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''' ''caged''-Verbindungen''' (engl. ''cage'' Käfig) sind [[chemische Verbindung]]en, die bei Bestrahlung mit [[Licht]] bestimmter [[Wellenlänge]]n eine andere Substanz freisetzen. Die deutsche Übersetzung ''Käfigverbindung'' für diese Stoffe ist im wissenschaftlichen Sprachgebrauch nicht üblich.

Das Hauptanwendungsgebiet der ''caged''-Verbindungen ist die [[Biochemie|biochemische]] und [[Zellbiologie|zellbiologische]] Forschung.<ref name="ellis-davies2007">G. C. R. Ellis-Davies (2007) Caged compounds: photorelease technology for control of cellular chemistry and physiology. ''Nat. Methods'' '''4''', 619–628, {{DOI|10.1038/NMETH1072}}.</ref><ref name="adams1993">S. R. Adams, R. Y. Tsien (1993) Controlling cell chemistry with caged compounds. ''[[Annu. Rev. Physiol.]]'' '''55''', 755–784, {{DOI|10.1146/annurev.ph.55.030193.003543}}.</ref> Biologisch aktive Verbindungen werden mit einer photolabilen Schutzgruppe ("cage") ausgestattet und verlieren somit temporär ihre biologische Funktion. Mittels Lichteinstrahlung wird die photolabile Schutzgruppe irreversibel abgespalten und die zuvor inaktive Verbindung weist wieder eine biologische Aktivität auf.<ref name="deiteres2009">A. Deiters (2009) Light activation as a method of regulating and studying gene expression. ''Curr. Opin. Chem. Biol.'' '''13''', 678–686, {{DOI|10.1016/cbpa.2009.09.026}}.</ref>

''Caged''-Verbindungen werden dazu verwendet, Effektoren zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort freizusetzen, wenn deren direkte Applikation schwierig (z. B. im Inneren einer Zelle) oder zu langsam ist, um die gewünschte Konzentration am Wirkort zu erreichen. Die inaktive ''caged''-Verbindung kann sich dagegen auch durch langsame [[Diffusion]] am Ziel anreichern und bei anschließender Belichtung eine genügende Menge Effektor in kurzer Zeit freisetzen. Durch die Verwendung von intensiven Blitzlampen oder [[Laser]]n ist es möglich, einen biochemischen Prozess, z. B. eine enzymatisch katalysierte Reaktion oder eine Signalübertragung, sehr schnell zu starten (Piko- bis Millisekunden).

Als erste biochemische Arbeit mit ''caged''-Verbindungen wird oft eine Publikation über ''caged''-[[Adenosintriphosphat|ATP]] von J. H. Kaplan et al. aus dem Jahr 1978 genannt<ref name="kaplan">J. H. Kaplan, B. Forbush III, J. F. Hoffman (1978) Rapid photolytic release of adenosine 5'-triphosphate from a protected analogue: Utilization by the Na:K pump of human red blood cell ghosts. ''[[Biochemistry]]'' '''17''', 1929–1935, {{DOI|10.1021/bi00603a020}}.</ref>, aber schon kurz vorher hatten J. Engels et al. die Synthese und Anwendung von durch Licht freisetzbaren [[Cyclisches Adenosinmonophosphat|cAMP]] beschrieben.<ref name="engels">J. Engels, Ernst-Jürgen Schlaeger (1977) Synthesis, structure, and reactivity of adenosine cyclic 3',5'-phosphate benzyl triesters. ''J Med Chem'' '''20''', 907–911, {{DOI|10.1021/jm00217a008}}.</ref>

== Anwendungsbereich von ''caged''-Verbindungen ==
Heute werden ''caged''-Verbindungen für viele verschiedene Zwecke verwendet.<ref name="ellis-davies2007" />

Mit ihnen kann man u. a.
* Substrate für Enzyme freisetzen und die anschließende Reaktion des Enzyms zeitaufgelöst verfolgen<ref name="zscherp2001">C. Zscherp, A. Barth (2001) Reaction-induced infrared difference spectroscopy for the study of protein reaction mechanisms. ''Biochemistry'' '''40''', 1875–1883, {{DOI|10.1021/bi002567y}}.</ref>,
* Signalmoleküle in einer Zelle freisetzen und beobachten, wie diese auf das Signal reagiert,
* die [[Genexpression|Expression]] von spezifischen Genen an- oder abschalten.<ref name="krock">L. Kröck, A. Heckel (2005) Lichtinduzierte Transkription mit vorübergehend fehlgepaarten Oligonucleotiden. ''Angew Chemie'' '''117''', 475–477, {{DOI|10.1002/ange.200461779}}.</ref>

