Utarbeidelse av SNS Kobolt (II) Pincer Modell Komplekser av Leveralkohol Dehydrogenase
Summary
Utarbeidelsen av SNS pincer kobolt(II) modellkomplekser av leveralkohol dehydrogenase presenteres her. Kompleksene kan tilberedes ved å reagere på ligandforløperen med CoCl2·6H2O og kan deretter rekrystalliseres ved å la dietyeher sakte spre seg til en acetonitrileløsning som inneholder koboltkomplekset.
Abstract
Kjemiske modellkomplekser er forberedt på å representere det aktive stedet for et enzym. I denne protokollen, en familie av tridentate pincer ligand forløpere (hver besitter to svovel og en nitrogen donor atom funksjonalitet (SNS) og basert på bis-imidazol eller bis-triazole forbindelser) er metallated med CoCl2·6H2O å råd tridentate SNS pincer kobolt (II) komplekser. Tilberedning av kobolt(II) modellkomplekser for leveralkohol dehydrogenase er facile. Basert på en rask fargeendring ved å legge til CoCl2·6H2O til acetonitrile løsning som inneholder ligand forløperen, danner komplekset raskt. Dannelsen av metallkomplekset er fullført etter at løsningen kan bli refluks over natten. Disse kobolt(II) komplekser tjene som modeller for sink aktive stedet i leveren alkohol dehydrogenase (LADH). Kompleksene er karakterisert ved hjelp av enkelt krystall røntgendiffraksjon, elektrospraymassespektromi, ultrafiolett synlig spektroskopi og elementær analyse. For å nøyaktig bestemme strukturen av komplekset, må den seneste krystallstrukturen bestemmes. Enkeltkrystaller av kompleksene som er egnet for røntgendiffraksjon dyrkes deretter via langsom dampdiffusjon av diettyleter til en acetonitrileløsning som inneholder kobolt(II) komplekset. For krystaller av høy kvalitet foregår rekrystallisering vanligvis over en 1 ukes periode, eller lenger. Metoden kan brukes på utarbeidelse av andre modell koordineringskomplekser og kan brukes i lavere undervisninglaboratorier. Til slutt, Det antas at andre kan finne denne rekrystallisering metoden for å få enkeltkrystaller gunstig for sin forskning.
Introduction
Formålet med den presenterte metoden er å forberede småmolekylanaloger av LADH for å forstå katalytisk aktivitet av metalloenzymer ytterligere. LADH er et dimeric enzym som inneholder et kofaktorbindende domene og sink (II) metallholdig katalytisk domene1. LADH, i nærvær av co-faktor NADH, kan redusere ketoner og aldehyder til sine respektive alkoholderivater2. I nærvær av NAD+kan LADH utføre omvendt katalysere av oksidasjon av alkoholer til ketoner og aldehyder2. Krystallstrukturen til LADh sin aktive side viser at dets sink (II) metallsenter er bundet til ett nitrogenatom, levert av en histidinsidekjede og to svovelatomer og tilbys av to cysteinligander3. Videre forskning har vist at sink metallsenteret er ligated med et labile vannmolekyl, noe som resulterer i pseudo-tetrahedral geometri rundt metallsenteret4.
Vi har tidligere rapportert og utnyttet SNS pincer ligand forløpere samt metallert ligand forløperne med ZnCl2 å danne Zn (II) komplekser som inneholder tridentate ligand forløperen5,6,7. Disse ligandforløperne er vist i figur 1. Disse sink (II) komplekser utstilt aktivitet for stoichiometric reduksjon av elektron-fattige aldehyder og er dermed modell komplekser for LADH. Deretter har syntesen og karakteriseringen av en rekke kobber(I) og kobber (II) komplekser som inneholder SNS ligand forløpere blitt rapportert8,9,10.
Selv om LADH er et sink(II) enzym, er vi interessert i å forberede kobolt(II) modellkomplekser av LADH for å få mer spektroskopisk informasjon om kobolt (II) analoger av LADH. Kobolt(II) komplekser er farget, mens sink (II) komplekser er off-white. Siden kobolt(II) komplekser er farget, ultrafiolett synlig spektra av kompleksene kan oppnås, der informasjon om styrken av ligand feltet i kobolt (II) komplekser kan også samles. Ved å bruke informasjon fra gaussiske beregninger og eksperimentelt innhentet ultrafiolett synlig spektra, kan informasjon om styrken i ligandfeltet utledes. Kobolt(II) er en god erstatning for sink(II), siden begge ionene har lignende ioniske radier og lignende Lewis-syrer11,,12.
