Fixierung von CO 2 verantwortlich und leitet CO 2 überein intermediäres Carbamat auf das Substrat (Carboxylierung). Z. B. wirdmit Hilfe einer Biotin-haltigen Carboxylase aus Acetyl-CoA Malonyl-CoAgebildet.SCO 2 HBiotin (Vitamin H)ATP + HCO 3ADP +HO POHOO OOHHNHONHHgemischtes Anhydridaus Kohlensäure undPhosphorsäureSCO 2 HOON 1 -CarboxybiotinHONHNHHMalonyl-CoA ist ein Essigsäure-Äquivalent,welches sowohl eine aktivierte Carbonylgruppeträgt (Thioester), als auch ein verbesserterVorläufer des Enolats (Carboxylgruppe) fürAldol- und Claisen-Reaktionen ist.CoASOCoASOSOOHCO 2 H+ BiotinMalonyl-CoA43A. Kirschning; Hannover

3d. Adenosin-triphosphat (ATP)44OO O OP O P O PO O OP P PNH 26 751NN82N 4 N935'O CH 2O4'1'OH OHAdoAdeRibAdenosintriphosphat besitzt zwei anhydridischePhosphat-Brücken, die großes ReaktionspotentialBesitzen. ATPhat vielfältige biochemische undphysiologische Bedeutungen. Aus biosynthetischerSicht aktiviert es Hydroxygruppen in Alkoholen undCarbonsäuren, die als Phosphate, Diphosphate oderNukleosidmono-, di- oder triphosphate diesenexzellente Abgangsgruppenqualität verleihen (ähnlichTosylaten, Triflaten oder Intermediaten der Mitsunobu-Reaktion bzw. Aktivestern in der chemischen Synthese).Die Adenosinphosphate haben häufig Mg 2+ alsGegenkationen .AMPADPATPAdenosintriphosphat (ATP)OO OPO OP OOCH 2 OOP OOMg 2+ NH 2NNN NOHOHMg-ATP-Komplex44A. Kirschning; Hannover

3e. S-Adenosylmethionin (SAM)45SAM ist ein wichtiger Methyl-Gruppendonor im Stoffwechsel. Es geht dabei in S-Adenosylhomocystein über. Dieses spaltet Adenosin ab und wird über L-Homocystein u. L-Methionin wieder zu S-Adenosyl-methionin regeneriert.ChemischeAnalogie:Senfgas einChemischerKampfstoff45A. Kirschning; Hannover

3f. Nicotinamid-dinukleotid (NAD + )46Im Organismus spielt NAD(P) [ähnlich wie Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD) und Flavinmononucleotid(FMN) bei der Mehrzahl der unter Dehydrierung und Hydrierung verlaufenden Prozesse die Rolledes Wasserstoff-Überträgers. Dabei wird NAD + , das in vivo überwiegend in der oxidierten Formvorliegt, im Katabolismus (z.B. Glycolyse) reduziert und speist schließlich den Wasserstoff in dieAtmungskette ein. NADP + , das mehr in der reduzierten Form vorliegt, wie sie z.B. bei derPhotosynthese gebildet wird, liefert die im Anabolismus benötigten Reduktionsäquivalente (z.B. beiFettsäure-Biosynthese). Bei diesen Redox-Reaktionen geht der Nicotinamid-Teil durch Aufnahmeeines Hydrid-Ions (H −) in ein 1-substituiertes 1,4-Dihydronicotinsäureamid über. Es handelt sich hierstets um einen Zwei-Elektronen-Schritt. Es gibt re- (pro-R)- und si- (pro-S)-spezifische Enzyme, dieden Wasserstoff H R bzw. H S übertragen.A. Kirschning; Hannover 46

„Tricarbonyl“, sehr elektronenarm(leicht reduzierbar)„Entriamin“, sehr elektronenreich(leicht oxidierbar)49Die beiden locker gebundenen Wasserstoff-Atome des Reduktionsproduktes FADH 2können wiederumauf ein Substrat höheren Oxidationspotentials transferiert werden. Diese Redox-Funktion übt FAD –zusammen mit FMN – in über 70 bekannten Enzymen aus, die zudem zur Wirksamkeit häufig nochSpuren-Elemente wie Kupfer, Eisen u. Mangan benötigen (Atmungskette, Citronensäure-Cyclus, Pyruvat-Dehydrogenase). Im Gegensatz zum ebenfalls sehr häufig in Dehydrogenasen cokatalytisch wirksamenNicotinamid-Adenin-Dinucleotid(-Phosphat), das Wasserstoff-Atome nur nach ionischem Mechanismusübertragen kann (Hydrid-Übertragung), sind beim FAD- sowie beim FMN-System auchEinelektronenschritte u. radikal. Zwischenstufen möglich.Reaktionen an denen FAD / FMN bzw. FADH 2 / FMNH 2 beteiligt sind:a.b.c.RRRXOHNH 2OFADFADH 2FADFADH 2FADFADH 2RRRXOHOHOd.e.f.OHRSH SHOFADFADFADH 2FADSOHSOg. NADHFADNAD +FADH 2OHRO49A. Kirschning; Hannover