== Anforderungen an ''caged''-Verbindungen ==
''Caged''-Verbindungen sind [[Photolyse|photolysierbare]] Verbindungen, d. h. sie gehen bei der Bestrahlung mit Licht eine chemische Reaktion ein. Damit sich eine photolysierbare Verbindung als ''caged''-Verbindung eignet, muss sie mehrere Bedingungen erfüllen:<ref name="pellicioli2002">A. P. Pellicioli, J. Wirz (2002) Photoremovable protecting groups: reaction mechanisms
and applications. ''Photochem. Photobiol. Sci.'' '''1''', 441–458, {{DOI|10.1039/b200777k}}.</ref>

* '''Stabilität.''' Die unbelichtete Substanz sollte stabil sein. Wenn eine ''caged''-Verbindung bei der Lagerung oder in Lösung auch ohne Belichtung langsam zerfällt, so wird oft die eigentlich inaktive ''caged''-Verbindung mit dem aktiven Effektormolekül verunreinigt. Das kann die Interpretation von experimentellen Ergebnissen stark verfälschen.
* '''Biochemische Inaktivität.''' Die biochemische Funktion des Effektormoleküls muss durch die Verknüpfung mit der photolysierbaren Gruppe möglichst vollständig unterdrückt werden.
* '''Geeignete Photolyseeigenschaften.''' Drei Parameter sind hier wesentlich:
** ''Geschwindigkeit.'' Die photolytische Freisetzung des Effektors aus der ''caged''-Verbindung sollte viel schneller ablaufen als der Prozess, der durch das Effektormolekül im untersuchten System ausgelöst wird. Nur dann kann auch eine Aussage über die Geschwindigkeit des Folgeprozesses gewonnen werden.
** ''Spezifität.'' Nach Belichtung sollte möglichst nur eine photochemische Reaktion der ''caged''-Verbindung ablaufen, so dass keine Nebenprodukte entstehen, die nicht die gewünschte oder sogar keine Wirkung zeigen.
** ''Effizienz.'' Die Spaltung der ''caged''-Verbindung sollte mit so wenig Licht wie möglich ablaufen. Die Effizienz der Photolyse hängt von zwei Faktoren ab. Zum einen sollen möglichst viele der Photonen, die in die Probe eingestrahlt werden, auch von der ''caged''-Verbindung absorbiert werden. Dazu muss der [[Extinktionskoeffizient]] ε der ''caged''-Verbindung für die verwendete Lichtwellenlänge hoch sein. Zum anderen sollte jedes absorbierte Photon auch tatsächlich eine photolytische Spaltung bewirken, d. h. die photochemische [[Quantenausbeute]] Φ muss ebenfalls hoch sein. Eine effiziente photolysierbare ''caged''-Verbindung ist daher durch ein möglichst großes Produkt εΦ gekennzeichnet.
* '''Lichtabsorption bei Wellenlängen größer als 300 nm.''' Viele Biomoleküle, darunter Proteine und Nukleinsäuren, absorbieren UV-Licht bei Wellenlängen um 260–280 nm. Wenn die ''caged''-Verbindung ebenfalls in diesem Bereich angeregt werden muss, so filtern andere Probenkomponenten bereits einen Teil der für die Photolyse benötigten Strahlung und können dadurch selbst Photoschäden erleiden. Aus diesen Gründen ist eine Lichtabsorption im längerwelligen Spektralbereich wünschenswert.
* '''Geringe Reaktivität und Toxizität der Reaktionsprodukte.''' Bei der photolytischen Spaltung entsteht nicht nur das gewünschte Effektormolekül, sondern auch eine Verbindung, die sich von der photolysierbaren Gruppe selbst ableitet. Dieses sollte möglichst keine weiteren Reaktionen eingehen und ungiftig sein.
* '''Gute Löslichkeit der ''caged''-Verbindung und der Reaktionsprodukte.'''

== Struktur ==
Obwohl ''caged''-Verbindungen keine einheitliche chemische Stoffklasse bilden, gibt es zwischen ihnen strukturelle Ähnlichkeiten. Meist bestehen sie aus zwei Molekülteilen: dem freizusetzenden Zielmolekül, auch Effektormolekül genannt, und einer photolysierbaren, d. h. durch Licht abspaltbaren Gruppe, dem "cage". Diese photolysierbaren Gruppen sind verwandt und z. T. identisch mit den photolysierbaren [[Schutzgruppe]]n, die in der organischen [[Synthese (Chemie)|Synthese]] verwendet werden.<ref name="green2006">T.W. Green, P.G.M. Wuts. Protective Groups in Organic Synthesis. Wiley-Interscience, New York, 2006, ISBN 978-0471697541.</ref> Die chemische Bindung zwischen den beiden Molekülteilen wird durch einen [[Photochemie|photochemischen]] Prozess bei der Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge aufgebrochen.

