Biochemie und Chemie
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Membranproteine der renalen Bürstensaumzellen spielen eine wichtige Rolle beim Transport von organischen Kationen in der Niere. Mit der ersten Klonierung eines Transporters für organische Kationen wurden die Grundlagen für eine Aufklärung der Transportvorgänge auf molekularer Ebene gelegt. Der Transportmechanismus und die physiologische Funktion des in den Plasmamembranen von Niere und Gehirn exprimierten Transporters für organische Kationen 2 (OCT2) werden zur Zeit -- teilweise kontrovers -- diskutiert. In dieser Dissertation wurde der aus der Rattenniere klonierte elektrogene Transporter für organische Kationen rOCT2 nach heterologer Expression in Oozyten des Krallenfrosches Xenopus laevis mit elektrophysiologischen Methoden charakterisiert. Zur Anwendung kam neben der konventionellen ZweiElektrodenSpannungsklemme vor allem die ''giant patch clamp"Technik. Als neue Methode speziell für Transstimulationsexperimente bei geklemmtem Membranpotenzial wurde die amperometrische Spannungsklemme entwickelt, mit der ein Ausstrom von Dopamin aus vorinkubierten Oozyten mittels Oxidation an einer CarbonfaserElektrode bei gleichzeitiger Aufzeichnung des elektrischen Transmembranstromes gemessen werden kann. Die Kontrolle der physiologischen Salzlösungen beiderseits der Membran in ''patch clamp" Experimenten erlaubte eine leichte Unterscheidung wechselwirkender Substanzen in Substrate wie: Cholin, Dopamin, Tetramethylammonium und Tetraethylammonium und Hemmstoffe wie: Chinin und Tetrabutylammonium (TBA). Anhand von substratinduzierten elektrischen Ausströmen konnten erstmalig für einen Transporter für organische Kationen apparente Substrataffinitäten von der zytoplasmatischen Seite bestimmt werden. Sie liegen in derselben Größenordnung wie zuvor auf der extrazellulären Seite bestimmte Affinitäten. Der schon früher vorgeschlagene elektrogene Ausstrom von Substrat auch gegen ein negatives Membranpotenzial wurde damit bestätigt. Es wurde eine Hemmung rOCT2vermittelter Ströme durch Schwermetalle und durch Isobutylmethylxanthin gefunden. Die zytoplasmatische Zugabe der Inhibitoren TBA und Chinin hemmte sowohl substratinduzierte Einwärts als auch Auswärtsströme. Die Inhibierung der Auswärtsströme erfolgte dabei kompetitiv. Von der extrazellulären Seite aus hemmte Chinin im Gegensatz zu TBA Einwärtsströme nichtkompetitiv, was auf eine Transinhibierung nach einer unspezifischen Membranpassage des Chinins hindeutet. Die Analyse von StromSpannungskennlinien zeigte, dass die maximalen Transportraten und apparenten Affinitäten der Substrate spannungsabhängig sind. Umkehrpotenziale, die in Anwesenheit von Substrat beiderseits der Membran gemessen wurden, lagen bei den durch die Nernstgleichung vorhergesagten Werten. Dieses Ergebnis identifiziert das elektrochemische Potenzial als treibende Kraft für den Transport von organischen Kationen bei neutralem pH und schließt die Existenz eines elektroneutralen OrganischeKationen/ProtonenAustauschmodus aus. Die rOCT2spezifische Leitfähigkeit war bei sättigenden Konzentrationen von organischen Kationen beiderseits der Membran im Vergleich zu halbsättigenden reduziert. Diese Beobachtung ist mit einem zyklischen Transportmodell erklärbar, bei dem der Transporter nach erfolgtem Transport eines organischen Kations entweder als leerer Transporter oder mit einem auf der anderen Seite gebundenen Kation in seine Ausgangstellung zurückkehren kann, wobei die Translokation der Bindungsdomäne jeweils mit einer Konformationsänderung des Transporters einhergeht. Der Austausch von organischen Kationen erfolgt dabei elektroneutral. Einen weiteren Beleg für einen elektroneutralen Austauschmodus für organische Kationen liefern amperometrische Messungen an reversibel mit Dopamin beladbaren Oozyten. Es konnte ein rOCT2vermittelter, durch Chinin hemmbarer Dopaminausstrom gemessen werden, der in Abhängigkeit des Membranpotenzials durch extrazelluläres Cholin entweder transstimulierbar oder transinhibierbar war. Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Untersuchungen belegen, dass rOCT2 als basolateral lokalisierter Transporter hervorragend dazu geeignet ist, mit der vom elektrochemischen Potenzial getriebenen Substrataufnahme in die Bürstensaumzellen den ersten Schritt der Sekretion von organischen Kationen durch die Niere zu leisten. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass rOCT2 bei einem ausreichenden Konzentrationsgradienten von Cholin bei der physiologisch bedeutsamen Reabsorption von Cholin beteiligt sein könnte, indem dieses gegen das negative Membranpotenzial, womöglich im Austausch gegen ein anderes organisches Kation, transportiert wird. Zeitaufgelöste Messungen mit Substrat oder Spannungssprüngen sowie Bindungs und Transportstudien nach gezielter Mutagenese könnten zukünftig einer weiteren Aufklärung des Transportmechanismus dienen. Einige die Charakterisierung von rOCT2 in ''inside out"Patchen betreffende Ergebnisse dieser Dissertation wurden bereits im Journal of Biological Chemistry veröffentlicht und auf internationalen Konferenzen präsentiert. Andere Ergebnisse sind Teil einer vom American Journal of Physiology zur Veröffentlichung angenommenen Arbeit und eine weitere Veröffentlichung ist in Vorbereitung.
Die Cytochrom c Oxidase von Paracoccus denitrificans katalysiert die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser und „pumpt“ zusätzlich vier Protonen von der cytoplasmatischen Seite auf die periplasmatische Seite der Cytoplasmamembran. Die Spaltung des molekularen Sauerstoffes im binuklearen Zentrum erfolgt im katalytischen Zyklus des Enzyms bei der Umwandlung des Intermediates A, in welchem molekularer Sauerstoff an das Häm a3 Eisen gebunden ist, in das Intermediat PM durch spontane elektronische Umorganisation. Drei der dazu benötigten vier Elektronen werden von den Metallzentren geliefert. Das vierte Elektron wird sehr wahrscheinlich von einer Aminosäure in der Nähe des binuklearen Zentrums durch Bildung eines Aminosäureradikals beigesteuert. Dieses Radikal sollte in den Intermediaten PM und F• des katalytischen Zyklus der Cytochrom c Oxidase vorhanden sein. Durch Reaktion von stöchiometrischen Mengen an Wasserstoffperoxid mit dem vollständig oxidierten Enzym lassen sich PM; F• und F-Intermediate künstlich erzeugen und durch ihre Maxima in Absorptionsdifferenzspektren charakterisieren. Mit paramagnetischer Elektronenresonanzspektroskopie (EPR-Spektroskopie) können Struktur und Dynamik paramagnetischer Zentren in Proteinmolekülen untersucht werden. Mit dieser Methode konnte in mit Wasserstoffperoxid generierten PM und F•-Intermediaten ein Tyrosinradikal nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Identifikation dieses Tyrosins mittels einer Mutagenesestudie. Dazu wurden Tyrosinvarianten (Y35F, Y167F, Y267F, Y280H, Y328F und Y414F) aus Untereinheit I, die einen maximalen Abstand von 25 Angström vom binuklearen Zentrum aufweisen, mit Hilfe von Absorptions- und EPR-Spektroskopie charakterisiert. Auf diese Weise konnte nachgewiesen werden, dass Tyrosin 167 eindeutig der Ursprungsort des Tyrosinradikals ist, das bei der Generierung von PM- und F•-Intermediaten der Cytochrom c Oxidase mit Wasserstoffperoxid entsteht. Da die Variante Y167F jedoch eine hohe katalytische Aktivität aufwies und in der Lage war, die Oxoferrylintermediate PM; F• und F zu bilden, konnte gleichzeitig gezeigt werden, dass dieses Tyrosin nicht der primäre Donor des vierten Elektrons sein kann, das im katalytischen Zyklus des Enzyms für die Spaltung der Sauerstoffbindung benötigt wird. Diese Ergebnisse wurden dahingehend interpretiert, dass Tyrosin 167 eine thermodynamische Senke darstellt, in die das von einem unbekannten kurzlebigen Elektronendonor bei der Wasserstoffperoxidreaktion gebildete Radikal verschoben wird. Als Donor des vierten Elektrons für die Sauerstoffspaltung kommt auch Tryptophan 272 infrage. Daher wurde auch die Variante W272M spektroskopisch charakterisiert. Diese Variante war katalytisch inaktiv und nicht in der Lage in Reaktion mit Wasserstoffperoxid die Intermediate PM, F• und F zu bilden. Es ließen sich weder das Tyrosin-167-Radikal noch ein anderes Radikal nachweisen. