Biochemie und Chemie
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Structural biology and life sciences in general, and NMR in particular, have always been associated with advanced computing. The current challenges in the post-genomic era call for virtual research platforms that provide the worldwide research community with both user-friendly tools, platforms for data analysis and exchange, and an underlying e-Infrastructure. WeNMR, a three-year European Commission co-funded project started in November 2010, groups different research teams into a worldwide virtual research community. It builds on the established eNMR e-Infrastructure and its steadily growing virtual organisation, which is currently the second largest VO in the area of life sciences. WeNMR provides an e-Infrastructure platform and Science Gateway for structural biology. It involves researchers from around the world and will build bridges to other areas of structural biology.
Die vorliegende Arbeit befasste sich in erster Linie mit der Regulation des P2X2 Rezeptors (P2X2R) durch Phosphoinositide (PI). P2X Rezeptoren sind durch extrazelluläres ATP aktivierte Kationenkanäle, die ubiquitär unter Vertebraten, v. a. im zentralen wie peripheren Nervensystem exprimiert werden. Bis heute sind 7 verschiedene Untereinheiten dieser Rezeptorfamilie bekannt, die nach homo- oder heterotrimerer Assemblierung unterschiedliche funktionelle Phänotypen ausbilden. Die P2X Rezeptoren sind an einer Vielzahl von physiologischen und pathophysiologischen Prozessen beteiligt. Für ihre Beteiligung am zellulären Signalgeschehen wurde in der Vergangenheit der Begriff der purinergen Signaltransduktion geprägt. PI4,5P2 ist ein zelluläres, an der Innenseite der Plasmamembran verankertes Phospholipid, dem zahlreiche, essentielle Funktionen zukommen. Dass es auch Signalfunktion besitzen kann, wurde erst spät (1980) bekannt; dass es darüber hinaus zudem membranäre Transportsysteme reguliert, konnte erst in den letzten Jahren gezeigt werden. Die ersten Kanäle, für die eine Phosphoniositid (PI)-Beeinflussung nachgewiesen wurde, waren die einwärts gleichrichtenden K+-Kanäle. 2006 wurden die ersten vorläufigen Hinweise publiziert, dass auch die Kanalfunktion der P2X Rezeptoren durch Phosphoinositide beeinflusst werden kann. Darauf aufbauend wurde in der vorliegenden Arbeit der P2X2R nach Expression in Xenopus Oozyten elektrophysiologisch auf eine mögliche Regulation durch PIPns untersucht. Um die in der Oozyte vorliegenden PI-Level gezielt während der Messung ändern zu können, wurde die spannungsgesteuerte Phosphoinositid-Phosphatase Ci-VSP coexprimiert. Ci-VSP, die der PTEN-Phosphatase strukturell sehr ähnlich ist, wurde 2005 aus der Schlauchascidie Ciona intestinalis kloniert. In der veröffentlichten Klonierungsarbeit wurde bereits gezeigt, dass Ci-VSP in der Lage ist, bekannte PI4,5P2-sensitive Membrankanäle, wie z. B. bestimmte K+-Kanäle, spannungsabhängig zu inhibieren. Es konnte in TEVC-Experimenten gezeigt werden, dass die durch Depolarisation induzierte Aktivierung dieser Phosphatase den P2X2 Rezeptorstrom in seiner Desensibilisierung sowohl beschleunigt als auch verstärkt. Dieser Effekt war spannungsabhängig und nahm mit höherer Depolarisation zu. Die ermittelte Spannungsabhängigkeit stimmte dabei mit dem sensitiven Potentialbereich der spannungsgesteuerten Ci-VSP-Domäne, gemessen an ihren gating-Strömen, überein. Der „Ci-VSP-Effekt“ auf den P2X Rezeptor konnte nur in Anwesenheit von ATP, d.h. bei aktiviertem Rezeptor, beobachtet werden. Wurden die Oozyten mit Wortmannin, einem PI4-Kinase(PI4K)-Inhibitor, behandelt, zeigte sich eine vergleichbare Veränderung des Rezeptorstroms. Eine PI4K-Inhibition zielt demnach offensichtlich auf die gleichen Regulationsmechanismen wie die Ci-VSP-Aktivierung. In weiterführenden zellfreien Patch Clamp-Messungen an Oozytenmembranen wurden sowohl Einzelkanal- als auch makroskopische Ströme des P2X2R unter Einfluss verschiedener, intrazellulär verabreichter PIs und PI-beeinflussender