Ein Beispiel ist ''caged''-[[Adenosintriphosphat|ATP]] (Adenosin-5'-triphosphat-P3-(1-(2-nitrophenyl)ethyl)-ester): das [[Nukleotid]] [[Adenosintriphosphat]] ist mit der photolabilen Nitrophenyl-Ethyl- (NPE-) Gruppe modifiziert ('''Abb. 1'''). Dieses ''caged''-ATP kann nun mit der sarcoplasmatischen Calcium-ATPase – einem Muskelenzym, das ATP als Substrat benötigt – gemischt werden, ohne dass es mit diesem reagiert, denn die angehängte NPE-Gruppe verhindert, dass das Enzym das modifizierte ATP erkennt. Durch die Bestrahlung mit [[Ultraviolett|UV]]-Licht wird die NPE-Gruppe abgespalten, und das freigesetzte ATP kann nun mit dem Enzym reagieren. Wie sich das Enzym bei der Reaktion mit dem ATP verändert, kann dann z. B. [[Infrarotspektroskopie|infrarotspektroskopisch]] untersucht werden.<ref name="Ca-ATPase">A. Barth, W. Mäntele, W. Kreutz (1991) Infrared spectroscopic signals arising from ligand binding and conformational changes in the catalytic cycle of sarcoplasmic reticulum calcium ATPase. ''[[Biochim Biophys Acta]]'' '''1057''', 115–123, {{DOI|10.1016/S0005-2728(05)80091-X}}.</ref>

[[Datei:Caged ATP reaktion.png|600px|miniatur|zentriert|'''Abb. 1:''' Photolytische Spaltung von NPE-''caged''-ATP]]

Heute gibt es eine große Vielfalt von ''caged''-Verbindungen, sowohl die freigesetzten Effektormoleküle als auch die verwendeten photolysierbaren Gruppen betreffend.

=== Effektormoleküle ===
Die Einteilung der Effektormoleküle kann danach erfolgen, welche chemische Funktionalität zur Anknüpfung der photolabilen Gruppe verwendet wird. Angehörige einer Stoffklasse können häufig durch ähnliche Syntheseverfahren mit ähnlichen photolysierbaren Gruppen versehen werden. Gängige Stoffklassen sind: [[Carbonsäuren]], [[Phosphorsäureester]], [[Alkohole]], [[Amine]], [[Carbamate]], [[Thiole]], [[Ketone]], [[Aldehyde]].

Auch eine Einteilung nach der Funktion des freigesetzten Effektormoleküls ist möglich.<ref name="ellis-davies2007" /> Einige Verbindungen können dabei in mehrere der folgenden Stoffklassen eingeordnet werden:

* [[Nukleotid]]e, z. B. [[Adenosintriphosphat]] (ATP)
* ''[[second messenger]]'', z. B. [[Cyclisches Adenosinmonophosphat|cAMP]], [[Inositoltriphosphat]], [[Stickstoffmonoxid#Physiologische Bedeutung|Stickstoffmonoxid]], Calciumionen
* [[Neurotransmitter]], z. B. [[Glutaminsäure]], [[γ-Aminobuttersäure]]
* [[Peptid]]e und [[Protein]]e
* [[Oligonukleotid|Oligo-]] und [[Polynukleotid]]e, [[DNA]] und [[RNA]]
* [[Fluoreszenzfarbstoff]]e, z. B. [[Fluorescein]]
* ''caged''-"Protonen" (oder Hydroxidionen), d. h. die ''caged''-Verbindung bewirkt bei Photolyse eine Verschiebung des pH-Wertes der Lösung
* ''caged''-"Elektronen", d. h. die ''caged''-Verbindung setzt bei Lichtanregung ein Elektron frei und wirkt damit als [[Reduktionsmittel]]

=== Photolysierbare Gruppen ===
Eine Reihe von photolysierbaren Gruppen haben sich für die Herstellung von ''caged''-Verbindungen als günstig erwiesen.<ref name="pellicioli2002" /> Diese sind in der '''Abb. 2''' dargestellt. An der mit '''E''' markierten Position sitzt der Molekülteil, der als Effektor abgespalten wird.

