Computational Studies on the Rearrangement Reactions of Some Biologically Relevant Radicals
In der vorliegenden Arbeit sind intramolekulare Umlagerungen von biologisch wichtigen Radikalen mit Hilfe von theoretischen Methoden untersucht worden. (I) Die Ionisierung von Valeramid und die sich daran anschließende Umlagerung bzw. Fragmentierung des Radikalkations wurden mit quantenchemischen Methoden untersucht. Die energetisch bevorzugte Umlagerung umfasst zunächst eine g-C H Bindungsaktivierung mit anschließender McLafferty-Umlagerung. Die anderen energetisch tiefliegenden Kanäle beginnen mit einer d-C H und b-C H Bindungsaktivierung und führen zu spezifischen Umlagerungen, die ebenfalls im Detail analysiert worden sind. Trotz vieler Übereinstimmungen zwischen den theoretischen und experimentellen Ergebnissen, konnten statische Rechnungen keine Erklärung für den ungewöhnlichen Temperatureffekt des Dissoziationskanals des Valeramid-Radikalkations liefern, der in massenspektrometrischen Experimenten festgestellt wurde. Deswegen wurden molekulardynamische Rechnungen nach Car-Parrinello durchgeführt, und zwei Erklärungsmöglichkeiten für den ungewöhnlichen Temperatureffekt konnten vorgeschlagen werden. (II) Die Umlagerung von 2-Aminoethanol, die von Coenzym B12-abhängiger Ethanolamin-Ammonia-Lyase katalysiert wird, ist mit theoretischen Methoden untersucht worden. Zwei Hauptumlagerungswege, die über freie Radikale verlaufen, wurden detailliert analysiert, und nur die direkte Migration der protonierten Aminogruppe und die direkte Eliminierung des Ammoniumions haben sich als mögliche Wege der 2-Aminoethanol-Deaminierung herausgestellt. Der Einfluss des aktiven Zentrums des Enzyms auf die Energetik der Umlagerung wurde ebenfalls untersucht, wobei die Wechselwirkung zwischen dem Substrat und einigen Aminosäuren (Asp/Glu and His) modelliert wurde. Unabhängig von der Natur des die NH2-Gruppe protonierenden Moleküls, ist die intramolekulare Migration der NH3-Gruppe energetisch günstiger als die Eliminierung von NH4+. Partielle Protonierung wie auch eine partielle Deprotonierung der OH-Gruppe des Substrats verlaufen "katalytisch", da alle berechneten Aktivierungsenthalpien niedriger sind als die für die Umlagerung des "freien" Substrats. Trotzdem überschreiten sie die Aktivierungsenthalpie des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes (d.h. die Wasserstoffabstraktion aus 5'-Deoxyadenosin durch das Produktradikal). Nur im Fall eines synergistischen Zusammenspiels von partieller Protonierung der NH2-Gruppe und partieller Deprotonierung der OH-Gruppe mit den zwei möglichen katalytischen Hilfsgruppen (Asp/Glu und His) ist die Aktivierungsentalpie kompatibel mit den experimentellen Ergebnissen. Ein solches synergistisches Zusammenspiel von zwei katalytischen Gruppen ist in dem physiologisch realistischen pH- Bereich 6 9.5 möglich. Im Gegensatz zur oben genannten Umlagerungsreaktion ist für die die Gesamtreaktion einleitende Wasserstoffabspaltung aus 2-Aminoethanol durch das 5'-Deoxyadenosylradikal bereits eine partielle Protonierung ausreichend, um die Aktivationsbarriere genügend abzusenken.
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