Enzyme untersucht. Einzig die Zugabe von PI4,5P2 hatte einen deutlich aktivierenden Einfluss auf den makroskopischen Rezeptorstrom, andere getestete PIs (wie auch PI3-Kinase und PTEN-Phosphatase) zeigten keinerlei Wirkung. Vergleichbare Ergebnisse konnten in vorläufigen Einzelkanal-Messungen an diesem Rezeptor Subtyp beobachtet werden. Da die PI4-Kinase offensichtlich an der beobachteten Beeinflussung der P2X2R Desensibilisierung beteiligt ist, wurde die P2X2-Rezeptorsequenz auf potentielle - über sogenannte SH3-Epitope vermittelte - PI4K-Interaktionsbereiche hin untersucht. Diese SH3-Epitope kommen in vielen zellulären Proteinen vor, um Protein-Protein-Interaktionen zu vermitteln. Nach Sequenzanalyse des maßgeblich am Desensibilisierungsgeschehen beteiligten C-Terminus des P2X2R konnte im distalen Teil ein SH3-Bindungsmotiv lokalisiert werden, das daraufhin durch gerichtete Mutagenese (P2X2-P451A/P454A) unwirksam gemacht wurde. Dieser mutierte Rezeptor verhielt sich in seiner Desensibilisierung wie der Wildtyp nach Wortmannin-Behandlung, zeigte also eine intrinsisch verstärkte Desensibilisierung. Eine Wortmannin-Behandlung der Oozyten, die den mutierten Rezeptor exprimierten, führte hingegen zu keiner weiteren Beeinflussung des Rezeptorstroms. Somit konnte letztlich der Schluss gezogen werden, dass die PI4K, und das mit ihr in direkter Verbindung stehende PI4,5P2, einen maßgeblichen Einfluss auf das Desensibilisierungsverhalten des P2X2R hat. Auf Basis der erarbeiteten Befunde wurde ein kinetisches Reaktionsmodell des P2X2R erstellt, das bisher aufgestellte Modelle mit den Ergebnissen dieser Arbeit vereint, aber auch in teilweisem Gegensatz zu dem von FUJIWARA & KUBO [2006] steht. Des Weiteren wurde im Verlauf dieser Arbeit die reversible Inhibition des P2X2R durch eine Reihe von Aminoglykosid-Antibiotika untersucht. Durch Analyse der Dosis-Wirkungs-Beziehungen, der Spannungs- sowie wie ATP-Konzentrations-Abhängigkeit der Inhibition konnte gezeigt werden, dass es sich dabei um einen nicht-kompetitiven open pore block handelte. Durch weiterführende Untersuchungen an einer nicht-desensibilisierenden P2X2/1 Rezeptorchimäre wurde gezeigt, dass eine Aminoglykosid-Inhibition die ATP-Dissoziation von der Rezeptorbindungsstelle signifikant verlangsamte. Dieser Befund deutet auf eine im Vergleich zum geschlossenen Zustand erhöhte Affinität des offenen Zustands für ATP hin. Neben den hier untersuchten Aminglykosiden sind bislang keine weiteren Substanzklassen bekannt, die den P2X2R durch einen derartigen Mechanismus hemmen.
Redirection of miRNA‐argonaute complexes to specific target sites by synthetic adaptor molecules
(2020)
Dysregulation of miRNAs is connected with a multitude of diseases for which antagomirs and miRNA replacement are discussed as therapeutic options. Here, we suggest an alternative concept based on the redirection of RISCs to non‐native target sites. Metabolically stable DNA‐LNA mixmers are used to mediate the binding of RISCs to mRNAs without any direct base complementarity to the presented guide RNA strand. Physical redirection of a dye‐labeled miRNA model and of specific miRNA‐programmed RISC fractions present in HeLa extracts is demonstrated by pull‐down experiments with biotinylated capture oligonucleotides.
The title compound, C25H22O5, was obtained by a dehydrogenative carbonylation reaction. It crystallizes with one half-molecule in the asymmetric unit. The molecules have crystallographic C2 symmetry and the two atoms of the carbonyl group are located on the rotation axis. The methoxy groups are coplanar with the benzene ring to which they are attached [C-C-O-C = 1.0 (6)°]. The two furan rings are inclined at 17.3 (3)° with respect to each other and the dihedral angle between the furan ring and the benzene ring is 75.83 (12)°. The crystal structure is stabilized by C-H...O hydrogen bonds. Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 183 K; mean ( σ(C–C) = 0.006 Å; R factor = 0.081; wR factor = 0.195; data-to-parameter ratio = 13.4.