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass Tryptophan 272 möglicherweise der ursprüngliche Donor des vierten Elektrons für die Sauerstoffspaltung im katalytischen Zyklus der Cytochrom c Oxidase sein könnte. Während des PM zu F-Übergangs im katalytischen Zyklus der Cytochrom c Oxidase werden zwei Protonen gepumpt. Diese können vom Enzym entweder über den D-Weg oder den K-Weg aufgenommen werden. Eine Untersuchung des PM zu F-Übergangs von D-Weg- und K-Weg-Varianten der Cytochrom c Oxidase kann Aufschluss über die Beteiligung der beiden Protonenaufnahmewege des Enzyms an diesem Schritt des katalytischen Zyklus geben. Daher wurde die Reaktion der D-Weg Varianten D124N, N131D, Y35F und E278Q und der K-Weg Variante K354M mit Wasserstoffperoxid absorptionsspektroskopisch untersucht. Durch diese Experimente konnte die zentrale Bedeutung des D-Weges für die Protonentranslokation im PM zu F-Übergangs bestätigt, aber auch ein gewisser Einfluss des K-Weges nicht ausgeschlossen werden. Außerdem wurde der PM zu F-Übergang der Variante R437N, die eventuell Teil des noch nicht konkret identifizierten Protonenaustrittsweg der Cytochrom c Oxidase ist, untersucht.
Riboswitch RNAs fold into complex tertiary structures upon binding to their cognate ligand. Ligand recognition is accomplished by key residues in the binding pocket. In addition, it often crucially depends on the stability of peripheral structural elements. The ligand-bound complex of the guanine-sensing riboswitch from Bacillus subtilis, for example, is stabilized by extensive interactions between apical loop regions of the aptamer domain. Previously, we have shown that destabilization of this tertiary loop–loop interaction abrogates ligand binding of the G37A/C61U-mutant aptamer domain (Gswloop) in the absence of Mg2+. However, if Mg2+ is available, ligand-binding capability is restored by a population shift of the ground-state RNA ensemble toward RNA conformations with pre-formed loop–loop interactions. Here, we characterize the striking influence of long-range tertiary structure on RNA folding kinetics and on ligand-bound complex structure, both by X-ray crystallography and time-resolved NMR. The X-ray structure of the ligand-bound complex reveals that the global architecture is almost identical to the wild-type aptamer domain. The population of ligand-binding competent conformations in the ground-state ensemble of Gswloop is tunable through variation of the Mg2+ concentration. We quantitatively describe the influence of distinct Mg2+ concentrations on ligand-induced folding trajectories both by equilibrium and time-resolved NMR spectroscopy at single-residue resolution.
Long-range tertiary interactions determine the three-dimensional structure of a number of metabolite-binding riboswitch RNA elements and were found to be important for their regulatory function. For the guanine-sensing riboswitch of the Bacillus subtilis xpt-pbuX operon, our previous NMR-spectroscopic studies indicated pre-formation of long-range tertiary contacts in the ligand-free state of its aptamer domain. Loss of the structural pre-organization in a mutant of this RNA (G37A/C61U) resulted in the requirement of Mg2+ for ligand binding. Here, we investigate structural and stability aspects of the wild-type aptamer domain (Gsw) and the G37A/C61U-mutant (Gswloop) of the guanine-sensing riboswitch and their Mg2+-induced folding characteristics to dissect the role of long-range tertiary interactions, the link between pre-formation of structural elements and ligand-binding properties and the functional stability. Destabilization of the long-range interactions as a result of the introduced mutations for Gswloop or the increase in temperature for both Gsw and Gswloop involves pronounced alterations of the conformational ensemble characteristics of the ligand-free state of the riboswitch. The increased flexibility of the conformational ensemble can, however, be compensated by Mg2+. We propose that reduction of conformational dynamics in remote regions of the riboswitch aptamer domain is the minimal pre-requisite to pre-organize the core region for specific ligand binding.
