 |
Bioinspirált fémion-ligandum rendszerek egyensúlyi -, redoxi- és fotoiniciált reakcióinak vizsgálata
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
128326 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Lihi Norbert |
| magyar cím |
Bioinspirált fémion-ligandum rendszerek egyensúlyi -, redoxi- és fotoiniciált reakcióinak vizsgálata |
| Angol cím |
Investigations of equilibrium-, redox- and photoinduced reactions of metal-ligand systems inspired by nature |
| magyar kulcsszavak |
fémion, ligandum, egyensúly, fotokémia |
| angol kulcsszavak |
metal ion, ligand, equilibrium, photochemistry |
| megadott besorolás |
| Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | | Ortelius tudományág: Fizikai kémia |
|
| zsűri |
Kémia 1 |
| Kutatóhely |
TTK Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék (Debreceni Egyetem) |
| résztvevők |
Fábián István
|
| projekt kezdete |
2018-10-01 |
| projekt vége |
2021-09-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
15.807 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
3.00 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A fehérjék legfontosabb fémionkötő helyei az egyes aminosavegységek oldalláncai. A metalloenzimek aktív centrumában a fémionok ezen oldalláncokhoz kötődve képesek sav-bázis vagy redoxi folyamatok katalízisére. Ahhoz, hogy a katalizált folyamatok mechanizmusát megismerhessük, elengedhetetlen kisebb tagszámú modellpeptidek különböző redoxi aktív fémionokkal való kölcsönhatásának tanulmányozása. Kutatásunk során azt vizsgáljuk, hogy a komplexek koordinációs módja és stabilitása hogyan befolyásolja a katalizált redoxireakciók mechanizmusát, sebességét. Munkánk három nagy részre osztható:
(i) Oxidoreduktáz és szuperoxid-dizmutáz enzimmodellek kifejlesztése tervezetten változtatatott peptidszekvenciákkal. Felderítjük, hogyan befolyásolja a fémion és a ligandum közötti kölcsönhatás a peptidkomplexek redoxi folyamatait.
(ii) Több fémiont tartalmazó fém koronaéterek redoxireakcióinak leírása. A szervezetben megtalálható redoxi enzimek nagy hányada több fémiont is tartalmaz aktív centrumában, amelyek olyan entatikus állapotban vannak, amelyben a vegyértékváltás könnyen megvalósul. Ezeknek a rendszerek jó modelljei azok a fém koronaéter komplexek, amelyek akár 4 fémközpontot is tartalmazhatnak. Itt a kiterjedt delokalizált elektronrendszer segítségével az oxidáció és a redukció könnyen végbemegy.
(iii) Fémpeptid-komplexek fotokémiai reakcióinak mechanizmus-vizsgálata. Gerjesztés hatására végbemenő kötés-átrendeződéseket és redoxireakciókat tanulmányozunk, különös tekintettel az átmeneti állapot szerkezetére, élettartamára és a fémközpont szabályzó hatására. Új kísérleti protokollt dolgozunk ki SOD aktivitás mérésére.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Habár a modern bioszervetlen kémiái kutatásoknak köszönhetően számos enzim funkciója jól ismert, sok esetben a reakciók során képződő komplexek egyensúlyi- és redoxi folyamatai tisztázatlanok, vagy pontosításra szorulnak. Például a legújabban felfedezett nikkel-SOD enzimnek már számos modellvegyületét előállították, de az aktív centrum részletes egyensúlyi vizsgálatára mai napig nem került sor.
Arra keressük a választ, hogy milyen kapcsolat van a fémion-peptid komplexek koordinációs módjai és redoxi folyamatai között, hogyan befolyásolható egy adott redoxireakció sebessége a fémionhoz koordinálódó donorcsoportok szisztematikus változtatásával? Milyen pontossággal vizsgálhatók elméleti kémiai módszerekkel a kialakuló komplexek spektroszkópiai tulajdonságai? Lehetséges-e a redoxireakcióban résztvevő elektronátmenetek egzakt megadása a fémion oldaláról?
Hidroxámsav funkciós csoportot tartalmazó vegyületekkel kialakítunk többmagvú fém koronaétereket, és vizsgáljuk, hogyan hat több fémion együttes jelenléte az olyan redoxi folyamatokra, mint a hidrogén-peroxid bomlása, vagy a szuperoxid-gyökanion dizmutálása. Ezáltal olyan új enzimutánzó oxidoreduktázok előállítására nyílik lehetőség, amelyek egyrészt katalizátorként szolgálhatnak, másrészt segíthetik megérteni az említett enzimek működési mechanizmusát. Vizsgálataink során nagy hangsúlyt fektetünk az átmeneti állapotok jellemzésére is.
