Molekulare Pinzetten und Klammern zur Enzymhemmung

In Zusammenarbeit mit F.-G. Klärner haben wir molekulare Rezeptormoleküle für Aminosäuren und Cofaktoren entwickelt. Diese bestehen aus einem U-förmigen alternierenden Band von Aromaten und Norbornadien-Bausteinen, welches einen elektronenreichen Innenraum umschließt. Mit ebenen Naphthalin-Seitenwänden entstehen molekulare Klammern, die planare Kationen in ihre Kavität hineinziehen, und eine hohe Selektivität für biologische Cofaktoren aufweisen (NAD⁺, TPP, SAM, K_d ~ 50 µM). Gekrümmte Aromat-Norbornadien-Aromat-Seitenwände bilden molekulare Pinzetten, die in ihrem torusförmigen Innenraum hochselektiv die Seitenkette von Lysin und Arginin einschließen (K_d ~ 5 µM). Die an den zentralen Hydrochinonen befestigten Phosphat- oder Sulfatanionen verleihen allen Rezeptor-Molekülen eine hohe Wasserlöslichkeit und ergänzen die dispersiven Wechselwirkungen mit dem Gast im Innenraum durch externe Salzbrücken mit dem eingeschlossenen Kation.

Mit den Klammern und Pinzetten sind neue Wege der Enzymhemmung möglich, die an zahlreichen Beispielen belegt und mechanistisch untersucht wurden: Klammern senken den NAD⁺-Spiegel, entvölkern die Rossmann-Spalte und hemmen so Dehydrogenasen kompetitiv zum Cofaktor (ADH, G6PD). Pinzetten wählen die am besten zugänglichen Lysin- bzw. Argininreste auf Proteinoberflächen; sie wirken durch nichtkompetitive Enzyminhibition zum Cofaktor (ADH etc.). Durch gleichzeitige Phosphat-Zink²⁺-Bindung haften Pinzetten besonders stark an Zinkfingerproteinen und verdrängen dort geschädigte DNA-Doppelstränge (PARP-1).

In Zusammenarbeit mit biologischen Partnern entwickeln wir gegenwärtig molekulare Pinzetten mit zusätzlichen Haftgruppen für die unmittelbare Umgebung strategischer Lysine auf den Oberflächen verschiedener Proteasen. Mit Hilfe dieser Tools sollen Mechanismen der allosterischen Regulation, der kooperativen Aktivierung und der kontrollierten Selbstassemblierung von Proteinmaschinen studiert werden. Durch die völlig neuen Angriffsorte auf der Proteinoberfläche werden außerdem alternative potenzielle Therapiewege für verschiedene Krankheiten erschlossen.

Literatur

• A Mechanism of Efficient G6PD inhibition by a Molecular Clip. P. Talbiersky, J. Polkowska, F. Bastkowski, M. Kirsch, H. de Groot, F. Klärner, T. Schrader, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2886-2890.

• Aromatic Interactions by Molecular Tweezers and Clips in Chemical and Biological Systems. F.-G. Klärner, T. Schrader, Special Issue “Aromatic Interactions in Chemistry and Biology”, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 967–978.

• Molecular tweezers modulate 14-3-3 protein-protein interactions. D. Bier, R. Rose, K. Bravo-Rodriguez, M. Bartel, J. M. Ramirez-Anguita, S. Dutt, C. Wilch, F.-G. Klärner, E. Sanchez-Garcia, T. Schrader, C. Ottmann, Nat. Chem.2013, 5, 234-239.