In the paper by Bolte [Acta Cryst. (2006), E62, m1609-m1610], the chemical name in the title and the chemical diagram are incorrect. The correct title is {5-[4'-(2,2,5,5-Tetramethyl-3-pyrroline-1-oxyl-3-carbonyloxy)biphenyl-4-ylethynyl]-2,3,7,8,12,13,17,18-octaethylporphyrinato}copper(II) benzene solvate' and the correct diagram is given below.
The isolation of transcribed DNA sequences of P815 cells and the partial characterization with respect to their sequence composition and relative rates of enzymatic DNA methylation are reported in this paper. Transcribed regions were purified by affinity chromatography using immobilized heterogenous nuclear RNA of P815 cells. About 10% of total genome was found in this fraction. Reassociation analyses showed differences in sequence composition of transcribed versus non-transcribed DNA fractions. The relative proportion of inverted repeats was doubled in the transcribed fraction whereas ordinary highly repetitive sequences comprising mainly of satellite DNA were found almost exclusively in the non-transcribed regions of the P815 genome. About 70% of transcribed portions corresponds to unique and intermediary DNA sequences. After labelling of cells with L-[Methyl-3H]methionine and [14C]deoxycytidine relative rates of enzymatic DNA methylation were computed for different kinetic components of transcribed and non- transcribed portions of P815 genome. No difference was found except in inverted repeats. In transcribed DNA the relative rate of enzymatic DNA methylation was only about 40% of that of the non-transcribed ones. We have quantitated this hypomethylation and found that there is, in average, about one 5-methylcytosine residue in 100 nucleotides of transcribed inverted repeats, compared to about 2.5 5-methylcytosines in non-transcribed fractions. In view of these data we propose that the enzymatic methylation of inverted DNA repeats negatively controls the transcriptional process in a given genomic region.
A specific class of DNA sequences, the inverted repetitive sequences, forms a double-stranded structure within a single linear polynucleotide chain in denatured DNA. The reassociation process is unimolecular and occurs very fast. Quantitative analyses have shown that these sequences com-E rise about 4-5% of the nuclear DNA of various mammalian cells (P815 mouse mastocytoma, Hela, L cells, Raji and Chang cells, and human embryonic hepatocytes) and are interspersed within sequences of other degrees of repetitiveness.
After labeling the cells with L-[Metnyl-3H]methionine and [14C]deoxycytidine, relative rates of enzymic DNA methylation were computed on the basis of 3H and 14C radioactivities found in py rimidine residues of the nuclear DNA. The results indicate that DNA of inverted repetitive sequences is methylated to a level about 50% higher than the ordinary repetitive sequences and to about 300% higher than the unique and intermediary sequences.
The biological function of the inverted repeats as well as the role of their enzymic hypermethyl ation is unknown.
The sequence complexity of nuclear RNA from mouse liver, mouse spleen and highly malignant P815 mastocytoma was measured by nRNA driven hybridization to unique DNA sequences of P815 cells. The unique DNA sequences represent 63% of the total nuclear DNA of P815 cells and their availibility in hybridization experiments was found to be 76%. Of these sequences 7.8% formed hybrids with nuclear RNA of this cell, about 11.5% with mouse spleen and about 14.5% with mouse liver nuclear RNA. Assuming an asymmetrical transcription, the complexities of these transcripts are 2.8 × 108 nucleotides for mouse P815 mastocytoma, 4.3 × 108 for mouse spleen and about 5.3 × 108 nucleotides for mouse liver.
Cellular specifity of the transcribed information was analyzed in additivity experiments, in which unique DNA sequences, not complementary to the nuclear RNA of one cell were annealed to the nuclear RNAs of the two other tissues/cells. In these experiments most of the nuclear RNA se quences of P815 cells were found to be also present in the nucleus of mouse liver and spleen. Only a small portion of the unique DNA sequences of P815 mastocytoma (about 1.2% corresponding to 4.4 ×107 nucleotides) was found to be complementary only to P815 mastocytoma nuclear RNA.