Obwohl zahlreiche zelluläre Funktionen von RNAs in direktem Zusammenhang mit Proteinen stehen, wurde auch eine Vielzahl von, unter anderem regulatorischen, RNA-Motiven identifiziert, die ihre Funktion ohne eine initiale Beteiligung von Proteinen ausüben. Das detaillierte Verständnis der zu Grunde liegenden Regulationsmechanismen beinhaltet die Charakterisierung von beteiligten RNA-Architekturen und deren funktionaler Stabilitäten, von dynamischen Aspekten der RNA-Faltungsprozesse sowie die Korrelation dieser Charakteristika mit zellulären Funktionen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden strukturelle, thermodynamische und kinetische Aspekte der Ligand-bindenden Guanin Riboswitch-RNA Aptamerdomäne des xpt-pbuX Operons aus B. subtilis und eines Cofaktor-abhängigen katalytischen RNA-Motivs, des 'Adenin-abhängigen Hairpin Ribozyms', untersucht. ...
In dieser Arbeit geht es um Kristallstrukturbestimmung und -modellierung ausgewählter organischer Pigmente sowie metallorganischer Polymere. Der feste – und insbesondere kristalline – Zustand der Materie ist von (im wahrsten Sinne des Wortes) tragender und weitreichender Bedeutung für die moderne Wissenschaft, Technologie, den Alltag überhaupt.
Die Kenntnis über den inneren (mikroskopischen)Aufbau des Festkörpers ermöglicht es zunächst, seine (makroskopischen) Eigenschaften zu verstehen. Genannt seien z. B. nicht-lineare optische Eigenschaften, die in der typischen anisotropen Struktur des kristallinen Festkörpers begründet liegen, mechanische Stabilität von Werkstoffen wie Metallen oder Legierungen, aber auch die Eigenschaften von Pigmenten: Was macht eine Substanz zu einem Pigment? Wann ist ein Pigment ein gutes, wann ein weniger gutes Pigment? Die Antworten auf diese Fragen finden sich u. a. in der Kristallstruktur: Packungsdichte, (Schwer-)löslichkeit, etc.
Die Eigenschaften von Substanzen mit sichtbaren Low-Spin–High-Spin-Übergängen lassen sich auch nur verstehen, wenn der innere Aufbau, die Kristallstruktur, bekannt ist. Was geht im Inneren vor, wenn solche Substanzen einem äußeren Einfluss wie beispielsweise Temperaturänderung ausgesetzt werden? Ist es nicht so, dass z. B. ein High-Spin-Fe2+-Ion einen größeren effektiven Radius als ein Low-Spin-Fe2+-Ion hat? Dehnt sich die Kristallstruktur aus, „atmet“ sie?
Die Kenntnis der Kristallstruktur ermöglicht es nicht nur, die Eigenschaften zu verstehen. Umgekehrt ist es auch möglich, diese Eigenschaften gezielt zu manipulieren: Verbesserung der Pigmenteigenschaften durch Herabsetzen der Löslichkeit, Veränderung der elektronischen und magnetischen Kopplungen in niedrig-dimensionalen Polymerketten, um nur zwei zu nennen.
Zum Leidwesen des Chemikers, des Physikers und des Kristallographen besteht in den Eigenschaften, die z. B. Pigmente als „gut“ auszeichnen, das größte Problem: die mangelnde Löslichkeit der Verbindung. Es ist genau diese Eigenschaft, die dafür sorgt, meist keine Einkristalle züchten zu können, massive Schwierigkeiten beim Umkristallisieren zu haben und letztendlich – wenn keine Einkristalle vorliegen – bei der Strukturbestimmung aus Pulverdaten breite, überlappende Reflexe separieren zu müssen.
