Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6874
Main Title: Spektroskopie der Neurotransmitter Tryptamin und Phenylethylamin
Subtitle: Einfluss von Solvatation, Ringfluorierung und Ladung
Translated Title: Spectroscopy of the neurotransmitters tryptamine and phenylethylamine
Translated Subtitle: effect of solvation, ring fluorination and charge
Author(s): Schütz, Markus
Advisor(s): Dopfer, Otto
Referee(s): Dopfer, Otto
Schmitt, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: The maintenance of bodily functions in living beings is determined by a variety of biochemical processes, collectively referred to as metabolism. Molecular spectroscopy can be used to study processes at the molecular level and to draw conclusions about interactions and possible functionalities. The signal transmission between chemical neurons is based inter alia on the binding of a neurotransmitter (NT) to a receptor, wherein the molecular recognition, following the key-and-lock principle, is based on noncovalent interactions. The intra- and intermolecular interactions allow for a certain structural diversity and, depending on the conformer, a NT binds to a specific receptor. In general, different charge states of the involved molecules play a role in biochemical processes, so that the elucidation of the molecular conformation in these states leads to a fundamental understanding of the biological processes at the molecular level. In this dissertation, the neurotransmitters tryptamine (TRA) and phenylethylamine (PEA) are investigated by means of infrared spectroscopy in different charge states (neutral, cationic and protonated). In particular, the influence of solvents is analyzed, such as the interaction of TRA and PEA with one or more polar and nonpolar molecules. Another focus is on the study of fluorinated PEA. Fluorine substitution of molecules is a powerful tool in bioorganic and pharmaceutical applications to influence physiochemical and pharmacological properties. The isolated characterization in the gas phase allows to investigate a molecule free of any solvents but also the controlled stepwise solvation of the molecule. Infrared spectroscopy, in combination with mass spectrometry and supported by quantum chemical calculations, provides access to the molecular structure based on the obtained vibrational information. The results in this work illustrate the considerable influence of the charge state on the conformation of TRA and PEA as well as their interaction with polar and nonpolar molecules. Basically, it is shown that for both TRA and PEA, the number of experimentally detected conformers in the cationic and protonated states is significantly reduced compared to the neutral state. The picture is not the same for the two biomolecules. A structure predicted by theory for both molecules in the cationic state, in which the amino group of the side chain covalently binds to the aromatic ring, can experimentally only be detected for PEA. The solvation for the cationic TRA starts at the indolic NH group and continues for the polar H2O with forming a water network and for the nonpolar N2 with weak pi bonded motifs. A similar picture emerges for cationic PEA, but by interaction with the amino group of the side chain and the pi electron system. Both TRA and PEA protonate at the side chain to form an ammonium group around which solvation takes place. For the investigated fluorination of protonated PEA, in particular, the ortho position at the aromatic ring plays a predominant role for the molecular level structure, as a result of NH+...pi and NH+...F interactions.
Die Aufrechterhaltung von Körperfunktionen in Lebewesen wird durch eine Vielzahl biochemischer Prozesse, in ihrer Gesamtheit als Metabolismus bezeichnet, umgesetzt. Mit den Mitteln der Molekülspektroskopie lassen sich die Prozesse auf molekularer Ebene studieren und Rückschlüsse auf Interaktionen und mögliche Funktionsweisen ziehen. Die Signalübertragung zwischen chemischen Neuronen basiert unter anderem auf der Bindung eines Neurotransmitters (NT) an einen Rezeptor, wobei die molekulare Erkennung, dem Schlüssel-Schloss-Prinzip folgend, auf nichtkovalenten Interaktionen beruht. Die intra- und intermolekularen Wechselwirkungen erlauben eine gewisse strukturelle Vielfalt, und ein NT bindet konformerabhängig an einen spezifischen Rezeptor. Im Allgemeinen spielen in biochemischen Prozessen verschiedene Ladungszustände der beteiligten Moleküle eine Rolle, sodass die Aufklärung der Molekülkonformation in diesen Zuständen zu einem grundlegenden Verständnis der biologischen Prozesse auf der molekularen Ebene führt. Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Neurotransmitter Tryptamin (TRA) und Phenylethylamin (PEA) mittels Infrarotpektroskopie in verschiedenen Ladungszuständen (neutral, kationisch und protoniert) erforscht. Dabei wird insbesondere auch der Einfluss von Solvaten analysiert, das heißt die Wechselwirkung von TRA und PEA mit einem oder mehreren polaren und unpolaren Molekülen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Untersuchung des fluorierten PEA. Die Fluorsubstituierung in Molekülen stellt in der Bioorganik und im pharmazeutischen Bereich ein mächtiges Werkzeug dar, um physiochemische und pharmakologische Eigenschaften zu beeinflussen. Die Untersuchung in der Gasphase erlaubt es, die Moleküle isoliert zu betrachten sowie die Folgen der schrittweisen Solvatation auf die molekulare Struktur zu untersuchen. Die Infrarotspektroskopie bietet in Kombination mit massenspektroskopischen Methoden und unterstützt durch quantenchemische Rechnungen anhand der gewonnenen Schwingungsinformationen einen Zugang zur Molekülstruktur. Die Ergebnisse in dieser Arbeit bilden den erheblichen Einfluss des Ladungszustandes auf die Konformation des TRA und PEA sowie deren Wechselwirkung mit polaren und unpolaren Molekülen ab. Grundsätzlich zeigt sich, dass sowohl für TRA als auch PEA die Zahl der experimentell nachgewiesenen Konformere in den kationischen bzw. protonierten Zuständen teils deutlich gegenüber dem neutralen Zustand reduziert ist. Dabei ist das Bild für die beiden Biomoleküle nicht äquivalent. Eine für beide Moleküle vorhergesagte Struktur im kationischen Zustand, bei der die Aminogruppe der Seitenkette an den aromatischen Ring bindet, ist experimentell nur beim PEA nachzuweisen. Die Solvatisierung für das kationische TRA beginnt an der indolischen NH-Gruppe und setzt sich für das polare H2O unter Ausbildung eines Wassernetzwerks und für das unpolare N2 mit schwachen pi-Bindungen fort. Für das kationische PEA zeichnet sich ein ebensolches Bild ab, allerdings in Wechselwirkung mit der Aminogruppe der Seitenkette und dem pi-Elektronensystem. Sowohl TRA und PEA protonieren unter Ausbildung einer Ammoniumgruppe an der Seitenkette, an der die Solvatisierung stattfindet. Für die untersuchte Fluorierung von protoniertem PEA spielt insbesondere jene an ortho-Position des aromatischen Ringes, als Resultat von NH+...pi und NH+...F, eine vorherrschende Rolle für die molekulare Struktur.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7696
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6874
Exam Date: 23-Mar-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 26-Apr-2018
DDC Class: 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): Spektroskopie
Neurotransmitter
Tryptamin
Phenylethylamin
Fluorierung
spectroscopy
neurotransmitters
tryptamine
phenylethylamine
fluorination
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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