Reakcje chemiczne w żywych komórkach zachodzą z bardzo dużą

Nr wniosku: 169762, nr raportu: 18841. Kierownik (z rap.): dr Piotr Paweł Zarzycki
Reakcje chemiczne w żywych komórkach zachodzą z bardzo dużą szybkością i wydajnością dzięki
współudziale biochemicznych, białkowych katalizatorów – enzymów. Te biologiczne reakcje często
zachodzą w odpowiednio ukształtowanym fragmencie enzymu (kieszeni), który zawiera jon metalu oraz
konfiguracją aminokwasów sprzyjającą odpowiedniemu zorientowaniu reagujących molekuł. W wielu
procesach enzymatycznych, kluczowe jest przeniesienie elektronu - z metalu na substrat lub odwrotnie
(proces redoks). Wypadkową procesu jest zmiana stopnia utlenienia metalu (np. dla żelaza Fe(II)↔Fe(III)),
ale często ligandy współuczestniczą w transferze ładunku. Podobne procesy są wykorzystywane w
katalizatorach przemysłowych – niestety ze znacznie mniejszą wydajnością.
Od lat chemicy starają się – choć wciąż bezskutecznie - zsyntetyzować katalizatory podobne do
tych występujących biologicznie. Najważniejszą przeszkodą jest niedostatecznie zrozumiały proces
przeniesienia ładunku na poziomie molekularnym. Badania prowadzone w projekcie pomogły zrozumieć
rolę metalu oraz jego otoczenia - ligandów w przeniesieniu ładunku zarówno w procesach enzymatycznych
jak i w prototypowych układach metaloorganicznych (tzn. związków z wiązaniem metal – węgiel). Te
ostatnie są strukturalnie znacznie prostsze od enzymów, a jednocześnie idealne do badania mechanizmu
transferu elektronu ze współudziałem ligandów.
W naszym projekcie skupiliśmy uwagę właśnie na aktywności redoks ligandów w znanych
procesach enzymatycznych transferu elektronu oraz w utlenianiu najprostszych związków
metaloorganicznych – związków alkilowych cynku, boru, glinu i galu.
Nasze badania pokazały, że otoczenie metalu jest zawsze aktywne redoks i bierze udział w
przepływie ładunku nawet, gdy to zmiana stopnia utlenienia metalu jest ostateczną wypadkową reakcji.
Dowodzi to, że przepływ ładunku jest znacznie bardziej skomplikowany niż przypuszczano – i otoczenie
metalu współuczestniczy w dynamiczny ale trudny do uchwycenia eksperymentalie sposób.
Nasze badania pokazały również, jak ważną rolę pełni zatłoczenie w środowisku reakcji. Woda
wypełniająca kieszeń enzymu, zatłoczona w tunelu utworzonym przez membranowe białka, czy między
dwoma hydrofobowymi ścianami bardzo różni się właściwościami od wody jaką znamy. Zatłoczenie
sprawia, że mobilność cząsteczek i ich wzajemne ułożenie jest silnie skorelowane. Dalekozasięgowe
oddziaływania elektrostatyczne pomagają w odpowiednim uporządkowaniu cząsteczek wody w otoczeniu
substratów lub powstanie elektrostatycznego połączenia między odległymi fragmentami enzymu (np.
tworząc łańcuch cząsteczek wody przewodzących ładunek między dwoma centrami metalicznymi).
Podobnie, w przypadku prostych związków metaloorganicznych pokazaliśmy, że rozpuszczalnik
wpływa na reaktywność redoks ligandów – efekt dotychczas nierozpatrywany. Pokazaliśmy, że proste
związki metaloorganiczne trialkilowe (tj. MR3, gdzie metal M = B, Al, Ga, i alkil R = metyl, etyl, t-butyl)
występują prawie wyłącznie jako dimery (MR3)2 - o stabilności zależnej od polarności rozpuszczalnika.
Dimeryzacja aktywuje wybrane wiązania metal-węgiel na oddanie elektronu dyktując strukturę powstałych
produktów. Nasze badania eksperymentalne reakcji MR3 z utleniaczami (diiminy, diketonami, chinonami)
potwierdziły, że to struktura elektronowa a nie czynniki steryczne odgrywa decydującą rolę w
kierunkowości podstawienia. Co więcej, dalsze produkty utleniania produktów reakcji ZnR2 z diiminami,
diketonami i chinonami z wykorzystaniem O2 potwierdziły, że początkowa aktywacja wiązań jest
propagowana w dalszych reakcjach. W ten sposób otrzymaliśmy szereg nowych związków
metaloorganicznych z wiązaniem Zn-O-O-C, które mają duży potencjał jako katalizatory.
Nasze badania rzuciły nowe światło na aktywność redoks ligandów koordynujących metal w
enzymach i prostych związkach metaloorganicznych, pokazując, że nawet pozornie nieaktywne ligandy
biorą udział w przeniesieniu ładunku w procesach biologicznych. Pokazaliśmy, że nawet cząsteczki wody
mogą stać się aktywne redoks w zatłoczonym środowisku kieszeni enzymu. Rozpuszczalnik, agregacja,
dimeryzacja zmieniają reaktywność ligandów, aktywując jedynie wybrane wiązania i przez to zmieniają
ścieżkę reakcji.