Olyan fotoiniciált reakciókat kívánunk megvalósítani, amelyben valamilyen fényérzékeny aminosavegységet építünk a peptidláncba, és vizsgáljuk, hogyan változnak a fotoreakciók fémion jelenlétében, illetve távollétében.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A bioszervetlen kémiai fejlődése szempontjából elengedhetetlen új és bonyolultabb szerkezetű fémion-peptid komplexek vizsgálata, ugyanis ezek az alapkutatások segítik a nagyszámú aminosavból felépülő metalloproteinek és metalloenzimek funkcióinak és működési mechanizmusának megismerését. A fémion szabályzó szerepének mélyebb megértése pedig nem csak az enzimaktivitás serkentéséhez, hanem szükség szerint annak inhibíciójához is fontos lehet. Ezek az eredmények alapjául szolgálhatnak új biokatalizátorok tervezéséhez. A modellvegyületek által katalizált redoxifolyamatok tanulmányozásákor nagy hangsúlyt fektetünk az átmeneti állapotok megismerésére, amelyek segíthetik a katalizált reakciók finomhangolását a központi fémion elektronikus tulajdonságainak módosításával. Itt nagy szerepe van az elméleti kémiai számításoknak is, amelyek a fémion molekulapályáinak analízisével járulhatnak hozzá ezen ismeretekhez.
Fotoiniciált reakciókban olyan reaktív köztitermékek előállítására van lehetőség, amelyek összetett reakciórendszerek részfolyamatainak vizsgálatát teszik lehetővé. Így felderíthető összetett folyamatok részletes mechanizmusa. Fontos továbbá, hogy ezek a folyamatok hogyan változnak különböző fémionok jelenlétében. Az átmeneti állapotok értelmezése itt is nagy jelentőségű mind koordinációs, mind pedig bioszervetlen kémiai vonatkozásban.
A kutatómunkához a nagy múltra visszatekintő Bioszervetlen Kémiai és MTA-DE Redoxi és Homogén Katalitikus Reakciók Mechanizmus Kutatócsoportok szolgáltatják azt a tapasztalatot és infrastruktúrát, amely lehetővé teszi a tervezett ismeretek megszerzését. A nagyszámú spektroszkópiai technika (UV-Vis, fluorimetria, CD, NMR, ESR, ESI-TOF MS) lehetővé teszi mind a kiindulási fémkomplexek, mind pedig a köztitermékek és hosszú élettartamú átmeneti állapotok jellemzését. A meglévő fotoreaktor rendszer, illetve a villanófény-fotolízis készülék pedig fotoreakciók megismeréséhez alkalmazható.
A kinetikai vizsgálatokban nagy szerepe lesz az olyan gyorskinetikai eszközöknek (stopped-flow, szekvenciális- és quenched stopped-flow készülékek), amelyek szub-szekundumos tartományban teszik lehetővé a reakciók követését.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A biokémiai folyamatok megismeréséhez elengedhetetlen olyan fémion-bioligandum rendszerek vizsgálata, amelyek egy-egy enzim aktív centrumát modellezik. Így a pályázati időszakban olyan fémion-peptid rendszerek vizsgálatát tűzzük ki célul, amelyek a szervezetben lezajló oxidációs és redukciós folyamatokat katalizálják. Az ebből nyerhető információk hozzájárulnak olyan hatékony biokatalizátorok fejlesztéséhez, amelyeknek ipari vonatkozása is lehet. Ehhez olyan szisztematikus vizsgálatokra van szükség, ahol mind a fémion elektronikus sajátságait, mind pedig a hozzá kötődő biomolekula tulajdonságait változtatjuk. Így egy összefoglaló képet kaphatunk arról, hogy milyen tényezők szükségesek egy biokémiai redoxifolyamat katalíziséhez és melyek azok a kulcsfontosságú körülmények, amelyek elengedhetetlenek azok megvalósulásához.
Fény hatására egy reakciórendszer viselkedése jelentős mértékben megváltozhat. Így fontos kérdés annak a tisztázása, hogyan viselkedik egy fotokémiai folyamat fémion jelenlétében, illetve távollétében.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The side chains of amino acids are the most important metal binding sites in proteins. Bound metal ions act as catalysts for acid-base or redox processes in metalloenzymes. In order to gain a deeper understanding on the mechanism of these processes, the investigation of the interaction of redox active metal ions with short model peptides is indispensable. In this study we aim to describe the influence of the stability and the coordination environment of the complexes on the mechanism of the catalysed redox reactions. The planned work can be divided into 3 subtasks:
(i) Development of oxidoreductase and superoxide dismutase models based on systematically designed peptide ligands. Understanding the relationship between the structure of metal-ligand complexes and their redox activity.