Dennoch gibt es nützliche und bewährte Methoden, auch aus (sogar nur mäßigen) Pulverdaten eine Kristallstruktur zu lösen. Genannt seien hier quantenchemische Rechnungen, die unter Umständen sehr rechen- und zeitintensiv sein können, oder Kraftfeld-Methoden, die zwar nicht sehr exakte, aber immerhin doch brauchbare Ergebnisse mit vertretbarem Zeit- und Rechenaufwand liefern. Diese Methoden sind insbesondere dann zur Vorhersage von Kristallstrukturen geeignet, wenn das Pulverdiagramm nicht indizierbar ist.
Wenn die Struktur erst gelöst ist, ist die bewährte Methode der Strukturverfeinerung die Rietveld-Methode. Obwohl oder gerade weil die Methode mittlerweile zu einer „Black- Box“-Methode geworden ist, ist die genaue Analyse und Interpretation der Ergebnisse unabdingbar.
Es gibt genügend Beispiele, in denen vermeintlich gute Ergebnisse (struktur-)chemisch sinnlos sind.
Themenstellung
Pigmente spielen in der Industrie eine wesentliche Rolle. Im Gegensatz zu Farbstoffen sind Pigmente im Anwendungsmedium unlöslich, sie werden feinkristallin dispergiert, um z. B. in Autolacken oder Kunststoffen eingesetzt zu werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Kristallstrukturen von 13 Pigmenten bestimmt.
Zu den genannten Kristallstrukturbestimmungen kommt ein Kapitel mit einer grundsätzlichen Fragestellung: Wo sind die Grenzen der Strukturbestimmung aus Pulverdaten? Wann ist eine Kristallstruktur „richtig“ oder „falsch“?
Ein letztes Pigment verknüpft die beiden vorangehenden Punkte.
Das letzte Kapitel behandelt die Erstellung von 5 Modellstrukturen aus zwei Substanzklassen für niedrig-dimensionale metall-organische Festkörper.
Beide Substanzklassen wurden im Rahmen der Forschergruppe 412 („Spin- und Ladungsträgerkorrelationen in niedrigdimensionalenmetallorganischen Festkörpern“)der DFG hinsichtlich elektronischer und magnetischer Eigenschaften untersucht.
The knowledge of three-dimensional structures of biomolecules is fundamental for the understanding of their function. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy represents besides X-ray crystallography one of the two most widely used techniques to study macromolecules at atomic resolution. Its application has long been a laborious task that could take months and required the expertise of an experienced scientist, however, owing to the tremendous effort that has been put into the development of respective computer algorithms, structure determination by NMR spectroscopy of small- to medium sized proteins is nowadays routinely performed. CYANA is one widely used software package, which combines the majority of individual steps towards a three-dimensional structure. The most common application of the program, however, restricts to the combined automated NOE assignment and structure calculation based on NOESY peak lists and an existing chemical shift assignment. Completely automated structure determination starting from NMR spectra is to date technically possible with CYANA, however, not yet routinely applied. In order to achieve this long-term goal, the individual steps need to become more robust with regard to data imperfections such as peak overlap, spectral artifacts or a limited amount of NMR data. The work presented in this thesis should be placed within the context of increasing the reliability and improving the accuracy of structures determined by CYANA on the basis of solution- as well as solid-state NMR data.
The chapter “Systematic evaluation of combined automated NOE assignment and structure calculation with CYANA” comprises an extensive study on the robustness of the combined automated NOE assignment and structure calculation algorithm based on experimental solution NMR data sets that were modified in multiple ways to mimic different kinds of data imperfections. The results show that the algorithm is remarkably robust with regard to imperfections of the NOESY peak lists and the chemical shift tolerances but susceptible to lacking or erroneous resonance assignments, in particular for nuclei that are involved in many NOESY cross peaks.
In the chapter “Peakmatch – A simple and robust tool for peaklist matching” a method to achieve self-consistency of the chemical shift referencing among a set of peak lists is presented. The Peakmatch algorithm matches a set of peak lists to a specified reference peak list, neither of which have to be assigned, by optimizing an assignment-free match-score function. The algorithm has been extensively tested on the basis of experimental NMR data sets of five different proteins. The results show that peak lists from many different types of spectra can be matched reliably as long as they contain at least two corresponding dimensions.