In den letzten zwei Dekaden wurde die Rolle der RNA in biologischen Prozessen intensiv untersucht. Man erkannte immer deutlicher, dass ihre Funktion über die einfache Vermittlung von Information von der DNA hin zum Protein weit hinausgeht. So spielt sie eine entscheidende Rolle bei der Genexpression und besitzt darüber hinaus auch katalytische Eigenschaften. Die Entdeckung der reversen Transcriptase beim HI-Virus konnte zeigen, dass genetische Informationen nicht nur in Richtung von DNA zu RNA, sondern auch in Entgegengesetzter Richtung übertragen werden kann. Diese Schlüsselrolle in vielen wichtigen biochemischen Prozessen macht die RNA zu einem viel versprechenden Ziel für die Entwicklung neuer Wirkstoffe, um in diese Prozesse eingreifen zu können. RNA bildet eine Vielzahl von stabilen Sekundär- und Tertiärstrukturen aus, die es Proteinen und Antibiotika ermöglicht, sie zu adressieren. Die bis heute wohl mit Ausnahme des Ribosoms und der tRNAs am besten aufgeklärte Struktur einer RNA ist die der HIV TAR-RNA (transaktivierende Region). Ein essentieller Bestandteil für die virale Genexpression ist die so genannte TAR-RNA. Diese befindet sich am 5-Ende aller viraler Transcripte und bildet eine aus 59 Basen bestehende stem-bulge-loop hairpin Struktur. Diese tritt in Wechselwirkung mit dem tat-Protein. Die Grundlage für die Erkennung des hierbei entstehenden Komplexes ist eine Wechselwirkung von tat mit der bulge- und loop-Region von TAR. Durch Interaktion mit der loop- Region kommt es zur Ausbildung eines CyclinT1/tat Komplexes, der im weiteren dafür verantwortlich ist, dass sich die Rate der Transkription um das mehrere hundertfache erhöht. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Liganden zu synthetisieren, die spezifische Bindungen mit der TAR-RNA aus HIV-1 eingehen. Durch eine solche Bindung ist es möglich, den viralen Replikationszyklus zu unterbrechen. Ausgehend von einem relativ rudimentären Design, basierend auf dem Arginin-Fork-Model von Frankel, gelang es, mit Triaminopyrazol und verschiedenen seiner Derivaten dieses Ziel zu erreichen. Nach erfolgreicher Synthese der Zielstrukturen wurden diese in einem FRET-Assay im Hinblick auf ihre Affinität zu der TAR-RNA getestet. 3,4,5-Triaminopyrazol übertraf trotz seiner geringen Größe und Ladung mit einem IC50-Wert von 30 µM die Werte vieler tetrakationischer Tripeptide (FRET). Nach erfolgreicher Bestimmung der TAR-Affinität von Triaminopyrazol wurde seine Wirkung auf HIV-infizierte Hela P4-Zellen untersucht, die ein Tat-TAR-kontrolliertes Reportergen exprimierten. Dabei zeigte Triaminopyrazol eine Inhibierung mit IC50 = 50 µM. Bis zu einer Konzentration von 500 µM traten hierbei keine toxischen Effekte auf. Dies legt die Vermutung nahe, dass es sich bei Triaminopyrazol tatsächlich um einen tat- Antagonisten handelt. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die Wirkung von Triaminopyrazol nicht die eines Entryinhibitors ist, sondern dass die Verbindung in der Lage ist, die Zellmembran zu durchdringen.
Pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) is a well established method concerning nanometer distance measurements involving two nitroxide spin-labels. In this thesis the applicability of this method to count the number of spins is tested. Furthermore, this work explored the limits, up to which PELDOR data obtained on copper(II)-nitroxide complexes can be quantitatively interpreted. Spin counting provides access to oligomerization studies – monitoring the assembly of homo- or hetero-oligomers from singly labeled compounds. The experimental calibration was performed using model systems, which contain one to four nitroxide radicals. The results show that monomers, dimers, trimers, and tetramers can be distinguished within an error of 5% in the number of spins. Moreover, a detailed analysis of the distance distributions in model complexes revealed that more than one distance can be extracted from complexes bearing several spins, as for example three different distances were resolved in a model tetramer – the other three possible distances being symmetry related. Furthermore, systems exhibiting mixtures of oligomeric states complicate the analysis of the data, because the average number of spin centers contributes nonlinearly to the signal and different relaxation behavior of the oligomers has to be treated explicitly. Experiments solving these problems are proposed in the thesis. Thus, for the first time spin counting has been experimentally calibrated using fully characterized test systems bearing up to four spins. Moreover, the behavior of mixtures was quantitatively interpreted. In addition, it has been shown that several spin-spin distances within a molecule can be extracted from a single dataset. In the second part of the thesis PELDOR experiments on a spin-labeled copper(II)-porphyrin have been quantitatively analyzed. Metal-nitroxide distance measurements are a valuable tool for the triangulation of paramagnetic metal ions. Therefore, X-band PELDOR experiments at different frequencies