(ii) Describing the mechanism of selected redox reactions of metallocrown structures. A huge number of metalloenzymes contain more than one metal centers. These metal ions are in entatic states that facilitate the change of their oxidation numbers. Metallocrowns are adequate models of these enzymes, because they can contain up to 4 metal centers, and this delocalized electron system effectively promotes oxidation and reduction reactions.
(iii) Understanding the mechanism of photochemical reactions of metal ion peptide complexes. We aim to investigate the photon induced molecular rearrangements and redox reactions of metal complexes with a special emphasis on the effect of the metal ion on the lifetime and the structure of transient species. New experimental protocols will be designed to measure SOD activity.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The function and the structure of a huge number of enzymes are well-known, although, in some cases the equilibrium and redox properties of these systems are not clarified. For example, several model compounds were developed for the most recently discovered NiSOD enzyme, although, the detailed equilibrium study of the active site has not been carried out.
Our main goal is to find the relationship between the coordination mode of metal peptide complexes and their redox processes. How does the systematic modification of the peptide chain influence the rate constants of the redox processes? How accurate theoretical predictions can be made for the spectroscopic behaviour of the metal complexes based on the electronic transitions involved in the interactions?
Polynuclear metallocrown complexes will be synthesized from hydroxamic acids, and the effect of these complexes will be investigated on the decomposition of hydrogen peroxide and on the dismutation of superoxide. This gives the possibility to design new oxidoreductase enzyme mimetics and may help to understand the mechanism of enzyme catalysed processes. We will put a significant emphasis on the characterization of transient species.
Photon induced redox reactions will be studied where light sensitive amino acid residues will be built into the peptide sequences. The photoreactions of these peptides will be investigated in the presence and in the absence of metal ions.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
From the bioinorganic chemistry point of view, it is very important to investigate new and complicated metal ion – peptide complex systems, because this research gives deeper insights into the functions of metalloproteins and metalloenzymes built from a large number of amino acids. Understanding the fine-tuning effect of metal ions is important not only for enhancing enzyme activity, but also for developing new inhibitors. The results can lead to the discovery of new biocatalysts. Identifying transient species in redox reactions helps to attain control over the catalysed reactions via the modification of the electronic behaviour of metal ions. In this case, theoretical studies can play a key role through the analysis of molecular orbital compositions.
Reactive intermediates can be prepared in photon induced reactions. This makes it possible to investigate elementary processes in complex redox systems, and thus, helps to understand the mechanisms of complicated reactions. One of the key points is to understand how these processes change in the presence of metal ions.
The planned project is based on the broad expertise of the Bioinorganic Research Group and the MTA-DE Redox and Homogeneous Catalytic Reaction Mechanisms Research Group at the University of Debrecen. There are several available spectroscopic techniques (UV-vis, fluorimetry, CD, NMR, EPR, ESI-TOF MS) to characterize the complexes, the intermediates and the long-life transients. A custom-made photoreactor system and a flash-photolysis instrument is available for the investigation of photoreactions.
In the case of kinetic investigations, fast kinetic methods (stopped-flow, sequential stopped-flow and quenching stopped-flow) will be used that are able to follow reactions in the sub-seconds time range.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In order to obtain deeper insights into biochemical processes, it is indispensable to investigate metal ion-bioligand systems that model enzyme active sites. In the framework of the present grant, our main goal is to study such metal-peptide systems that can catalyse biologically relevant redox processes. The results facilitate the development of new and efficient biocatalysts that may even have industrial relevance. To complete these investigations, systematic studies are needed where both the electronic structure of the metal ion and the characteristics of the biomolecules will be modified. Based on our results, we can highlight the key factors necessary for the optimal catalysis of selected biochemical processes.
