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An Allosteric Synthetic Catalyst: Metal Ions Tune the Activity of an Artificial Phosphodiesterase

2001; Wiley; Volume: 7; Issue: 6 Linguagem: Inglês

10.1002/1521-3765(20010316)7

1521-3765

Igor O. Fritsky, Reina Ott, Hans Pritzkow, Roland Krämer,

Pneumocystis jirovecii pneumonia detection and treatment

The first abiotic allosteric catalyst with a well defined catalytic and allosteric subunit could be synthesized, see trinuclear complex 1. Preorganization of two functional Cu2+ ions is modulated by the nature of the structural metal Ms. For Ms = Cu2+ the catalytic rate constant for the cleavage of an activated phosphodiester is 77 times larger than for Ms = Pd2+. A trinuclear metal complex of general formula (L−H)Ms(Mf)2 represents the first allosteric low molecular weight catalyst. L is a polyaza ligand having a tetradentate and two bidentate metal binding sites, Ms is a “structural” (allosteric) metal, and Mf are functional (catalytic) metals which interact with a substrate. In mononuclear [(L−H)Ms]+ complexes [(L−H)Cu(MeOH)]ClO4 (1 a), [(L−H)Cu]NO3⋅2 H2O (1 b), [(L−H)Ni]ClO4⋅4 H2O (2), and [(L−H)Pd]ClO4⋅2 H2O (3), prepared from L and M2+ salts, the metal is strongly bound by an in-plane N4-coordination (confirmed by X-ray crystal structure determination of 1 a). Formation of trinuclear complexes [(L−H)MsCu2]5+, with two functional Cu2+ ions coordinated to the bidentate sites of L, was evidenced in solution by photometric titration and by isolation of [(L−H)Cu3][PO4][ClO4]2⋅9 H2O (4). The trinuclear complexes catalyze the cleavage of RNA-analogue 2-(hydroxypropyl)-p-nitrophenyl phosphate (HPNP), an activated phosphodiester. From a kinetic analysis of the cleavage rate at various HPNP concentrations, parameters KHPNP (the equilibrium constant for binding of HPNP to [(L−H)MsCu2]5+ and kcat (first-order rate constant for cleavage of HPNP when bound to the catalyst) were derived: KM=170 (Ms=Cu2+), 340 (Ms=Ni2+), 2600 (Ms=Pd2+) M−1, kcat=17×10−3 (Ms=Cu2+), 3.1×10−3 (Ms=Ni2+), 0.22×10−3 (Ms=Pd2+) s−1. Obviously, the nature of the allosteric metal ion Ms strongly influences both substrate affinity and reactivity of the catalyst [(L−H)MsCu2]5+. Our interpretation of this observation is that subtle differences in the ionic radius of Ms and in its tendency to distort the N4−Ms coordination plane have a significant influence on the conformation of the catalyst (i.e., preorganization of functional Cu2+ ions) and thus on catalytic activity. Der erste allosterische niedermolekulare Katalysator ist ein dreikerniger Metallkomplex der allgemeinen Formel (L−H)Ms(Mf)2. L steht für einen Polypyridyl-Liganden mit einer vierzähnigen und zwei zweizähnigen Chelateinheiten; Ms ist ein strukturelles (allosterisches) Metallion, und Mf sind funktionelle (katalytische) Metallionen, die direkt mit dem Substrat in Wechselwirkung treten. In den einkernigen [(L−H)Ms]+-Komplexen [(L−H)Cu(MeOH)]ClO4 (1 a), [(L−H)Cu]NO3⋅2 H2O (1 b), [(L−H)Ni]ClO4⋅4 H2O (2) und [(L−H)Pd]ClO4⋅2 H2O (3), dargestellt aus L und M2+-Salzen, wird das Metallion durch N4-Koordination (für 1 a bestätigt durch eine Kristallstrukturanalyse) stark gebunden. Die Bildung der dreikernigen Komplexe [(L−H)MsCu2]5+, in denen zwei funktionelle Cu2+-Ionen an die zweizähnigen Bindungsstellen von L koordiniert sind, wurde in Lösung durch photometrische Titrationen und durch die Isolierung von [(L−H)Cu3][PO4][ClO4]2⋅9 H2O (4) nachgewiesen. Die dreikernigen Komplexe katalysieren die Spaltung des RNA-Analogons 2-(Hydroxypropyl)-p-nitrophenylphosphat (HPNP), eines aktivierten Phosphodiesters. Die Gleichgewichtskonstante KHPNP für die Bindung von HPNP an [(L−H)MsCu2]5+, und die Geschwindigkeitskonstante erster Ordnung kcat für die Spaltung von HPNP, das an den Katalysator gebunden ist, wurden aus der kinetischen Analyse der Spaltungsgeschwindigkeit bei verschiedenen HPNP-Konzentrationen bestimmt: KHPNP=170 (Ms=Cu2+), 340 (Ms=Ni2+), 2600 (Ms=Pd2+) M−1, kcat=17×10−3 (Ms=Cu2+), 3.1×10−3 (Ms=Ni2+), 0.22×10−3 (Ms=Pd2+) s−1. Offensichtlich wird sowohl die Substrataffinität als auch die Aktivität des Katalysators [(L−H)MsCu2]5+ durch die Natur des allosterischen Metallions Ms stark beeinflusst. Nach unserer Ansicht ist dies darauf zurückzuführen, dass bereits geringfügige Unterschiede im Ionenradius von Ms und dessen Neigung, die N4–Ms Koordinationsebene zu verzerren, starken Einfluss auf die Konformation des Katalysators (d.h. die Präorganisation der funktionellen Cu2+-Ionen) und damit auf die katalytische Aktivität haben.