An Investigation of Peroxidase Activity in Biomimetic and Biological Systems

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Järn är den mest vanligt förekommande övergångsmetallen i alla levande organismer, från bakterier till växter och djur och även i människan. Järn är en viktig del av olika proteiner och förekommer mycket ofta i form av en hemgrupp (se bild). Enzymer är proteiner som kan katalysera biokemiska processer. Det ställe i enzymet, där reaktionen sker, kallas enzymets aktiva säte. Det aktiva sätet kan innehålla en kofaktor (t.ex. hem) som är omgiven av proteinets aminosyror. En av de viktigaste klasserna av proteiner och enzymer kallas hemproteiner. Dessa har hem som kofaktor. Prefixet hem (eller hemo-) hänvisar till järn(II)porfyrin, medan hemin anger järn(III)porfyrin. Det mest kända hemproteinet är hemoglobin som utför transport av syre från lungorna till kroppens alla organ. Peroxidaser och katalaser tillhör den största gruppen av heminnehållande enzymer som ofta kallas ”skyddsenzymer”. Dessa enzymer skyddar levande organismer mot okontrollerad oxidation med väteperoxid. Peroxidaser använder väteperoxid för oxidation av en stor mängd organiska och oorganiska molekyler. Pepparrotsperoxidas är det mest studerade peroxidasenzymet. Det har stor användning inom medicin, cellbiologi, vid miljökontroll samt inom livsmedelsindustrin. Modellföreningar används ofta i enzymrelaterade studier. I praktiken är det ofta lättare att studera små modellmolekyler med olika experimentella metoder och med högre noggrannhet än de naturliga enzymerna. Modellföreningar med låg molekylvikt och bra peroxidasaktivitet kan, för vissa praktiska tillämpningar, vara ett bättre alternativ till naturliga enzymer. I denna avhandling har peroxidasaktivitet för flera hemin-peptid-komplex undersökts. De första modellkomplexen baserades på hemin, som ingår i det aktiva sätet hos de flesta hemoglobiner och peroxidaser. Peptidkedjor av olika längd kopplades till hemins propionater (positionerna 6 och 7) och komplex med peptider kopplade till såväl en som två propionater framställdes. Den sista aminosyran i peptiden var alltid histidin, eftersom dess imidazolinnehållande sidokedja binder starkt till järnatomen i hemin. Denna bindning anses höja reaktiviteten hos hemin-peptidkomplexen vid deras reaktion med väteperoxid. Reaktivitetsstudier med dessa modellkomplex visar att både mono- och de bis-substituerade hemin-peptid komplexen har katalytisk aktivitet. Komplex med längre peptidkedjor uppvisade högre aktivitet. Detta kan sannolikt bero på den struktur som erhålles med en längre peptidkedja förväntas vara mindre spänd. Modeller baserade på mesohemin och deuterohemin visade högre reaktivitet än heminbaserade modeller, men dessa peptidsubstituerade modeller visade inte högre reaktivitet än de ursprungliga, icke substituerade, hemin, meso- och deuterohemin, möjligtvis på grund av svag histidin-järnbindning. Modifikationen med peptider har dock gjort heminkomplexen lösliga i vatten och vanliga organiska lösningsmedel, vilket inte är fallet med osubstituerad hemin. Vid högre koncentration av väteperoxid har modellerna dessutom visat högre aktivitet jämfört med icke modifierat hemin. Den katalytiska aktiviteten i modellkomplex med mangan(III) i stället för järn(III) var mycket bättre och kan jämföras med aktiviteten hos de mini-enzymer som kallas mikroperoxidaser. Detta kan förklaras med större stabilitet för själva mangankomplexet och för de intermediater som bildas vid reaktion med väteperoxid. Vitreoscilla hemoglobin (VHb) upptäcktes först i Vitreoscilla stercoraria-bakterien. Det har två lika delar som båda har en hem i sin aktiva säte. Möjliga funktioner för Vhb diskuteras fortfarande, men det har föreslagits att detta hemoglobin kan ha fler funktioner än bara transport av syre. Resultaten i denna avhandling visar att Vitreoscilla hemoglobin har en peroxidasaktivitet som är jämförbar med den för pepparrotsperoxidas.