* '''2-Nitrobenzyl-Derivate (a):''' Vorteile der Stoffklasse sind die gute synthetische Zugänglichkeit und die gut verstandene Photochemie.<ref name="pellicioli2002" /><ref name="mccray1989">J. A. McCray, D. R. Trentham (1989) Properties and uses of photoreactive caged compounds. ''Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem.'' '''18''', 239–270, {{DOI|10.1146/annurev.bb.18.060189.001323}}.</ref> Nachteile sind eine z. T. schlechte Wasserlöslichkeit, ein Absorptionsmaximum im kurzwelligen UV-Bereich des Spektrums, eine langsame Photolyse und reaktive Nebenprodukte (2-Nitroso-Benzophenone). Trotz der Nachteile sind die meisten der kommerziell erhältlichen ''caged''-Verbindungen 2-Nitrobenzyl-Verbindungen.
* '''Cumarinyl-Derivate (b):''' Vorteile sind eine starke Absorption im längerwelligen UV-Bereich, z. T. sogar im sichtbaren Teil des Lichtspektrums, eine meist sehr schnelle Photolyse und ein ungiftiges Nebenprodukt. Nachteilig ist eine oft niedrige photochemische Quantenausbeute, die aber z. T. durch den hohen Extinktionskoeffizienten ausgeglichen wird.
* ''' ''p''-Hydroxyphenacyl-Derivate (c):''' Vorteile sind die gute synthetische Zugänglichkeit, die gute photochemische Quantenausbeute und die schnelle Photolyse. Nachteilig ist, dass diese Verbindungen Licht nur unterhalb von 320 nm nennenswert absorbieren, ähnlich wie Proteine und Nukleinsäuren.
* '''Benzoin-Derivate (d):''' Vorteile der Benzoinderivate sind hohe Quantenausbeuten, schnelle Photolyse und ein inertes Benzofuran-Nebenprodukt. Nachteilig ist die starke Fluoreszenz von letzterem, die bestimmte optische Detektionsmethoden stören kann. Weiterhin kann die [[Chiralität (Chemie)|Chiralität]] des Benzoins problematisch sein, weil die beiden [[Isomere]] der entstehenden ''caged''-Verbindung unterschiedliche Eigenschaften haben können, z. B. bei der Bindung an Enzyme.
* '''1-Acyl-7-Nitroindolin-Derivate (e):''' Zu dieser Verbindungsklasse gibt es nur wenige Beispiele. Ein Vorteil der Klasse ist die schnelle Photolyse, nachteilig eine niedrige Quantenausbeute.

[[Datei:Caged strukturen gruppen.png|600px|miniatur|zentriert|'''Abb. 2:''' Häufig verwendete photolysierbare Gruppen. '''E''' bezeichnet die Stelle, an der der Effektor angeknüpft wird, an den mit '''R''' bezeichneten Positionen können zusätzliche Modifikationen angebracht werden.]]

Um die Eigenschaften einer ''caged''-Verbindung zu verbessern, können die aufgezählten photolysierbaren Gruppen strukturell modifiziert werden. Verschiedene Substituenten an den mit '''R''' gekennzeichneten Stellen können z. B. das Absorptionsmaximum der Verbindung in einen günstigeren Bereich des Lichtspektrums verschieben oder die Wasserlöslichkeit verbessern. Auch der Effektor, der mit der photolysierbaren Gruppe verknüpft werden soll, hat einen nicht immer leicht vorhersehbaren Einfluss auf die Eigenschaften der entstehenden ''caged''-Verbindung.

Neben den genannten Verbindungsklassen gibt es noch eine Reihe von speziellen ''caged''-Verbindungen, die sich darin nicht einordnen lassen ('''Abb. 3'''). Dazu gehören u. a.:

* reversible Photosäuren, z. B. 8-Hydroxypyren-1,3,6-trisulfonsäure (f).<ref name="spry2008">D.B. Spry, M.D. Fayer (2008) Charge redistribution and photoacidity: Neutral versus cationic photoacids. ''J. Chem. Phys'' '''128''', 084508-1–084508-9, {{DOI|10.1063/1.2825297}}.</ref> Diese geben bei Belichtung ein Proton in die Lösung ab und nehmen nach dem Abklingen der Anregung wieder ein Proton auf. Damit bewirken sie eine vorübergehende pH-Verschiebung in der Lösung.
* Komplexverbindungen des Cobalts (g) dienen als ''caged''-Sauerstoff.<ref name="macarthur1995">R. MacArthur, A. Sucheta, F.F. Chong, O. Einarsdottir (1995) Photodissociation of a (μ-peroxo)(μ-hydroxo)bis[bis(bipyridyl)-cobalt(III)] complex: a tool to study fast biological reactions involving O2. ''[[Proc. Natl. Acad. Sci. USA]]'' '''92''', 8105–8109, [http://www.pnas.org/content/92/18/8105.abstract Abstract].</ref>
* Komplexverbindungen des Rutheniums finden als ''caged''-Elektronen (h)<ref name="nakano1996">R. Nakano, H. Sato, T. Shimizu (1996) Tris(2,2'-bipyridyl) ruthenium(II)-mediated photoinduced electron transfer of engineered cytochrome P450 1A2. ''J. Photochem. Photobiol. B'' '''32''', 171–176, {{DOI|10.1016/1011-1344(95)07230-6}}.</ref> oder ''caged''-Stickstoffmonoxid Verwendung.