Den presenterte metoden innebærer å syntetisere og karakterisere modellkomplekser for å forsøke å etterligne den naturlige katalytiske oppførselen til LADH5,6. Vi har tidligere metallert en familie av ligand forløpere med ZnCl2 for å danne sink (II) modellkomplekser av LADH, som modellerte strukturen og reaktiviteten til sink aktive området i LADH4. Gjennom flere eksperimenter har disse pincer ligandene vist seg å være robuste under ulike miljøforhold og har holdt seg stabile med en mangfoldig samling av vedlagte R-grupper. 5,6(andre kan være på)
Tridentate ligands er å foretrekke i forhold til monodentate ligands, fordi de har blitt funnet å være mer vellykket med metallering på grunn av de sterke chelate effektene av tridentate ligands. Denne observasjonen skyldes en mer favorisert entropi av tridentatpincer ligand dannelse i forhold til en monodentate ligand13. Videre er tridentate pincer ligands sannsynlig å hindre dimerization av metallkomplekser, som favoriseres fordi dimerization er sannsynlig å bremse katalytisk aktivitet av et kompleks14. Dermed, ved hjelp av tridentate pincer ligands har vist seg vellykket i organometallisk kjemi i utarbeidelsen av katalytiske aktive og robuste komplekser. SNS pincer komplekser har blitt mindre studert enn andre pincer systemer, som pincer komplekser vanligvis inneholder andre og tredje rad overgang metaller15.
Denne forskningen på metalloenzymer kan bidra til å fremme forståelsen av deres enzymatiske aktivitet, som kan brukes på andre områder i biologi. Denne metoden for å syntetisere modellkomplekser sammenlignet med den alternative metoden (syntetisere hele proteinet til LADH) er gunstig av flere grunner. Den første fordelen er at modellkomplekser er lave i molekylær masse og fortsatt er i stand til nøyaktig å representere katalytisk aktivitet og miljøforhold i det naturlige enzymets aktive område. For det andre er modellkomplekser enklere å arbeide med og produsere pålitelige og relatable data.
Dette manuskriptet beskriver syntetisk forberedelse og karakterisering av to kobolt (II) pincer modell komplekser av LADH. Begge kompleksene har en pincer ligand som inneholder svovel, nitrogen og svoveldonoratomer. Det første komplekset (4) er basert på en imidazol forløper, og den andre (5) er basert på en triazol forløper. Kompleksene viser reaktivitet for stoichiometry reduksjon av elektron fattige aldehyder i nærvær av en hydrogendonor. Disse reaktivitetsresultatene vil bli rapportert i et påfølgende manuskript.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utarbeidelsen av komplekser 4 og 5 er facile. Hovedtrinnet er å legge til den solide CoCl2·6H2O til en acetonitrile løsning som inneholder den respektive ligandforløperen. Løsningen blir mørk grønn i løpet av sekunder etter tillegg av CoCl2·6H2O for å danne kompleks 4. Løsningen blir lys blå etter tillegg av CoCl2·6H2O for å danne kompleks 5. For å sikre fullstendig reaksjon…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
John Miecznikowski fikk økonomisk støtte fra følgende for dette prosjektet: Connecticut NASA Space Grant Alliance (Award Number P-1168), Fairfield University Science Institute, College of Arts and Sciences Publication Fund, Fairfield University Fakultet Summer Research Stipend, og National Science Foundation-Major Research Instrumentation Program (Grant Number CHE-1827854) for midler til å kjøpe en 400 MHz NMR spektrometer. Han takker også Terence Wu (Yale University) for hjelp til å skaffe elektrospray masse spektra. Jerry Jasinski anerkjenner National Science Foundation-Major Research Instrumentation Program (Grant Number CHE-1039027) for midler til å kjøpe en røntgendiffractometer. Sheila Bonitatibus, Emilse Almanza, Rami Kharbouch og Samantha Zygmont anerkjenner Hardiman Scholars Program for å gi sitt sommerforskningsstipend.
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 |
References
- 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).
