Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Elektrochemische Desoxygenierung von Carbonsäureamiden und verwandten Verbindungen an der dekorierten Bleikathode

Zusammenfassung der Dissertation, Carolin Edinger, April 2015. Im Rahmen der Dissertation ist eine effiziente und zuverlässige Methode zur elektrochemischen Desoxygenierung von aromatischen Carbonsäureamiden entwickelt worden (Schema 1).[1] Unter galvanostatischen Bedingungen eignet sich das optimierte Elektrolytsystem bestehend aus 2%iger methanolischer H2SO4 und geringen Mengen an Additiv 1 in Kombination mit einer Bleikathode hervorragend in dem gewählten geteilten Zellaufbau. Schema 1: Elektrochemische Desoxygenierung aromatischer Carbonsäureamide. Untersuchungen an verschiedensten Amidsubstraten haben gezeigt, dass ein breites Spektrum an Aminen mit dieser Methode zugänglich ist und durch umfangreiche Studien konnten optimale Elektrolyseparameter gefunden werden. Außerdem wurde die Hochskalierung der Ansatzgröße an einem Testsubstrat mit hohen Aminausbeuten von bis zu 73% gewährleistet. Ein besonderes Merkmal der entwickelten Synthese ist neben milden Bedingungen und hoher Selektivität die Verwendung von Ammoniumsalzadditiven. Der positive Effekt dieser Additive auf die Desoxygenierungsreaktion ist vielfältig: Die Wasserstoffentwicklung als unerwünschte Nebenreaktion wird zu negativeren Potentialen verschoben und die Bleikathode wird durch Zurückdrängung der PbSO4-Bildung effektiv vor Korrosion geschützt. Dies konnte durch experimentelle Werte wie die Erhöhung der Produkt- und Stromausbeute durch Additivzusatz während der Elektrolyse hinreichend bestätigt werden. Aber auch zyklovoltammetrische Untersuchungen und Lichtmikroskopaufnahmen der Elektrodenoberfläche bekräftigen eindeutig diese Aussagen.[2,3] Die entwickelte elektrochemische Methode konnte zusätzlich erfolgreich auf Verbindungen übertragen werden, die mit Carbonsäureamiden verwandt sind. So gelang es, aromatische und aliphatische Sulfoxide in sehr guten Ausbeuten selektiv zu den entsprechenden Sulfiden umzusetzen. Zusätzlich konnten bereits bei weiteren, durch klassische Methoden schwer reduzierbare Stoffklassen erste Erfolge erzielt werden. So gelang es, den Grundstein zur Reduktion von Estern und Triphenylphosphinoxid zu legen und erste, vielversprechende Ergebnisse zu erlangen. Da Elektronen als Reduktionsmittel eingesetzt werden und lediglich Wasser als Nebenprodukt gebildet wird, zeichnet sich die entwickelte Desoxygenierungsmethode vor allem durch milde Bedingungen und hohe Selektivität aus. Da weder Reagenzien noch Katalysatoren verwendet werden müssen, werden Abfälle vermieden. Dadurch ist die gefundene Reduktionsmethode nicht nur kostengünstig, sondern erweist sich auch in der Reaktionsführung als vorteilhaft. Literatur: [1] C. Edinger, S. R. Waldvogel, Eur. J. Org. Chem. 2014, 2014, 5144–5148. [2] C. Edinger, V. Grimaudo, P. Broekmann, S. R. Waldvogel, ChemElectroChem 2014, 1, 1018–1022. [3] C. Edinger, S. R. Waldvogel, PCT Int. Appl. 2013, WO 2013030316A2.