A survey of synthetic nicotinamide cofactors in enzymatic processes Mini-Review by Caroline E. Paul & Frank Hollmann

Transkript

1 A survey of synthetic nicotinamide cofactors in enzymatic processes Mini-Review by Caroline E. Paul & Frank Hollmann Saarbrücken, den Vortagende: Janine Caspari Betreuer: Prof. Dr. Kohring

2 Gliederung 1. NAD(P)H und NAD(P) + 2. Oxidoreduktasen 3. Wieso synthetische NAD(P)H und NAD(P) +? 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren a. Enzymatische Prozesse b. Biomedizin & Enzym-Assaykits 5. Fazit Seminarvortrag Janine Caspari Seite 2

3 1. NAD(P)H und NAD(P) + Nettoreaktion: NAD(P)H <-> NAD(P) + + 2e - + 2H + Quelle: Paul et al., 2016 Seminarvortrag Janine Caspari Seite 3

4 1. NAD(P)H und NAD(P) + Natürliche Synthese z.b. aus Niacin oder Nicotinamid Reduzierte Form = NAD(P)H Oxidierte Form = NAD(P) + Wichtige Rolle v.a. in zentralen Stoffwechselwegen Direkte Cofaktoren von Enzymen z. B. NAD(P)H-abhängige Dehydrogenasen Indirekte Cofaktoren z.b. FAD-abhängige Oxidoreduktasen Quelle: erlebnisweisheit.com ( Uhr) Seminarvortrag Janine Caspari Seite 4

5 2. Oxidoreduktasen Klasse I Katalysieren Redoxreaktionen Bsp. Dehydrogenasen: Oxidation/Reduktion von Substrat durch Elektronentransfer und Abspaltung/ Addition von H + Häufig NAD(P)H als Cofaktor Wichtige NAD(P)H-abhängige Vertreter: Isocitrat-Dehydrogenase (TCA) Lactat-Dehydrogenase Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase (PPP) Hohe Aktivität, stereospezifisch, regiospezifisch Seminarvortrag Janine Caspari Seite 5

6 3. Wieso synthetische NAD(P)H und NAD(P) +? Biomimetik Ziel ist: Verbesserung von Reaktivität Stabilität Kosten: 1 g NADH ~ g BNAH = 35 1 g MNAH = g Nicotinamid zur Synthese = 18 Quelle: Paul et al., 2016 Synthese durch: chemische Behandlung von z.b. Nicotinamid Seminarvortrag Janine Caspari Seite 6

7 3. Wieso synthetische NAD(P)H und NAD(P) +? Beispiele für synthetische Analoga: Quelle: Paul et al., 2013 Auffällig: einfache Struktur Ähnlichkeit mit Niacin und Nicotinamid Kein Adenosin-Dinukleotid Rest wie NAD(P) + / NAD(P)H Einfache und günstige Synthese Seminarvortrag Janine Caspari Seite 7

8 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren Aktuell: Aufklärung Reaktionswege durch Fluoreszenzmarkierung von Cofaktoren Verwendung in der organischen Chemie und Medizin Verwendung in enzymatischen Prozessen Direkte und indirekte Cofaktoren Seminarvortrag Janine Caspari Seite 8

9 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren a. Enzymatische Prozesse Direkte Cofaktoren z.b. MNAH bei NAD(P)H-Dehydrogenase Quelle: Paul et al., 2016 Annähernd gleiche Effizienz wie NAD(P)H Einfache Struktur Gute Enzymaktivität Affinität schlechter Seminarvortrag Janine Caspari Seite 9

10 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren a. Enzymatische Prozesse Direkte Cofaktoren z.b. BNAH bei HbpA Quelle: Paul et al., 2016 Affinität für BNAH 130-fach geringer als NADH Quelle: Paul et al., 2016 Seminarvortrag Janine Caspari Seite 10

11 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren a. Enzymatische Prozesse Test mit Enoat-Reduktase Seminarvortrag Janine Caspari Seite 11