Oxidasen:Oxidasen entfernen Wasserstoff aus Substraten und übertragen sie entweder auf O 2 oder H 2 O 2(letztere Enzyme werden auch Peroxidasen genannt).50OHOxidaseOOHOxidaseOOHOOHOortho-Chinonpara-ChinonOxygenasen:Oxygenasen katalysieren die Addition von molekularem Sauerstoff an das Substrat. Man unterscheidetMono- und Dioxygenasen (bezieht sich auf die Zahl der eingebauten O-Atome). Bei Monooxygenasen wirdDas zweite O-Atom auf Wasserstoffdonoren wie NADH, NADHP oder Ascorbinsäure (Vitamin C) übertragen.Berühmte Beispiele: Cytochrom P-450.Monooxygenasen:HO 2 , NADPHOHHO 2 , NADPHOHO 2 , NADPHOH 3 COOHO 2 , NADPHOOüberHO CHOH2OHH 2 COOMechanistische Betrachtungen:RRRRRHHHOHArenoxidHOHHydrid-VerschiebungOHOH50A. Kirschning; Hannover

Dioxygenasen:Dioxygenasen übertragen beide O-Atome in O 2 auf das Substrat (über Dioxetane).51O 2O OO OO 2OOCHOCHOOHCHO 2COHOOOHOHO2OHOHO 2HOOOOHCO 2 HCO 2 HEinige Dioxygenasen verwenden zwei Substrate und übertragen je ein O-Atom in die Substrate. Hierzugehören z. B. die 2- Oxoglutarat-abhängigen Dioxygenasen.2-OxoglutaratBernsteinsäure (Succinat)51A. Kirschning; Hannover

52Aminoxidasen (Monoaminoxidasen und Diaminoxidasen):Aminoxidasen überführen Amine in Aldehyde. Monoaminoxidasen verwenden dabei FAD und molekularenSauerstoff (über Imin-Zwischenstufe) während Diaminoxidasen verwenden Diamine als Substrate. Dabeiwird nur ein Amin oxidiert, so dass eine intramolekulare Iminbildung (Cyclisierung) erfolgen kann (sieheauch Biosynthese von Alkaloiden).FAD, O 2 NH 3OR NH 2RMonoaminoxidaseH 2 NnHH 2 O, O 2 N2 H 2 O 2 , NH 3NH 2DiaminoxidaseOn- H 2 ONnBaeyer-Villiger Oxidationen:Die biochemische Baeyer-Villiger Oxidation erfolgt mit Cytochrom P450-haltigen oder FAD-abhängigenEnzymen. Das zusätzliche Sauerstoffatom kommt von O 2 .OO 2 , NADPHOHO O O-EnzR 1 O R2R 1 R 2(HOOEnz) R 1 R 252A. Kirschning; Hannover

Phenolische oxidative Kupplungen:Phenolische Kupplungen erfolgen über Prozesse mit freien Radikalen. Oxidasen, auch Peroxidasen könnenin der Natur diese Radikalkupplungen bewirken. Auch hier spielt Cytochrom P-450 eine wichtige Rolle(mit NADPH, O 2 ), obwohohl kein Sauerstoff ins Substrat eingebaut wird.53OHO O O-H- e -OOOOOOOOHOHOHOHOH53A. Kirschning; Hannover

3h. Folate - Vitamin B9 (der Formaldehyd-Fänger“)54Folat wird synonym zu Pteroylglutamat gebraucht, Folateist der Sammelbegriff für alle Folsäure-wirksamen Verbindungenund bezeichnet eine Substanzklasse, die einen mit 4-Aminobenzoesäureund L-Glutaminsäure verbundenen Pteridin-Ringenthält.Hierzu zählen die Folsäure selbst(Pterolylglutaminsäure, PteGlu), 7,8-Dihydrofolat (H2Folat, DHF), 5,6,7,8-Tetrahydrofolat (H4Folat, THF, Coenzymund die eigentlich vitaminwirksameForm) und 5-Methyltetrahydrofolat(CH3-H4Folat, MeTHF). Folate nehmenim menschlichen Organismus alsCoenzym und Methyl-Gruppen-Donoreine zentrale Rolle im Metabolismusvon Aminosäuren, Purinen undThymidin, dem sog. C1-Metabolismusein. Für andere Methyl-Übertragungenbei Biosynthese steht das aus L-Methionin entstehende S-Adenosylmethionin (SAM) als Donor zurVerfügung.54A. Kirschning; Hannover

Mechanismus des Formaldehyd-Transfers aus Serin5555A. Kirschning; Hannover

3h. Folate - Vitamin B9 (der „Formaldehyd-Fänger“)56Oder alternativer Weg(siehe nächste Seite)56A. Kirschning; Hannover

Bildung von Methionin aus Homocystein5757A. Kirschning; Hannover

3i. Cobalamine Vitamin B 1258Coenzyme bestehend aus einem Corrin-Gerüst mit 3-wertigemCobalt als Zentralatom und einem über D-Ribofuranose-3-phosphat -glycosidisch gebundenen 5,6-Dimethylbenzimidazol-Rest. In verschiedenen Cobalaminen kann das Zentralatomdurch milde Reduktionsmittel zu Cobalt(II) reduziert werden; dasresultierende System heißt Cob(II)-alamin oder B 12r, ist an der α-Position unsubstituiert und paramagnetisch. StärkereReduktionsmittel reduzieren zu Cob(I)-alamin (auch: B 12s,diamagnetisch; beide axiale Positionen sind dann unbesetzt).HXPropionyl-CoA(aus Fettsäure-Abbauungeradzahliger Fettsäuren)MeOSCoABiotinMeOSCoAR=ONNH 2 NNNCO 2 HMethylmalonyl-CoADismutase (Coenzym B12)OHO 2 CHSuccinyl-CoASCoAOH OH5-Desoxyadenosylcobalamin(Coenzym B 12 )Auch R= CN, OH, H 2 O, NO 2 , Me58A. Kirschning; Hannover