have been performed. The data exhibits only weak orientation selection, but a fast damping of the oscillation. The experimental data has been interpreted based upon quantitative simulations. The influence of orientation selection, conformational flexibility, spin-density distribution, exchange interaction J, as well as anisotropy and strains of the g-tensor has been examined. An estimate of the spin-density delocalization has been obtained by density functional theory calculations. The dipolar interaction tensor was calculated from the point-charge model, the extension of the point-dipole approximation to several spin bearing centers. Even assuming asymmetric spin distributions induced by an ensemble of asymmetrically distorted porphyrins the effect of delocalization on the PELDOR time trace is weak. The observed damping of dipolar oscillations has been only reproduced by simulations, if a small distribution in J was assumed. It has been shown that the experimental damping of dipolar modulations is not solely due to conformational heterogeneity. In conclusion the quantitative interpretation of PELDOR data is extended to copper-nitroxide- and multi-spin-systems. The influence of the mean distance, of the number of coupled spins, of the conformational flexibility, of spin-density distribution and of the electronic structure of the spin centers has been analyzed using model systems. The insights on model compounds mimicking spin-labeled biomacromolecules – in oligomeric or metal bound states – calibrate the method with respect to the information that can be deduced from the experimental data. The resulting in-depth understanding allows correlating experimental results (from for example biological systems) with models of structure and dynamics. It also opens new fields for PELDOR as for example triangulation of metal centers and oligomerization studies. In general, this thesis has demonstrated that modern pulsed electron paramagnetic resonance techniques in combination with quantitative data analysis can contribute to a detailed insight into molecular structure and dynamics.
Erfolgreich wurde die biochemische Synthese eines Kernbereiches der spleißosomalen U4/U6-RNA etabliert und die Sekundärstruktur mittels NMR-spektroskopischer Methoden charakterisiert. Die Konformationen von zwei molekularen Regeleinheiten, des auf Gramicidin A basierenden Ionenkanals Minigramicidin sowie einem aus zwei cis-Dekalinen aufgebautenmolekularen Schalters konnten in unterschiedlichen Umgebungen mit Hilfe der NMR-Spektroskopie erfolgreich bestimmt werden. Die Synthese des RNA-Konstruktes u4u6a46phh2 erfolgte durch Transkription von plasmidischer Templat-DNA mit T7-Polymerase und anschließender Aufreinigung mittels Gelelektrophorese und Homogenisierung am 3’-Ende mit Hilfe eines passenden Hammerhead-Ribozyms. u4u6a46phh2-RNA kann als Konstrukt für die Synthese von 13C/15N-gelabelter RNA dienen, da die Schneidreaktion und die daraus resultierende RNA definiert ist und die Integrale der Iminoprotonen für eine einzige Konformation der RNA sprechen. Das von Dr. Hans-Dieter Arndt in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Koert an der Humboldt-Universität zu Berlin hergestellte Minigramicidin ist aus zwei verkürzten Gramicidin A-Einheiten aufgebaut, die in einer Kopf-an-Kopf Anordnung durch einen Bernsteinsäure-Linker kovalent verknüpft sind. In dieser Arbeit wurden die Strukturen von Minigramicidin in zwei unterschiedlichen Umgebungen aufgeklärt: in Benzol/Aceton (10:1, v/v) ohne Zusatz von Kationen und in gesättigter Cäsiumchlorid-Chloroform/Methanol (3:1, v/v)-Lösung. Im ersten Fall findet man ein doppelt helikales linksgängiges Dimer von Minigramicidin mit ca. 5.7 Resten pro Windung. Diese Struktur hat eine Länge von ca. 38 Å und einen Durchmesser von ca. 1.2 Å. Mit Cäsium-Kationen liegt die Verbindung als Monomer vor. Sie bildet eine rechtsgängige pi-Helix mit ca. 6.3 Resten pro Windung. Die Struktur hat eine Länge von 17 Å und einen Durchmesser von ca. 4.5 Å. Es konnte erstmals eine zur ionenkanalaktiven Form des gA ähnliche Konformation eines auf gA basierenden künstlichen Ionenkanals in organischen Lösemitteln nachgewiesen werden. Der von Dr. Michael Karle aus der Arbeitsgruppe von Prof. Koert an der Philipps-Universität Marburg synthetisierte molekulare Schalter besteht aus zwei cis-Dekalineinheiten, die durch einen 14-gliedrigen Bislactam-Ring miteinander gekoppelt sind. Der Schaltprozeß wurde dabei durch die saure Spaltung des Ley-Acetals in 13 ausgelöst. Es wurde für die Verbindung 13 eine all-axial Stellung für den Makrozyklus gefunden. Diese Struktur wird auch durch die gefundenen Kopplungskonstanten gestützt. Nach dem Schaltprozeß wurde die Struktur von 16 ermittelt. Wie erwartet, wurde durch das Lösen der konformativen Klammer ein Doppelringflip im linken Dekalingerüst ausgelöst und durch den Makrozyklus auf das rechte Dekalingerüst übertragen. Die gefundenen ROE-Abstände und Kopplungskonstanten für bestimmte Dekalinprotonen bestätigen die umgeschaltete Struktur.