12 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren a. Enzymatische Prozesse Direkte Cofaktoren z.b. BNAH bei Enoat-Reduktase Reaktion von Quelle: Paul et al., 2016 Quelle: Paul et al., 2013 Gleiche oder höhere Enzymaktivität Seminarvortrag Janine Caspari Seite 12

13 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren a. Enzymatische Prozesse Indirekte Cofaktoren z.b. BNAH als Ersatz für 2 Enzyme und das natürliche NADH SMO = Styrol Monooxygenase Quelle: Paul et al., 2016 Effektivitätssteigerung des Regenerationssystems möglich! Seminarvortrag Janine Caspari Seite 13

14 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren a. Enzymatische Prozesse Problem: Alkohol-Dehydrogenase Akzeptiert synthetische Cofaktoren nicht Vorteil: Quelle: Paul et al., 2016 Enoat-Reduktase katalysiert Reaktion eines Moleküls mit Carbonylgruppe Alkohol-Dehyrogenase kann diese weiter oxidieren Unerwünschte Folgereaktion! Vorteil: Verwendung von synthetischen Cofaktoren bei En- Reduktase funktioniert! Seminarvortrag Janine Caspari Seite 14

15 4. Anwendung synthetischer Cofaktoren b. Biomedizin & Enzym-Assaykits Synthetische Cofaktoren in der Chemotherapie Wirkung als Inhibitoren auf Enzyme direkt als mögliches Chemotherapeutikum Cofaktoren für Enzyme, die bei der Bekämpfung der Tumore helfen Einsatz in Enzym-Assaykits Seminarvortrag Janine Caspari Seite 15

16 5. Fazit Probleme: 1. Regeneration der synthetischen Cofaktoren Beim Einsatz kleiner Mengen nötig Bisher mit Übergangsmetallen BNA + und MNA + nun möglich über NADH Oxidase K M -Werte für NAD + allerdings wesentlich kleiner Modifizierte Regenerationsenzyme könnten auch eine Lösung sein 2. Viele Enzyme wurden noch gar nicht getestet 3. Einige Enzyme verwenden synthetische Cofaktoren nicht (auch VT) 4. Manche Analoga sind sogar teurer als NAD(P)H! 1 g MNAH = 120 Nur eigene Synthese rentabel Seminarvortrag Janine Caspari Seite 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

18 Quellen Paul et al., 2016, A survey of synthetic nicotinamide cofactors in enzymatic processes, Appl Microbiol Biotechnol, 100: Friedlos et al., 1992, Identification of novel reduced pyridinium derivates as synthetic cofactors for the enzyme DT Diaphorase (NAD(P)H Dehydrogenase (Quinone), EC ), Biochem. Pharm., Vol. 44, No. 1, Lutz et al., 2004, Bioorganometallic chemistry: biocatalytic oxidation reactions with biomimetic NAD + /NADH co-factors and [Cp*Rh(bpy)H] + for selective organic synthesis, Journal of Organometallic Chem, 689: Paul et al., 2013, Mimicking Nature: Synthetic Nicotinamide Cofactors for C=C Bioreduction Using Enoate Reductases, Organic Letters, Vol. 15, No.1, Paul et al., 2014, Is Simpler Better? Synthetic Nicotinamide Cofactor Analogues for Redox Chemistry, ACS Catal., Paul et al., 2015, Nonenzymatic Regeneration of Styrene Monooxygenase for Catalysis, ACS Catal., Rovira et al., 2017, Emissive Synthetic Cofactors: An Isomorphic, Isofunctional, and Responsive NAD + Analogue, JACS, 139: Knox et al., 2000, Bioactivation of 5-(Aziridin-1-yl)-2,4-dinitrobenzamide (CB 1954) by Human NAD(P)H Quinone Oxidoreductase 2: A Novel Co-substrate-mediated Antitumor Prodrug Therapy1, Cancer Research, 60: Seminarvortrag Janine Caspari Seite 18