Fremstilling af SNS Cobalt (II) Pincer Model komplekser af leveralkohol Dehydrogenase
Summary
Udarbejdelsen af SNS pincer cobalt (II) model komplekser af leveralkohol dehydrogenase præsenteres her. Komplekserne kan fremstilles ved at reagere på ligandforløberen med CoCl2·6H2O og kan derefter omkrystalliseres ved at tillade diethylether langsomt at sprede sig til en acetonitrilopløsning, der indeholder koboltkomplekset.
Abstract
Kemiske modelkomplekser er parat etil til at repræsentere det aktive sted for et enzym. I denne protokol, en familie af tridentat pincer ligand prækursorer (hver besidder to svovl og en kvælstof donor atom funktionaliteter (SNS) og baseret på bis-imidazol eller bis-triazol forbindelser) er metallated med CoCl2·6H2O råd tridentatS pincer kobolt (II) komplekser. Forberedelse af kobolt (II) model komplekser for leveralkohol dehydrogenase er letkøbt. Baseret på en hurtig farveændring ved tilføjelse af CoCl2·6H2O til acetonitril opløsning, der indeholder ligand forløberen, de komplekse former hurtigt. Dannelsen af metalkomplekset er komplet efter at have tilladt opløsningen at refluks natten over. Disse kobolt(II) komplekser tjener som modeller for zink aktive sted i leveralkohol dehydrogenase (LADH). Komplekserne er karakteriseret ved hjælp af enkelt krystal X-ray diffraktion, elektrospray massespektrometri, ultraviolet synlig spektroskopi, og elementær analyse. For præcist at bestemme strukturen af komplekset, skal dens enkelt krystal struktur bestemmes. Enkelte krystaller af de komplekser, der er egnet til x-ray diffraktion dyrkes derefter via langsom damp diffusion af diethyl ether i en acetonitril opløsning, der indeholder kobolt (II) kompleks. For høj kvalitet krystaller, recrystallization typisk finder sted over en 1 ugers periode, eller længere. Metoden kan anvendes til udarbejdelse af andre modelkoordinationskomplekser og kan anvendes i undervisningslaboratorier under en bachelor. Endelig menes det, at andre kan finde denne omkrystallisering metode til at opnå enkelt krystaller til gavn for deres forskning.
Introduction
Formålet med den præsenterede metode er at forberede små molekyle analoger af LADH for yderligere at forstå den katalytiske aktivitet af metalloenzymer. LADH er et dimeric enzym, der indeholder et cofaktor-bindende domæne og zink (II) metalholdigt katalytisk domæne1. LADH, i nærværelse af co-faktor NADH, kan reducere ketoner og aldehyder til deres respektive alkohol derivater2. Ved tilstedeværelse af NAD+kan LADH udføre omvendt katalyse af oxidation af alkoholer til ketoner og aldehyder2. Krystalstrukturen af LADH’s aktive site viser, at dens zink (II) metal center er bundet til et kvælstofatom, leveret af en histidin sidekæde og to svovlatomer og tilbydes af to cystein ligander3. Yderligere forskning har vist, at zink metal center er ligated med en labile vandmolekyle, hvilket resulterer i pseudo-tetrahedral geometri omkring metal center4.
Vi har tidligere rapporteret og udnyttet SNS pincer ligand prækursorer samt metallated ligand prækursorer med ZnCl2 til at danne Zn (II) komplekser, der indeholder tridentat ligand forløber5,6,7. Disse ligandprækursorer er vist i figur 1. Disse zink(II) komplekser udstillet aktivitet for stoichiometric reduktion af elektron-fattige aldehyder og er således model komplekser for LADH. Efterfølgende er der rapporteret om syntese og karakterisering af en række kobber(I) og kobber(II) komplekser, der indeholder SNS ligand prækursorer, 8,9,10.
Selvom LADH er et zink(II) enzym, er vi interesseret i at forberede kobolt(II) modelkomplekser af LADH for at opnå mere spektroskopiske oplysninger om LADH’s koboltanaloger(II). Koboltens(II) komplekser er farvede, mens zinkkomplekserne er off-white. Da koboltkomplekserne er farvede, kan der opnås ultraviolette synlige spektre af komplekserne, hvor der også kan indsamles oplysninger om ligandfeltets styrke i koboltkomplekser(II). Ved hjælp af oplysninger fra gaussiske beregninger og de eksperimentelt opnåede ultraviolette synlige spektre kan der udledes oplysninger om ligandfeltets styrke. Kobolt(II) er en god erstatning for zink(II), da begge ioner har lignende ioniske radier og lignende Lewis surhedsgrad11,12.
Den præsenterede metode indebærer syntese og karakterisering model komplekser at forsøge at efterligne den naturlige katalytiske adfærd LADH5,6. Vi har tidligere metallated en familie af ligand prækursorer med ZnCl2 til at danne zink (II) model komplekser af LADH, som modelleret struktur og reaktivitet af zink aktive sted i LADH4. Gennem flere eksperimenter har disse pincer ligands vist sig at være robuste under forskellige miljøforhold og har været stabile med en forskelligartet samling af tilknyttede R-grupper. 5,5.