The following mixed-stack donor/acceptor complexes {D···A}∞ have been crystallized and their structures determined: {hexamethylbenzene···3,5-dicyano-1-nitrobenzene hexamethylbenzene···3,5-dinitro-1-cyanobenzene}∞, {pyrene···3,5-dinitro-1-cyanobenzene}∞, {anthracene···(3,5-dinitro-1-cyanobenzene)2}∞, {N,N-dimethylanilin···3,5-dinitro- 1-cyanobenzene}∞ and { 1-3-phenylenediamine···3,5-dinitro-1-cyanobenzene}∞. Their lattice packing consists of parallel layers, which contain either donors and acceptors as for hexamethylbenzene and pyrene or composite ones as in the 1:2 complex of anthracene with each one of the acceptors above and below its peripheral rings. The isostructural hexamethylbenzene complexes exhibit almost identical packing coefficients as well as a hexagonal coplanar arrangement of the C6(CH3)6 donors. Weak intermolecular van der Waals interactions are also observed between antiparallel cyano substituents. The interplanar n distances range between 334 and 353 pm, i. e. around 340 pm of two van der Waals n radii. In none of the complexes, however, significant structural changes in either the donor or the acceptor components due to the complex formation are observed. In both the crystals as well as in solution, the donor/acceptor complexes exhibit colours between yellow and red; their long-wavelength charge transfer absorption maxima, therefore, correspond to a lowering in excitation energy of only up to 1 eV relative to that of the components. The different charge transfer in the ground and the CT excited states is also discussed referring to other data such as vertical first ionization energies or interplanar distances {D···A}, as well as to results from semiempirical calculations based on the crystal structure data determined and including approximate configuration interaction.
Raney nickel, a highly reactive and air-sensitive solid, if prepared and investigated under oxygen-free conditions, exhibits interesting catalytic properties. Using photoelectron spectroscopy for real-time gas analysis in a flow reactor, the following results are obtained with alkyl and acylhalides: Dehydrohalogenation temperatures are lowered relative to thermal HHal elimination up to 350 K. Monochloro and bromo propanes and butenes yield propene and butadiene, respectively. 1,1-Dichloro ethane or 1,1-dibromo propane only split off one HHal and form chloroethene or 1-bromopropene-2. HCl elimination from 2-methyl propionic acid chloride, expectedly, produces dimethyl ketene. Most interesting, however, is the ring opening of monobromo cyclobutane to 1-bromo-butene-3, observed already at room temperature, which strongly suggests the intermediate formation of a chemisorbed surface carbene at Raney nickel. The formation of hexadiene-1,5 as a by-product in the HCl elimination of 1-chloropropane, i. e. a surface carbene dimer, indicates their presence also in other dehydrohalogenations heterogeneously catalyzed by Raney nickel.
Raney nickel, a highly reactive and air-sensitive solid, if prepared and investigated under oxygen-free conditions, exhibits interesting catalytic properties. Using photoelectron spectroscopy for real-time gas analysis in a flow reactor, the following results are obtained with alkyl and acylhalides: Dehydrohalogenation temperatures are lowered relative to thermal HHal elimination up to 350 K. Monochloro and bromo propanes and butenes yield propene and butadiene, respectively. 1,1-Dichloro ethane or 1,1-dibromo propane only split off one HHal and form chloroethene or l-brom opropene-2. HCl elim ination from 2-methyl propionic acid chloride, expectedly, produces dimethyl ketene. Most interesting, how ever, is the ring opening of monobromo cyclobutane to 1-brom o-butene-3, observed already at room temperature, which strongly suggests the intermediate formation of a chem isorbed surface carbene at Raney nickel. The formation of hexadiene-1,5 as a by-product in the HCl elim ination of 1-chloropropane, i.e. a surface carbene dimer, indicates their presence also in other dehydrohalogenations heterogeneously catalyzed by Raney nickel.
