Forskare vid Carnegie Mellon University har använt vibrationsspektroskopi med kärnresonans för att undersöka vätebindningarna som modulerar enzymets kemiska reaktivitet, katalysatorer och biomimetiska komplex. Tekniken kan leda till utveckling av bättre katalysatorer för användning inom ett brett spektrum av områden. Resultaten publicerades som ett "mycket viktigt papper" i utgåvan den 3 december Angewandte Chemie och finns på tidningens baksida.

Vätebindningar är bland de mest grundläggande interaktionerna som finns inom biologi och kemi. De är ansvariga för många av de kemiskt viktiga egenskaperna hos vatten, för att stabilisera strukturerna av proteiner och nukleinsyror, inklusive de som finns i DNA och RNA, och bidrar till strukturen av naturliga och syntetiska polymerer.

Forskning har visat att vätebindningar spelar en viktig roll för att justera reaktiviteten hos metallcentralerna för metalloenzymer och metallinnehållande katalysatorer. Dock, lite forskning har gjorts för att experimentellt visa hur systematiska förändringar av vätebindningar inom den sekundära koordinationsfären - molekyler som finns i närheten av metallcentra som inte har direkt bindningsinteraktion med centrum - påverkar katalytisk aktivitet.

Vid katalys, enzymer eller syntetiska katalysatorer stimulerar till en kedja av kemiska reaktioner, som producerar ett antal mellanliggande strukturer eller arter. Att förstå dessa strukturer och deras kemiska egenskaper är nyckeln till att förstå hela reaktionen.

"En grundlig förståelse av den kemiska reaktiviteten hos den reaktiva mellanprodukten är ett viktigt steg för att bestämma hur man utformar högeffektiva och selektiva katalysatorer för CH-funktionalisering, "sa Yisong Guo, biträdande professor i kemi vid Carnegie Mellon och studiens huvudförfattare. "När det gäller dioxygenaktiverande enzymer, de viktigaste mellanprodukterna för katalys är järn-oxo (Fe-O) och järn-hydroxo (Fe-OH) arter, som är involverade i viktiga biologiska processer, såsom DNA -biosyntes, Reparation av DNA och RNA, posttranslationell modifiering av proteiner, biosyntes av antibiotika och nedbrytning av giftiga föreningar. "

Guo och kollegor använde 57Fe nukleär resonansvibrationsspektroskopi (NRVS), en nyutvecklad synkrotronstrålningsbaserad teknik, att detektera vibrationsfrekvensen för Fe-O- och Fe-OH-enheter i syntetiska komplex som interagerar med den sekundära koordinationsfären genom vätebindningar. Förändringar i frekvenserna avslöjade värdefull information om bindningsstyrkorna för dessa enheter och gav vidare ett kvalitativt mått på vätebindningsstyrka.

"Detta visade att NRVS är en känslig teknik för att upptäcka mycket små förändringar i vätebindningsstyrka, ner till förändringarna av en enda vätebindning. Detta ger oss en ny metod för att ansluta förändringar i bindningsstyrkan för Fe-O och Fe-OH-enheter till deras kemiska reaktivitet, "sa Guo.

Guo säger att denna studie är ett bevis på konceptet för att använda NRVS för att undersöka vätebindningar. Han planerar att fortsätta använda denna metod för att studera fler järn-oxo- och järn-hydroxo-arter i både syntetiska komplex och enzymer för att bygga upp mängden tillgänglig data för att korrelera kemisk reaktivitet hos dessa arter med förändringarna av vätebindningsinteraktioner, med hopp om att den informationen kan användas för att utveckla effektivare och effektivare katalysatorer.