Tridentatligands er at foretrække i forhold til monodentate ligander, fordi de har vist sig at være mere vellykket med metaldannelse på grund af de stærke chelate virkninger af tridentat ligands. Denne observation skyldes en mere begunstiget entropi af tridentat pincer ligand dannelse i forhold til en monodentate ligand13. Desuden tridentat pincer ligands er tilbøjelige til at forhindre dimerisering af metal komplekser, som er begunstiget, fordi dimerisering sandsynligvis vil bremse katalytisk aktivitet af en kompleks14. Således ved hjælp af tridentat pincer ligands har vist sig vellykket i organometallic kemi i udarbejdelsen af katalytiske aktive og robuste komplekser. SNS pincer komplekser er blevet mindre undersøgt end andre pincer systemer, som pincer komplekser indeholder normalt anden og tredje række overgang metaller15.
Denne forskning på metalloenzymer kan bidrage til at fremme forståelsen af deres enzymatiske aktivitet, som kan anvendes på andre områder i biologi. Denne metode til syntese model komplekser i forhold til den alternative metode (syntetisering hele protein et LADH) er gunstig for en række årsager. Den første fordel er, at modelkomplekser har en lav molekylmasse og stadig er i stand til præcist at repræsentere katalytisk aktivitet og miljøforhold på det naturlige enzyms aktive sted. For det andet er modelkomplekser enklere at arbejde med og producere pålidelige og relatable data.
Dette manuskript beskriver den syntetiske forberedelse og karakterisering af to kobolt (II) pincer model komplekser af LADH. Begge komplekser har en pincer ligand, der indeholder svovl, kvælstof og svovldonoratomer. Det første kompleks (4) er baseret på en imidazol forløber, og den anden (5) er baseret på en triazol forløber. Komplekserne viser reaktivitet for stoichiometri reduktion af elektron fattige aldehyder i overværelse af en brint donor. Disse reaktivitetsresultater vil blive rapporteret i et efterfølgende manuskript.
Protocol
Representative Results
Discussion
Forberedelsen af komplekserne 4 og 5 er letkøbt. Det vigtigste skridt er at tilføje den faste CoCl2·6H2O til en acetonitril opløsning, der indeholder de respektive ligand forløber. Opløsningen bliver mørkegrøn inden for få sekunder efter tilsætning af CoCl2·6H2O til dannelse af kompleks 4. Opløsningen bliver lyseblå efter tilsætning af CoCl2·6H2O til at danne kompleks 5. For…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
John Miecznikowski modtaget finansiel støtte fra følgende for dette projekt: Connecticut NASA Space Grant Alliance (Award Number P-1168), Fairfield University Science Institute, College of Arts and Sciences Publication Fund, Fairfield University Faculty Summer Research Stipendium, og National Science Foundation-Major Research Instrumentation Program (Grant Number CHE-1827854) for midler til at erhverve en 400 MHz NMR spektrometer. Han takker også Terence Wu (Yale University) for hjælp til at erhverve elektrospray massespektre. Jerry Jasinski anerkender National Science Foundation-Major Research Instrumentation Program (Grant Number CHE-1039027) for midler til at købe en X-ray diffractometer. Sheila Bonitatibus, Emilse Almanza, Rami Kharbouch og Samantha Zygmont anerkender Hardiman Scholars Program for at give deres sommerforskning stipendium.
Materials
| 100 mL Round Bottomed Flask | Chem Glass | CG150691 | 100mL Single Neck Round Bottomed Flask, 19/22 Outer Joint |
| Acetonitrile | Fisher | HB9823-4 | HPLC Grade |
| Chiller for roto-vap | Lauda | L000638 | Alpha RA 8 |
| Cobalt Chloride hexahydrate | Acros Organics | AC423571000 | Acros Organics |
| Diethyl Ether | Fisher | E-138-1 | Diethyl Ether Anhydorus |
| graduated cylinder | Fisher | S63456 | 25 mL graduated cylinder |
| hotplate | Fisher | 11-100-49SH | Isotemp Basic Stirring Hotplate |
| jars | Fisher | 05-719-481 | 250 mL jars |
| Ligand | —– | —– | Synthezied previously by Professor Miecznikowski |
| medium cotton balls | Fisher | 22-456-80 | medium cotton balls |
| one dram vials | Fisher | 03-339 | one dram vials with TFE Lined Cap |
| pipet | Fisher | 13-678-20B | 5.75 inch pipets |
| pipet bulbs | Fisher | 03-448-21 | Fisher Brand Latex Bulb for pipet |
| recrystallizing dish for sand bath | Fisher | 08-741 D | 325 mL recrystallizing dish for sand bath |
| reflux condensor | Chem Glass | CG-1218-A-22 | Condenser with 19/22 inner joint |
| Rotovap | Heidolph Collegiate | 36000090 | Brinkmann; Heidolph Collegiate Rotary Evaporator with Heidolph WB eco bath Heidolph Rotary Evaporator |
| sea sand for sandbath | Acros Organics | 612355000 | washed sea sand for sand bath |
| Stir bar | Fisher | 07-910-23 | Egg-Shaped Magnetic Stir Bar |
| Vacum grease | Fisher | 14-635-5D | Dow Corning High Vacuum Grease |
| vacuum pump for rotovap | Heidolph Collegiate | 36302830 | Heidolph Rotovac Valve Control |
Riferimenti
- Holm, R. H., Kennepohl, P., Solomon, E. I. Structural and Functional Aspects of Metal Sites in Biology. Chemical Reviews. 96 (7), 2239-2314 (1996).