Furthermore, the behaviour of a chemical systems may significantly change upon irradiation by light. In this case, the key point is to clarify how the photon induced chemical reactions behave in the presence and in the absence of metal ions.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Lihi, Norbert ; Kelemen, Dóra ; May, Nóra V. ; Fábián, István: The Role of the Cysteine Fragments of the Nickel Binding Loop in the Activity of the Ni(II)-Containing SOD Enzyme, INORGANIC CHEMISTRY 59 : 7 pp. 4772-4780., 2020 | | Lukács Márton, Szunyog Györgyi, Grenács Ágnes, Lihi Norbert, Kállay Csilla, Di Natale Giuseppe, Campagna Tiziana, Lanza Valeria, Tabbi Giovanni, Pappalardo Giuseppe, Sóvágó Imre, Várnagy Katalin: Copper(II) Coordination Abilities of the Tau Protein's N‐Terminus Peptide Fragments: A Combined Potentiometric, Spectroscopic and Mass Spectrometric Study, CHEMPLUSCHEM 84 : 11 pp. 1697-1708., 2019 | | Kelemen, Dóra ; May, Nóra V. ; Andrási, Melinda ; Gáspár, Attila ; Fábián, István ; Lihi, Norbert: High enzyme activity of a binuclear nickel complex formed with the binding loops of the NiSOD enzyme, CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL Paper: chem.202002706, 2020 | | Csire Gizella, Kolozsi András, Gajda Tamás, Pappalardo Giuseppe, Várnagy Katalin, Sóvágó Imre, Fábián István, Lihi Norbert: The ability of the NiSOD binding loop to chelate zinc( ii ): the role of the terminal amino group in the enzymatic functions, DALTON TRANSACTIONS 48: (18) pp. 6217-6227., 2019 | | Bunda Szilvia, May Nóra V., Bonczidai-Kelemen Dóra, Udvardy Antal, Ching H. Y. Vincent, Nys Kevin, Samanipour Mohammad, Van Doorslaer Sabine, Joó Ferenc, Lihi Norbert: Copper(II) Complexes of Sulfonated Salan Ligands: Thermodynamic and Spectroscopic Features and Applications for Catalysis of the Henry Reaction, INORGANIC CHEMISTRY 60: (15) pp. 11259-11272., 2021 | | Garda Zoltán, Molnár Enikő, Hamon Nadège, Barriada José Luis, Esteban-Gómez David, Váradi Balázs, Nagy Viktória, Pota Kristof, Kálmán Ferenc Krisztián, Tóth Imre, Lihi Norbert, Platas-Iglesias Carlos, Tóth Éva, Tripier Raphaël, Tircsó Gyula: Complexation of Mn(II) by Rigid Pyclen Diacetates: Equilibrium, Kinetic, Relaxometric, Density Functional Theory, and Superoxide Dismutase Activity Studies, INORGANIC CHEMISTRY 60: (2) pp. 1133-1148., 2021 | | Najóczki Ferenc, Szabó Mária, Lihi Norbert, Udvardy Antal, Fábián István: Synthesis and Characterization of 1,10-Phenanthroline-mono-N-oxides, MOLECULES 26: (12) p. 3632., 2021 | | Tóth-Molnár Enikő, Lihi Norbert, Gál Gyula Tamás, De Sourav, Bombicz Petra, Bányai István, Szikra Dezső, Dénes Eleonóra, Tircsó Gyula, Tóth Imre, Kálmán Ferenc Krisztián: Exploring Cyclic Aminopolycarboxylate Ligands for Sb(III) Complexation: PCTA and Its Derivatives as a Promising Solution, INORGANIC CHEMISTRY 60: (18) pp. 14253-14262., 2021 | | Csire Gizella, Kolozsi András, Gajda Tamás, Pappalardo Giuseppe, Várnagy Katalin, Sóvágó Imre, Fábián István, Lihi Norbert: The ability of the NiSOD binding loop to chelate zinc( ii ): the role of the terminal amino group in the enzymatic functions, DALTON TRANSACTIONS 48: (18) pp. 6217-6227., 2019 | | Lihi Norbert, Csire Gizella, Szakács Bence, May Nóra V., Várnagy Katalin, Sóvágó Imre, Fábián István: Stabilization of the Nickel Binding Loop in NiSOD and Related Model Complexes: Thermodynamic and Structural Features, INORGANIC CHEMISTRY 58: (2) pp. 1414-1424., 2019 | | Lihi Norbert: STRUCTURAL DIVERSITY OF TRANSITION METAL COMPLEXES OF PEPTIDES CONTAINING CYSTEINE RESIDUE, LA CHIMICA E L'INDUSTRIA 6: pp. 60-63., 2018 | | Lihi Norbert, Bunda Szilvia, Udvardy Antal, Joó Ferenc: Coordination chemistry and catalytic applications of Pd(II)–, and Ni(II)–sulfosalan complexes in aqueous media, JOURNAL OF INORGANIC BIOCHEMISTRY 203: 110945, 2020 | | Sciortino Giuseppe, Maréchal Jean-Didier, Fábián István, Lihi Norbert, Garribba Eugenio: Quantitative prediction of electronic absorption spectra of copper(II)–bioligand systems: Validation and applications, JOURNAL OF INORGANIC BIOCHEMISTRY 204: 110953, 2020 | | Lihi Norbert, Csire Gizella, Szakács Bence, May Nóra V., Várnagy Katalin, Sóvágó Imre, Fábián István: Stabilization of the Nickel Binding Loop in NiSOD and Related Model Complexes: Thermodynamic and Structural Features, INORGANIC CHEMISTRY 58: (2) pp. 1414-1424., 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
