Untersuchung der Bindung zwischen bakteriellen Polysacchariden und Schwermetallionen

Duisburg, Essen (2010), III, 169 Bl.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie
Fakultät für Chemie » Physikalische Chemie
Mayer, Christian (Doktorvater, Betreuerin)
Schmidt, Torsten Claus (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2010
Abstract:
Da die Struktur eines Biofilms maßgeblich von Wasser und extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) bestimmt wird und sich die EPS hauptsächlich aus Polysacchariden zusammensetzen, werden im Rahmen dieser Arbeit Untersuchungen an drei ausgewählten Modellpolysacchariden (Dextran, Hyaluronsäure und Xanthan) durchgeführt. Bei diesen Untersuchungen handelt es sich um physikalische Methoden, welche in Anwesenheit von mehrwertigen Metallkationen (Ba2+, Cr3+, Co2+, Cu2+, Fe2+ und Ni2+) vollzogen werden. Mit der Verwendung dieser Polysaccharide soll das Verhalten eines Biofilms simuliert werden, um mögliche Wechselwirkungen zwischen den EPS eines Biofilms und den verwendeten Metallen zu charakterisieren. Das ungeladene Dextran wird als Vergleichssubstanz für die geladenen Polysaccharide Hyaluronsäure und Xanthan eingesetzt. Um den Einfluss von Seitenketten bei geladenen Polysaccharidmolekülen zu untersuchen, wird das verzweigte Xanthan mit der linearen Hyaluronsäure verglichen. Mit Hilfe der konduktometrischen und der rotationsviskosimetrischen Titration wird ein Verhältnis von Kation zu Monomereinheiten für die Hyaluronsäure bei zweiwertigen Kationen von ca. eins zu fünf und für dreiwertige Kationen von ca. eins zu sechs am Äquivalenzpunkt bestimmt. Für das Xanthan wird so ein Verhältnis von ca. eins zu zwei für zweiwertige und von ca. eins zu drei für dreiwertige Kationen am Äquivalenzpunkt nachgewiesen. Für Dextran können keine spezifischen Wechselwirkungen mit den untersuchten Kationen nachgewiesen werden. Es wird vermutet, dass die bei Xanthan und Haluronsäure in Gegenwart von Kationen auftretenden starken Wechselwirkungen intramolekularer Natur sind und zu einer Dichtezunahme des Moleküls und damit zu einer Abnahme der Viskosität der Lösungen führen. Die rotationsviskosimetrischen Untersuchungen bestätigen diese Annahme, denn hierbei kann eine Abnahme der Viskosität der Lösungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Kationenkonzentration beobachtet werden. Strukturspezifische Wechselwirkungen werden für das Hyaluronat sowie für das Xanthan mittels AFM-Spektroskopie und 1H- bzw. 13C-NMR-spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen. Hierbei werden für das Hyaluronat regiospezifische Wechselwirkungen der untersuchten Kationen mit den Amidgruppen sowie mit den Carboxylatgruppen beobachtet. Beim Xanthan weisen die durchgeführten Untersuchungen eine spezifische Wechselwirkung der mehrwertigen Metallionen ausschließlich mit den Carboxylatgruppen der Pyruvatgruppen nach.
Unter Berücksichtigung aller in dieser Arbeit gesammelten Ergebnisse kann eine Affinität der hier untersuchten Metallkationen zu den geladenen Vertretern der EPS nachgewiesen werden. Für das Hyaluronat bedeutet dies, dass in Gegenwart von mehrwertigen Kationen ein intermolekularer, okaedrischer Chelatkomplex gebildet wird, dessen Stabilität mit dem Kationenradius zunimmt. Dieser postulierte Komplex ist in Abbildung 7.1 dargestellt.

Abbildung 7.1: An Hand der Ergebnisse dieser Arbeit postulierter oktaedrischer Metall-Hyaluronatkomplex bestehend aus zwei Tetrasaccharideinheiten.

Das Xanthan bildet ebenfalls in Gegenwart von mehrwertigen Kationen einen intramolekularen Chelatkomplex, bei dem aber eine tetraedrische Koordination der Kationen angenommen wird. Die Stabilität dieses Komplexes nimmt, wie beim Hyaluronat, ebenfalls mit dem Kationenradius zu. Die in der Literatur formulierte Annahme, dass Xanthan mit den mehrwertigen Kationen sowohl über die Pyruvatgruppen als auch über die Glucuronate wechselwirkt, kann nicht bestätigt werden [1]. Die erhaltenen Ergebnisse deuten vielmehr auf einen zweiten, in der Literatur beschrieben Komplex hin [2], bei dem sich die koordinativen Bindungen auf die Pyruvatgruppe beschränken (siehe Abbildung 7.2).

Abbildung 7.2: Struktur des sich durch die Wechselwirkungen zwischen Xanthan und den mehrwertigen Kationen bildenden Komplexes.