The following mixed-stack donor/acceptor complexes {D · · · A }∞ have been crystallized and their structures determined: { 1 ,2,4,5-tetramethylbenzene · · · tetrabromo-p -benzoquinone}∞ , {hexamethylbenzene · · · tetrabromo-p-benzoquinone}∞ , { ( 1 ,2 ,4,5-tetramethyl-benzene)2 · · · tetrachloro -p -benzoquinone}∞ , {pyrene · · · tetrafluoro-p-benzoquinone}∞ , {pyrene · · · tetrabromo-p-benzoquinone}∞ and {perylene · · · tetrabromo-p-benzoquinone}∞ . They exhibit an interesting lattice packing, especially the 2:1 tripeldecker sandwich of tetrachloro-p-benzoquinone, which crystallizes in a herringbone pattern. Their interplanar distances are around 340 pm, i. e. two van der Waals π radii. None of them , however, exhibits in neither the donor nor the acceptor components significant structural changes due to complex formation. Their colours range from orange-red to black in the crystal and to green in H2CCl2 solution. Their long-wavelengths charge transfer absorption maxim a correspond to a lowering in excitation energy of up to 2 eV relative to that of the components. The different charge transfer in the ground and excited states of the donor/acceptor complexes investigated is further discussed referring to data such as cyclovoltammetric reduction potentials as w ell as to results from semiempirical calculations based on the crystal structure data determined and including configuration interaction.
The neutral title compound, 8,8-bis(dimethylamino)dibenzo-[a,d]-heptafulvene, exhibits a first vertical ionization potential of only 6.98 eV and, therefore, can also be oxidized by AlCl3 in H2CCl2 solution. The radical cation generated shows a complex multiplet signal pattern, which is assigned based on additional ENDOR measurements. The photoelectron (PE) and ESR spectra of the 112 valence electron molecule are interpreted by “pararneter-optimized” HMO and by geometry-optimized MNDO calculations, which both suggest a non-planar π-type ground state with most of the charge and the spin distributed over the dibenzoheptatriene part of the radical cation.
Di(methylthio)acetylene H3CS-C≡C-SCH3 reacts with S2C12 in AlCl3/H2CCl2 solution to the tetra(thiomethyl)thiophene radical cation (H3CS)4C4S·⊕ and with H3CSCl to the tetra(thiomethyl)ethene radical cation (H3CS)2C·=⊕C(SCH3)3. Their ESR spectra are assigned by comparison with literature data or those of analogous products obtained from other acetylene derivatives R-C≡C-R with R = SCH2CH3, CH3, C6H5 as well as based on HMO arguments. The possible course of the oxidative sulfuration is discussed.
The structures of seven di- or tetrasubstituted p-benzoquinone derivatives O=C(XC=CH )2C=O and O=C(XC=CX)2C=O with substituents X = -OCH3, -N(CH2)5, - N(CH2CH2)2O, -Cl, -CN and -⊕N(HC=CH)2C-N(CH3)2 are presented and discussed in comparison with published ones substituted by X = -Si(CH3)3, -C6H5, -N(CH3)2, -⊕N(HC=CH)2CN(CH3)2, -O⊖ , and - NO2. Based on the introduction, in which halfwave-reduction potentials, geometry-optimized quantum-chemical calculations on substituent perturbation and known structural data of p-benzoquinone derivatives are used to characterize their molecular ground states. The structural changes indicate how substituent perturbations might be rationalized. Of the categories defined - imperturbed, donor, donor/acceptor and acceptor perturbed - the donorsubstituted p-benzoquinones do exhibit the largest differences, often called cyanine distorsion. In very satisfactory agreement with extensive semiempirical calculations, all effects determined experimentally are discussed in terms of varying charge distribution. With respect to the biochemical importance of p-benzoquinone derivatives, this first structural summary points out important facets.
From the electron and proton transfer equilibria network of quinones in solution a novel intermediate can be prepared by deprotonation of 2,5-bis(trimethylsilyl)hydroquinone to its monoanion using sodium metal. The sodium salt crystallizes in polymer strings connected via O⊖···(H)O hydrogen bridges, which are capped additionally by twofold dimethoxy-ethanesolvated Na⊕ countercations. The single crystal structure determination reveals one of the shortest O⊕ ··· HO distances observed so far of only 246 pm. MNDO calculations further confirm the assignment of hydroquinone monoanion building blocks in the polymer chain. For structural comparison as well as for attempts of its sodium reduction, 2,5-bis(trimethylsilyl)-p- benzoquinone has been synthesized. Its single crystal structure is reported, which does not show any cyanine distortion.
