DNA-Systeme für die zeitaufgelöste Beobachtung und zur Modulation des reduktiven Elektronentransfers durch die DNA
Final Report Abstract
Dieses Projekt lieferte wichtige und grundlegende Erkenntnisse, die zum detaillierten Verständnis des reduktiven Elektronentransfer durch DNA maßgeblich beitrugen. Darüber hinaus war es in einigen Donor-Akzeptor-DNA-Systemen sogar möglich, den reduktiven Elektronentransfer mit dem länger bekannten und daher besser verstandenen oxidativen Lochtransfer zu vergleichen. Bei den im Rahmen dieses Antrags studierten DNA-Systemen entschied der eingesetzte Ladungsdonor über den nachfolgenden Elektronentransfer- Mechanismus. Ethidium ist als artifizielle DNA-Base und Ladungsdonor geeignet, um den Elektronentransfer nach dem Superaustausch-Mechanismus zu studieren, da Ethidium nicht in der Lage ist, im photoangeregten Zustand die Pyrimidine der DANN zu reduzieren. Mit Ethidium als Ladungsdonor war es erstmals gelungen, die beiden unterschiedlichen Arten des DNA-übertragenen Ladungstransfers in einem strukturell und elektronisch sehr ähnlichen System direkt miteinander zu vergleichen. Die Elektronentransferraten wurden bestimmt und zeigen eine deutliche Distanzabhängigkeit, die mit dem oxidativen Lochtransfer vergleichbar ist. Das Konzept des „Base Gatings" wurde von den Ergebnissen unterstützt. Beim Superaustausch-Mechanismus ist die Interkalation des Elektronendonors und damit eine gute elektronische Kopplung mit dem DNA-Basenstapel eine entscheidende Voraussetzung, wie der Vergleich der Experimente mit dem interkalierenden Basenersatz Ethidium und dem weniger interkalierenden Basenersatz Thiazol Orange ergaben. Im Gegensatz zu Ethidium ermöglichte die Verwendung von Pyren oder Phenothiazin als photoinduzierbare Ladungsdonoren die spektroskopische und chemische Untersuchung des Elektronenhoppings. Zum ersten Mal gelang ein grobe Abschätzung der Dynamik des reduktiven Eiektronentransfers (schneller als 100 ps!). Der reduktive Elektronentransfer in DNA erfolgt bei entsprechender thermodynamischer Triebkraft des Elektronendonors nach dem Hopping- Mechanismus, bei dem Radikalionen der Pyrimidine als intermediäre Ladungsträger auftreten. Dabei ist die Elektronentransfereffizienz und -geschwindigkeit über Thymine schneller als über Cytosine, da das Radikalanion des Cytosins eine starke Basizität aufweist Daher interferiert der Protonentransfer in G-C-Basenpaaren mit dem Elektronentransfer, inhibiert aber diesen nicht vollständig. Die Reichweite und die Distanzabhängigkeit des reduktiven Elektronenhoppings in DNA hängen in erster Linie vom Elektronendonor ab. Mit dem schwachen Donor Pyren kann der Elektronentransfer über zwei Basenpaare beobachtet werden, mit dem 200 mV stärkeren Phenothiazin mind, über drei Basenpaare. Experimente aus der Arbeitsgruppe Carel! mit dem sehr starken Elektronendonor Flavin ergaben einen Elektronentransfer über größere Distanzen.
