Bachelorarbeit: Synthese neurobiologisch aktiver Glutamat-Derivate und Protein-Crosslinker auf Azobenzol-Basis zur lichtinduzierten Konformationsänderung
"1.1 Allgemein
Einige der schnellsten Reaktionen der Chemie sind photochemische Reaktionen, [1,2] worunter auch photochrome Umwandlungen zweier Spezies ineinander fallen. Charakteristisch hierfür ist, dass durch elektromagnetische Strahlung einer definierten Wellenlänge spezifisch zwischen zwei energetisch stabilen Zuständen mit unterschiedlichen Absorptionsspektren umgeschaltet werden kann, weswegen solche Systeme auch molekulare Schalter oder englisch „(photo)switches“ genannt werden.
Die ersten bekannten organischen, photochromen Verbindungen hatten jedoch - hauptsächlich oxidationsbedingt - eine begrenzte Lebensdauer bzw.
Zyklenzahl, wobei man von Ermüdung spricht.
Diese Tatsache limitierte die Anwendbarkeit der ab 1960 verstärkt erforschten Photochromie.[3] Erst in den 1980er Jahren wurden erstmals ermüdungsfreie Verbindungen entwickelt, welche auch kommerziell eingesetzt wurden."
"In Abbildung 1.5 sieht man die idealisierten Spektren der zwei Isomere des Azobenzols.[15] Hierbei bewirkt nun eine Einstrahlung in die Bande des π→π* Übergangs eine Elektronenanregung von einem bindenden π-Orbital in ein antibindendes π*-Orbital. Nach der Relaxation des angeregten Zustandes ist das photostationäre Gleichgewicht zur (Z)-Form hin verschoben ((E)-(Z)- Isomerisierung).[16,17] Die zweite Bande ergibt sich aus dem n→π*-Übergang. Bei Anregung dieses Übergangs relaxieren die Moleküle bevorzugt in die E-Form ((Z)-(E)-Isomerisierung). Aufgrund des Molekülaufbaus und des Elektronensystems im Azobenzol ergeben sich zwei mögliche Mechanismen der Umorientierung des Moleküls. Beim Rotationsmechanismus schwenkt ein Phenylring aus der Ebene des planaren Moleküls heraus, wobei für die Dauer der Anregung die Stickstoff Doppelbindung gebrochen wird, da sich die π-Orbitale eines Stickstoffatoms um 180° drehen. (siehe Abb. 1.6) Bei der zweiten Möglichkeit des Isomerisierungsmechanismus, dem Inversionsmechanismus,findet die Drehung des Phenylrestes in der Molekülebene statt. Somit erfährt das betroffene Stickstoffatom eine temporäre Hybridisierungsänderung von sp² zu sp.[18] In der Literatur wird intensiv darüber diskutiert, welcher Mechanismus der wahrscheinlichere ist. Teils wird der Rotationsmechanismus für den n→π*
Übergang vorgeschlagen,[19] teils werden beide Mechanismen in Erwägung gezogen, aber auch deren paralleler Ablauf.[20,21]" "Die Photokontrolle eines Ionenkanals ist bereits an mehreren Kanälen gezeigt worden, wie an einem spannungsgesteuerten Kaliumkanal, an dem in unmittelbarer Nähe zur Pore ein Aminosäurerest durch Cystein ersetzt wurde, was das kovalente Anbringen eines Azobenzol-Switches ermöglichte. Die exakte Position wurde zuvor durch die Kristallstruktur ermittelt. In der (E)-Form ragt die den Kanal blockierende funktionelle Gruppe (in diesem Fall eine Tetraethylammonium-Gruppe) bis zur Pore und der Kanal ist versperrt. Bei Anregung durch UV-Licht isomerisiert die Azobenzolgruppe in den (Z)-Zustand und der Kanal ist geöffnet und Kalium-Ionen können einströmen.
[28,29]Durch das Einströmen der Kalium-Ionen ergibt sich eine Depolarisation der Zellmembran, wodurch man entsprechend präparierte neuronale Zellen räumlich und zeitlich hochaufgelöst depolarisieren kann. Diese Anwendung brachte zusammen mit einer anderen Methode, bei der native Channelrhodopsine[37] genutzt werden, die neue wissenschaftliche Disziplin der Optogenetik hervor.[26,27]"