[[Datei:Caged strukturen exoten.png|600px|miniatur|zentriert|'''Abb. 3:''' Spezielle ''caged''-Verbindungen. Blau gekennzeichnet sind die bei Belichtung abgespaltenen Molekülteile. Im Rutheniumkomplex (h) ändert sich dabei nur die Oxidationszahl des zentralen Rutheniumatoms.]]

== Mechanismen der Photoentschützung ==
Die vom Licht ausgelöste Reaktion der ''caged''-Verbindung kann grob in drei Schritte gegliedert werden.

Zunächst [[Lichtabsorption|absorbiert]] die ''caged''-Verbindung ein Photon und geht damit in den elektronisch [[Angeregter Zustand|angeregten Zustand]] über.

Danach findet der eigentliche photochemische Prozess des angeregten Zustands statt. Die dabei ablaufenden Reaktionsmechanismen sind sehr vielfältig und unterscheiden sich nicht nur zwischen den einzelnen Stoffklassen, sondern mitunter sogar innerhalb einer Stoffklasse bei verschiedenen Effektor-Molekülen oder im Extremfall für ein und dieselbe Verbindung, wenn sie in verschiedenen Lösungsmitteln vorliegt.<ref name="pellicioli2002" /> Gemeinsam ist ihnen, dass am Ende wieder der elektronische Grundzustand der Produkte vorliegt. Im einfachsten Fall hat dabei die Abspaltung des Effektormoleküls bereits stattgefunden. Die primären photochemischen Prozesse sind oft sehr schnell und schon nach Piko- bis Mikrosekunden abgeschlossen.

[[Datei:Caged calcium.png|200px|miniatur|'''Abb. 4:''' ''Caged''-Calcium. Bei der Photolyse wird primär der blau markierte Molekülteil abgespalten, nicht das Calciumion selbst.]]

Teilweise schließen sich nun noch Folgereaktionen an, wenn nämlich die durch Photolyse entstandenen Produkte selber chemisch nicht stabil sind. Dieser Effekt ist z. B. für die Herstellung von ''caged''-Aminen durchaus erwünscht. Mit den Aminen selbst lassen sich nur schlecht ''caged''-Verbindungen herstellen, daher verwendet man dazu die entsprechenden [[Carbamate]]. Wenn nach Belichtung aus der ''caged''-Verbindung das Carbamat freigesetzt wurde, zerfällt dieses spontan weiter in CO2 und das gewünschte Amin. Der Zerfall des Carbamates ist langsamer als seine Freisetzung aus der ''caged''-Verbindung und begrenzt damit die Bildungsgeschwindigkeit des Amins.

Auch für das oft verwendete ''caged''-Calcium ('''Abb. 4''') wird eine solche Sekundärreaktion ausgenutzt. In der ''caged''-Verbindung selbst ist das Calciumion als [[Chelatkomplexe|Chelat]]komplex gebunden. Die Belichtung setzt das Ion nicht direkt frei, sondern führt primär nur zur Spaltung einer Bindung im Chelatliganden. Der "defekte" Ligand kann das Calcium nicht mehr fest genug binden: er zerfällt in zwei Teile und setzt das Ion in die Lösung frei.

== Literatur ==
* G. Marriott (Hrsg.), Caged compounds, [http://www.sciencedirect.com/science/bookseries/00766879 ''Methods in Enzymology''] '''291''', 1998, ISBN 978-0121821920
* C. Brieke ''et al.'' (2012) Lichtgesteuerte Werkzeuge. ''Angew. Chem.'' '''124''', 8572-8604 {{DOI|10.1002/ange.201202134}}
* C. Brieke ''et al.'' (2012) Light-Controlled Tools. ''Angew. Chem. Int. Ed.'' '''51''', 8446-8476 {{DOI|10.1002/anie.201202134}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Chemikaliengruppe]]

Caged-Verbindungen - Versionsgeschichte

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