Chemie auf Distanz: reduktiver Elektronentransport in DNA

Während der oxidative Lochtransfer (Wanderung einer positiven Ladung) mechanistisch weitgehend aufgeklärt wurde, ist bisher sehr wenig bekannt über den Transport negativer Ladung durch den DNA Duplex. In der vorliegenden Arbeit wird über die Injektion und den Transport eines Überschusselelektrons in DNA berichtet. Zur Untersuchung des Elektronentransferprozesses wurde ein neuartiges Injektionssystem A (T*) entwickelt, das in der Lage ist, ortsselektiv ein einzelnes Elektron freizusetzten und dieses auf den DNABasenstapel zu übertragen. Das Prinzip der Elektroneninjektion beruht in dem hier vorgestellten System auf dem weniger negativen Redoxpotential der am leichtesten zu reduzierenden Nukleobase Thymin im Vergleich zu Dialkylketonen. Durch die in einer Norrish I Reaktion photochemisch angeregte Generierung des Ketylradikals B und des Ketylradikalanions C aus der Pivaloyl-Einheit des Injektormoleküls ist es möglich, ein Elektron auf die benachbarte Nukleobase zu übertragen (Abb. A). Durch Modellsysteme wurde in dieser Arbeit nachgewiesen, dass der Injektionsvorgang im Falle des Thymidins effizient und mit hoher Geschwindigkeit (kInj > 107 s-1) vor sich geht. Das nach der Ladunginjektion gebildete Thymidin-Radikalanion ist als intermediärer Ladungsträger Ausgangspunkt für den weiteren Transport des Elektrons zum endgültigen Elektronenakzeptor. Der Vorteil einer Ein-Elektronen-Reduktion eröffnete mit dieser neuen Methode die Möglichkeit bislang postulierte, aber bei der chemischen Untersuchung von Ladungstransferprozessen nicht nachgewiesene Zwischenstufen spektroskopisch sichtbar zu machen. So konnte in dieser Doktorarbeit erstmals die Existenz eines Thymyl-Radikals, das während des Hopping-Vorgangs des Überschusselektrons vom Donor über die Thyminbasen zum Akzeptor generiert wird, mittels ESR-Spektroskopie dokumentiert werden. Die Detektion des Elektronentransferprozesses in DNA wurde mit der Spaltung eines Thymidindimers realisiert. Thymidindimere sind oxidative DNA-Schädigungen, die enzymatisch durch DNA-Photolyasen repariert werden. Grundlage dieser Reparatur ist eine Ein-Elektronen-Reduktion des Dimers, die in einer Spaltung in die Monomere resultiert (Abb. B). Der Transfer eines Überschusselektrons löst eine spontane Cycloreversion des Dimers aus, was im DNA-Duplex zu einer Strangspaltung führt. Experimente mit den in Abb. C dargestellten Doppelsträngen belegten einen effizienten Ladungstransfer über (A:T)- Basenpaare. Die geringe Abnahme der Spaltausbeute von 15 auf 5% über mehrere (A:T)- Basenpaare steht im Einklang mit einem mehrstufigen Hopping-Mechanismus des Elektrons über Thyminbasen. Es stellte sich heraus, dass die Basensequenz einen großen Einfluss auf die Effizienz der Ladungsübertragung hatte. Bei der Substitution eines (A:T)-Basenpaares durch ein (G:C)- Basenpaar oder durch den Einbau einer künstlichen Nukleobase ohne Akzeptoreigenschaften sank die Ausbeute um den Faktor 10. Durch den Einbau eines zweiten Thymidindimers als weiteres Detektorsystem konnten die katalytischen Eigenschaften des Überschusselektrons bei seiner Reise durch den DNA-Duplex unter Beweis gestellt werden. Das Elektron bewirkt dabei eine Cycloreversion der ersten Schädigung und wandert weiter zum nächsten Dimer, das ebenfalls gespalten wird (Abb. D). Aus der Konkurrenz zwischen der Spaltung eines Dimers und der fortschreitenden Elektronenwanderung in der DNA konnte eine Mindestgeschwindigkeit des negativen Ladungstransfers von kET > 109 s-1 bestimmt werden. Aus der Produktverteilung der zweifachen Dimerspaltung konnte man darüber hinaus Erkenntnisse über die Richtung des Elektronentransfers gewinnen. Aufgrund struktureller Deformationen an der 5'-Seite des Thymidindimers ist eine Elektronenaufnahme über diesen Teil des Moleküls erschwert, es erfolgt daher eine bevorzugte Wanderung des Überschusselektrons in die 3'-Richtung. Die in dieser Doktorarbeit durchgeführten Experimente konnten zeigen, dass das neu entwickelte System T* / T-Dimer ein wirkungvolles Instrument zur Untersuchung reduktiver Elektronentransferprozesse in DNA darstellt. Neben der selektiven Elektroneninjektion war der wichtigste Faktor, den Effekt eines einzelnen Elektrons beobachten zu können. Dadurch waren sowohl die Nachweise intermediärer Zwischenstufen als auch der katalytischen Fähigkeiten eines Elektrons möglich.