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Übergangsmetallkatalysierte Synthese von Homopolypeptiden mit Phosphonat-Seitengruppen

Affiliation
Institut für Technische Chemie
Bothe, Elena

Das Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von Glycoprotein-Analoga zur Modifizierung von Titan-Oxidoberflächen basierend auf einem Polypeptid-Rückgrat, das Phosphonat- und Kohlenhydrat-Seitengruppen trägt. Außerdem soll der Einfluss der Sekundärstruktur auf die Beschichtungen untersucht werden. Zur Synthese von Polypeptiden mit Phosphonat- und Kohlenhydrat-Seitengruppen wurde als Rückgrat Poly(alpha,L-glutaminsäure) verwendet. Der Einsatz verschiedener Initiatorsysteme ermöglichte die Darstellung von Polypeptiden mit variierbarem Polymerisationsgrad. Anschließend wurden polymeranalog die verschiedenen Seitenketten mit dem Kupplungsreagenz 4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinchlorid (DMT-MM) an das Rückgrat angebunden. 
Die Beschichtung von Titanoxid-Oberflächen mit den Polypeptiden, die Phosphonat-Seitengruppen tragen, konnte erfolgreich durchgeführt werden, was über Ellipsometrie, Kontaktwinkel-, XPS- und RAIRS-Messungen nachgewiesen wurde. Die spektroskopischen Untersuchungen der Polypeptide vor der Beschichtung, d.h. in Lösung, und nach der Anbindung belegen eine Konformationsänderung von einer ungeordneten bis schwach helicalen zu einer geordneten, helicalen Struktur. Diese Konformationsänderung findet wahrscheinlich während des Temperatur-induzierten Anbindungsschritts statt. Wenn Phosphonat- und Kohlenhydrat-Seitenketten im Polypeptid vorhanden sind, sinkt die Schickdicke in Abhängigkeit von der Zuckerdichte. 
Die Polypeptide konnten in Abhängigkeit von der Phosphonat-Seitenkette, des Polymerisationsgrads und des Substitutionsgrads auf ihre Sekundärstruktur in Lösung untersucht werden. Ist als Seitenkette ein Phosphonatester am Rückgrat angebunden, dann ist bei niedrigen bis mittleren Substitutionsgraden ein Helix-Knäuel-Übergang zu beobachten und im sauren pH-Bereich eine vollständige helicale Anordnung möglich. Bei höheren Substitutionsgraden ist dieser Übergang nur sehr schwach oder gar nicht vorhanden. Nimmt die Hydrophilie der Seitenkette aufgrund chemischer Modifikationen zu, sinkt der helicale Anteil im Polypeptid, da die Wechselwirkungen der Seitenketten mit dem Rückgrat sowie der Solvatationseffekt wegen der höheren Polarität zunehmen. Grundsätzlich liegen die Polypeptide im neutralen pH-Bereich als ungeordnetes Zufallsknäuel vor, was dafür spricht, dass die helicale Konformation der Polypeptide, die nach der Anbindung auf Titanoxid-Oberflächen nachgewiesen werden konnte, während des Temper-Schritts der Anbindung stattfindet. 

The aim of this work is the synthesis of glycoprotein analogues for the modification of titanium oxide surfaces based on a polypeptide backbone carrying phosphonate and carbohydrate side chains. Furthermore the influence of the secondary structure on the coatings should be investigated. For the synthesis of polypeptides with phosphonate and carbohydrate side groups, poly (alpha, L-glutamic acid) was used as the polypeptide backbone. The use of different initiator systems allowed the preparation of polypeptides with variable degree of polymerization. Subsequently, the different side chains were attached to the polypeptide backbone via polymer analogous reaction with the coupling reagent 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl) -4-methylmorpholine chloride (DMT-MM).
The coating of titanium oxide surfaces with the synthesized polypeptides was successful, as evidenced by ellipsometry, contact angle, XPS, and RAIRS measurements. The spectroscopic studies of the polypeptides before coating, in solution, and after binding, show a conformational change from a disordered and accordingly weakly helical to an ordered, helical structure. This conformational change is likely to occur during the temperature-induced binding step. When phosphonate and carbohydrate side chains are present in the polypeptide, the layer thickness of the coatings decreases, depending on the sugar density.
The synthesized polypeptides were tested in solution depending on the phosphonate side chain, the degree of polymerization and the degree of substitution on their secondary structure. If a phosphonate ester is attached to the polypeptide backbone, a helix-coil transition can be observed at low to medium degrees of substitution and a complete helical arrangement is possible in the acidic pH range. At higher degrees of substitution this transition is very weak or absent. If the side chain hydrophilicity increases due to chemical modifications, the helical content in the polypeptide decreases as the side chain interactions with the backbone and the solvation effect increase because of the higher polarity. In principle, the polypeptides are present in the neutral pH range as a disordered random coil, which indicates that the helical conformation of the polypeptides, which could be detected after binding to titanium oxide surfaces, takes place during the temperature-induced binding step.

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