Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-524
Main Title: Exchange coupled manganese complexes
Subtitle: Model systems for the active centres of redoxproteins investigated with EPR techniques
Translated Title: Austauschgekoppelte Mangankomplexe
Translated Subtitle: Modellsysteme für die aktiven Zentren von Redoxproteinen untersucht mit EPR Techniken
Author(s): Schäfer, Kai-Oliver
Advisor(s): Lubitz, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wurden austauschgekoppelte, gemischtvalente Mangankomplexe in den Oxidationsstufen Mn(III)Mn(IV) und Mn(II)Mn(III), sowie die Mangankatalase aus Thermus thermophilus und das Protein B des schwefel-oxidierenden Enzymkomplexes (SoxB) aus Paracoccus panatrophus mit Methoden der Elektronenspin-Resonanz spektroskopisch charakterisiert. Zur Simulation der EPR und ENDOR Spektren, die die Grundlage der Auswertung bildet, wurden zwei Computerprogramme geschrieben, mit denen Spektren entweder auf der Basis von 2. Ordnung Störungstheorie oder Diagonalisierung des Spin-Hamiltonians simuliert werden können. Die EPR Spektren der Mn(III)Mn(IV) Komplexe und der Mangankatalase im Mn(III)Mn(IV) Zustand wurden bei 9, 34 und 94 GHz Mikrowellenfrequenz gemessen. Mit diesem Multifrequenz-Ansatz konnten die g- und Hyperfeinkopplungstensoren (hfc's) der Mangankerne sehr genau bestimmt werden. Im Falle der Mangankatalase war es erstmals möglich, ein solches Enzym bei Mikrowellenfrequenzen oberhalb von 34 GHz EPR spektroskopisch zu untersuchen. Weiterhin wurde der nutzbare Radiofrequenzbereich des 9 GHz Puls-ENDOR Spektrometers so erweitert, dass 55Mn-ENDOR Spektren aufgenommen werden konnten. Damit sind die 55Mn hfc's und Quadrupoltensoren experimentell direkt zugänglich. Es konnten 55Mn-ENDOR Spektren der Komplexe Mn(III)Mn(IV)(µ-O)2(bipy)4, Mn(III)Mn(IV)(µ-O)2(µ-CH3CO2)(mdtn) und der Mangankatalase im Mn(III)Mn(IV) Zustand erhalten werden. Die Analyse der Spektren lieferte 55Mn hfc's, die sich nur geringfügig von denen mittels Multifrequenz-EPR bestimmten unterschieden. Darüberhinaus konnten die nicht mit der EPR detektierbaren 55Mn Quadrupoltensoren bestimmt werden und so Informationen über die direkte Ligandensphäre der Manganionen gewonnen werden. Aus den 9 GHz EPR Spektren von drei Mn(II)Mn(III) Komplexen und des Mn(II)Mn(III) Zustands der Mangankatalase konnten die g-Tensoren und 55Mn hfc's bestimmmt werden. Diese zeigten deutliche Unterschiede zu denen der Mn(III)Mn(IV) Komplexe. Diese Unterschiede konnten mit Hilfe des Spin-Kopplungsmodells erklärt werden. Das Enzym SoxB ist bislang noch weitgehend uncharakterisiert. Die bei 34 GHz aufgenommenen EPR Spektren konnten mit einer speziellen Simulationsstrategie ausgewertet und einem schwach anti-ferromagnetisch gekoppelten Mn(II)Mn(II) Zustand zugeordnet werden. Das angewandte Verfahren zur Auswertung lässt sich auf andere, ähnlich komplexe biologische Systeme, wie z.B. Mangankatalase im Mn(II)Mn(II) Zustand, übertragen. Die in dieser Arbeit erhaltenen g-Tensoren und die hfc's der Mangankerne bilden die Grundlage zur Verbesserung theoretischer Methoden wie Dichtefunktionalberechnungen, aber auch für weitergehende EPR spektroskopische Untersuchungen der Ligandensphäre, speziell der Protonenumgebung.
In this work exchange coupled mixed-valent manganese complexes in the oxidation states Mn(III)Mn(IV) and Mn(II)Mn(III), as well as the dimanganese catalase from Thermus thermophilus and the protein B of the sulfur-oxidising complex (SoxB) from Paracoccus pantotrophus were characterised by use of EPR spectroscopy. For the simulation of the EPR and ENDOR spectra, which is the basis of the evaluation, two computer programs were written which calculate spectra either on the basis of second order perturbation theory or by use of full-matrix diagonalisation. EPR spectra of the Mn(III)Mn(IV) complexes and of the dimanganese catalase in the Mn(III)Mn(IV) state were recorded at 9, 34 and 94 GHz microwave frequency. With this multi-frequency approach, the g- and hyperfine coupling tensors (hfc's) of the Mn ions could be determined very accurately. In the case of dimanganese catalase it was possible to record spectra of such an enzyme above 34 GHz for the first time. Furthermore, the usable radio frequency range of the 9 GHz pulsed EPR spectrometer was extended to be able to perform 55Mn ENDOR spectroscopy. With this method the 55Mn hfc's and quadrupole tensors are directly accessible. 55Mn ENDOR spectra were obtained of the complexes Mn(III)Mn(IV)(µ-O)2(bipy)4, Mn(III)Mn(IV)(µ-O)2(µ-CH3subCOsub2)(mdtn) and the Mn(III)Mn(IV) state of dimanganese catalase. Evaluation of the spectra yielded 55Mn hfc's that were identical within margin of error to those determined by multi-frequency EPR. Moreover, the 55Mn quadrupole tensors that were not detectable with EPR could be obtained, and thereby additional information about the ligand sphere of the Mn ions was gained. From 9 GHz EPR spectra of three different Mn(II)Mn(III) complexes and the Mn(II)Mn(III) state of the dimanganese catalase the g-tensor and the 55Mn hfc's could be determined. These were markably different from those of the Mn(III)Mn(IV) complexes. The differences could be explained by use of the spin-coupling model. The enzyme SoxB is thus far largely uncharacterised. EPR spectra obtained at 34 GHz were analysed using a special simulation strategy and could be assigned to a weakly anti-ferromagnetically coupled Mn(II)Mn(II) dimer. The evaluation procedure can be applied to biological systems of similar complexity, e.g., the Mn(II)Mn(II) state of the dimanganese catalase. The g-tensors and the 55Mn hfc's obtained in this work may be used to improve theoretical methods, such as density-functional calculations, but they are also the basis of further EPR-based investigations of the ligand sphere, especially the proton environment.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4261
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/821
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-524
Exam Date: 19-Dec-2002
Issue Date: 17-Jan-2003
Date Available: 17-Jan-2003
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): EPR
ENDOR
Austauschkopplung
Redoxproteine
Modellkomplexe
Mangankatalase
EPR
ENDOR
exchange coupling
redox-proteins
model complexes
dimanganese catalase
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