- Ibers, J. A., Holm, R. H. Modeling coordination sites in metallobiomolecules. Science. 209 (4453), 223-235 (1980).
- Kannan, K. K., et al. Crystal structure of human erythrocyte carbonic anhydrase B. Three-dimensional structure at a nominal 2.2-A resolution. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 72 (1), 51-55 (1975).
- Eklund, H., Brändén, C. I. Structural differences between apo- and holoenzyme of horse liver alcohol dehydrogenase. Journal of Biological Chemistry. 254, 3458-3461 (1979).
- Miecznikowski, J. R., et al. Syntheses, Characterization, Density Functional Theory Calculations and Activity of Tridentate SNS Zinc Pincer Complexes. Inorganica Chimica Acta. 376, 515-524 (2011).
- Miecznikowski, J. R., et al. Syntheses, Characterization, Density Functional Theory Calculations, and Activity of Tridentate SNS Zinc Pincer Complexes Based on Bis-Imidazole or Bis-Triazole Precursors. Inorganica Chimica Acta. 387, 25-36 (2012).
- Sunderland, J. R., et al. Investigation of liver alcohol dehydrogenase catalysis using an NADH biomimetic and comparison with a synthetic zinc model complex. Polyhedron. 114, 145-151 (2016).
- Miecznikowski, J. R., et al. Synthesis and characterization of three- and five-coordinate copper(II) complexes based SNS ligand precursors. Polyhedron. 80, 157-165 (2014).
- Miecznikowski, J. R., et al. Synthesis, Characterization, and Computational Study of Three-Coordinate SNS Copper(I) Complexes based on Bis-Thione Ligand Precursors. Journal of Coordination Chemistry. 67, 29-44 (2014).
- Lynn, M. A., et al. Copper(I) SNS Pincer Complexes: Impact of Ligand Design and Solvent Coordination on Conformer Interconversion from Spectroscopic and Computational Studies. Inorganica Chimica Acta. 495, (2019).
- . Web Elements Available from: https://www.webelements.com/zinc/atom_sizes.html (2019)
- . Web Elements Available from: https://www.webelements.com/cobalt/atom_sizes.html (2019)
- Caballero, A., Díez-Barra, E., Jalón, F. A., Merino, S., Tejeda, J. 1,1′-(pyridine-2,6-diyl)bis(3-benzyl-2,3-dihydro-1H-imidazol-2-ylidine), a new multidentate N-heterocyclic bis-carbene and its silver(I) complex derivative. Journal of Organometallic Chemistry. 617-618, 395-398 (2001).
- Albrecht, M., van Koten, G. Platinum Group Organometallics Based on “Pincer” Complexes: Sensors, Switches, and Catalysis. Angewandte Chemie International Edition. 40 (20), 3750-3781 (2001).
- Peris, E., Crabtree, R. H. Key factors in pincer ligand design. Chemistry Society Reviews. 47, 1959-1968 (2018).
- Dolomanov, O. V., Bourhis, L. J., Gildea, R. J., Howard, J. A. K., Puschmann, H. A complete structure, solution, refinement, and analysis program. Journal of Applied Crystallography. 42, 339-341 (2009).
- Sheldrick, G. M. Integrated Space Group and Crystal Structure Determination. Acta Crystallography. 71, 3-8 (2015).
- Sheldrick, G. M. Crystal Structure Refinement with SHELXL. Acta Crystallography. 71, 3-8 (2015).
- Pauling, L. Metal-metal bond lengths in complexes of transition metals. Proceedings of the National Academies of the Sciences of the United States of America. 73, 4290-4293 (1976).
- Trzhtsinskaya, B. V., Abramova, N. D. Imidazole-2-Thiones: Synthesis, Structure, Properties. Sulfur Reports. 10 (4), 389 (1991).
- Schneider, G., Eklund, H., Cedergren-Zeppezauer, E., Zeppezauer, M. Crystal structure of the active site in specifically metal-depleted and cobalt substituted horse liver alcohol dehydrogenase derivatives. Proceedings of the National Academies of the Sciences of the United States of America. 80, 5289-5293 (1983).
- Yang, L., Powell, D. R., Houser, R. P. Structural variation in copper(I) complexes with pyridylmethylamide ligands: structural analysis with a new four-coordinate geometry index, τ4. Dalton Transactions. , 955-964 (2007).