NMR structures are represented by bundles of conformers whose spread indicates the precision of the atomic coordinates. However, there is as yet no reliable measure of structural accuracy, i.e. how close NMR conformers are to the “true” structure. Instead, the precision of structure bundles is widely (mis)interpreted as a measure of structural quality. Attempts to increase the precision thus often yield tight structure bundles where the precision overestimates the accuracy. To overcome this problem, the chapter “Increased reliability of NMR protein structures by consensus structure bundles” introduces a new protocol for NMR structure determination with the software package CYANA that produces bundles of conformers with a realistic precision that is throughout a large number of test data sets a much better estimate of the structural accuracy than the precision of conventional structure bundles.
Solid-state NMR is a powerful technique to study molecules which are not amenable to either solution NMR or X-ray crystallography. Despite the reporting of individual atomic resolution structures of membrane proteins and amyloid fibrils based on solid-state NMR data, the application is far from routine. One major obstacle that hinders structure determination by solid-state NMR is the overall lower quality of the solid-state NMR spectra. It is therefore necessary to increase the robustness of the computer algorithms in order to improve the results when using lower quality solid-state NMR spectra. The chapter “Structure calculations of the model protein GB1 from solid-state NMR data” presents structure calculations on the basis of a set of two-dimensional solid-state NMR experiments of the model protein GB1. The most important result obtained from these test calculations is that the limitation of structural accuracy can be attributed to inaccurate distance information resulting from the limited correlation between peak intensities and distance, which is especially severe in spin diffusion-based solid-state NMR experiments.
The chapter “Full relaxation matrix-based correction of relayed polarization transfer for solid-state NMR structure calculation” therefore introduces a method which corrects experimental peak intensities for spin diffusion in order to improve the distance information from solid-state NMR spectra. The results show that the structural accuracy can be significantly improved when using the corrected distance information, however, strongly dependent on the preliminary structural model that is required as input for the method.
Focus on quantum efficiency
(2014)
Technologies which convert light into energy, and vice versa, rely on complex, microscopic transport processes in the condensed phase, which obey the laws of quantum mechanics, but hitherto lack systematic analysis and modeling. Given our much improved understanding of multicomponent, disordered, highly structured, open quantum systems, this ‘focus on’ collection collects cuttingedge research on theoretical and experimental aspects of quantum transport in truly complex systems as defined, e.g., by the macromolecular functional complexes at the heart of photosynthesis, by organic quantum wires, or even photovoltaic devices. To what extent microscopic quantum coherence effects can (be made to) impact on macroscopic transport behavior is an equally challenging and controversial question, and this "focus on" collection provides a setting for the present state of affairs, as well as for the "quantum opportunities" on the horizon.
The title compound, C37H67NO13·2C2H6OS·1.43H2O, is a macrolide antibiotic with better solubility and better dermal penetration abilities than erythromycin A itself. The asymmetric unit of this form contains one erythromycin A molecule, two dimethyl sulfoxide (DMSO) solvent molecules, a fully occupied water molecule and a partially occupied water molecule with an occupancy factor of 0.432 (11). The 14-membered ring of the erythronolide fragment has a conformation which differs considerably from that in erythromycin A dihydrate [Stephenson, Stowell, Toma, Pfeiffer & Byrn (1997[Stephenson, G. A., Stowell, J. G., Toma, P. H., Pfeiffer, R. R. & Byrn, S. R. (1997). J. Pharm. Sci. 86, 1239-1244.]). J. Pharm. Sci. 86, 1239–1244]. One of the two DMSO molecules is disordered over two orientations; the orientation depends on the presence or absence of the second, partially occupied, water molecule. In the crystal, erythromycin molecules are connected by O—H⋯O hydrogen bonds involving the hydroxy groups and the fully occupied water molecule to form layers parallel to (010). These layers are connected along the b-axis direction only by a possible hydrogen-bonding contact involving the partially occupied water molecule.
Single crystals of the title compound, C10H11NO4, an intermediate in the industrial synthesis of yellow azo pigments, were obtained from the industrial production. The molecules crystallize as centrosymmetic dimers connected by two symmetry-related N—H⋯O=C hydrogen bonds. Each molecule also contains an intramolecular N—H⋯O=C hydrogen bond. The dimers form stacks along the a-axis direction. Neighbouring stacks are arranged into a herringbone structure.