Chelate complexes of 1,2-dimesitoylbenzene radical anion with alkali metal cations exhibit in aprotic solution extremely large ESR /ENDOR metal coupling constants. For rationalization, structures of both the neutral molecule (H3C)3H2C6 - CO - C6H4 - CO - C6H2(CH3)3, in which the two carbonyl groups are twisted out of the benzene ring plane by dihedral angles of ± 3̄7̄°, and a sodium contact ion quadruple have been determined. One of the dimers [dimesitoylbenzeneH⊖ (Na⊕H2N H2C - CH2NH2)]2, although generated by Na metal mirror reduction of 1,2-dimesitoylbenzene in aprotic DME solution with added ethylendiamine for better electron transfer, surprisingly contains two 245 pm short (!) hydrogen bridges ⊖O ··· (H)O and in addition two solvation bridges e ⊖O ··· Na⊕(H2NH2C - CH2NH2) ··· O⊖. Results of MNDO calculations based on the experimental coordinates support the proposed concept.
Crystals of lemon yellow dipotassium nitranilate and of yellow disodium nitranilate dihydrate have been grown and their structures determined at 290 and 200 K. The six-member- ed, O2N-disubstituted rings show a pronounced cyanine distortion with all four CO bonds identical and the two (OCC(NO2)CO)⊖ chains connected by single CC bonds of each 156 pm length. In the anhydrous K⊕ salt, the ring is planar, but in the Na⊕ hydrate salt it exhibits a twist conformation. Quantum chemical calculations allow to reproduce the structure in every detail, demonstrate strong charge alternation along the cyanine chains with considerable delocalization into the O2N acceptor substituents, and suggest that the rather long connecting CC bonds contain positively charged carbon centers on both ends. In addition, metal ion coordination effects as well as the rather high pKa value of nitranilic acid are rationalized.
1,4-Bis(trimethylsiloxy)benzene has been crystallized both by vacuum sublimation and from «-heptane solution, which each yielded colourless plates with identical monoclinic unit cell dimensions (P2/n, Z = 4). The conformation of C[ symmetry shows the two (H3C)3SiO-substituents to be conrotationally twisted around the O-( C6H4)-O axis by dihedral angles o f ± 60°. According to the photoelectron spectroscopic ionisation pattern and its Koopmans’ assignment, IEVn = -εJAM 1, by AM 1 eigenvalues, the gas phase structure should also be of C, symmetry. The results of geometry-optimized MNDO , AM 1 or PM 3 calculations for the monosubstituted derivative H5C6-OS i(CH3)3 are compared with respect to the quality of their fit to the measured data.
The reduction potentials of 40 aromatic nitro compounds Rπ(NO2)n with Rπ = benzene, naphthalene, anthracene, fluorene and carbazole and n = 1 to 4 nitro groups are determined by cyclic voltammetry in DMF under aprotic conditions. The perturbation by the strongly electron accepting substituents can be rationalized via correlation with HMO eigenvalues. Based on reversibility criteria, the electrochemical behaviour is discussed and the compounds are classified with respect to reversible or irreversible one-electron transfer as well as up to 4 (quasi)-reversible reduction steps. The CV data measured can be used to predict redox reactions of aromatic nitro compounds in inert solvents.
UV/VIS and ESR spectra of electron transfer reaction products in aprotic (cH⊕ < 0,1 ppm) solution can be measured in an especially designed and sealed glass apparatus and provide information on unknown facets of the microscopic pathway through the network of interdependent equilibria. For tetraphenyl-p-benzoquinone in tetrahydrofuran, single-electron reduction by a sodium metal mirror produces a red solution and, unexpectedly, after addition of 2.2.2. cryptand, contact with a potassium metal mirror generates a green (!) one. For both, ESR/ENDOR spectra prove the presence of tetraphenyl-p-benzoquinone radical anion. UV/VIS measurements provide the clue: In the equilibrium revealed by repetetive spectra recording, M·⊖solv + Me⊕solv ⇄ [M·⊖···Me⊖]solv, the radical anion is green (vm = 16900 cm-1) and the contact ion pair red (vm=18900 cm-1 ). On ion pair formation, therefore, the excitation energy of the radical anion increases by 0.25 eV.
In an especially designed and sealed glass apparatus, a combination of UV/VIS and ESR spectroscopy measurements are performed to follow electron transfer reactions in aprotic (cH⊕ < 0,1 ppm) solution. For the sodium metal reductions of the tetracyano-substituted title compounds, the novel technique provides the following detailed information: 1,2,4,5- tetracyanobenzene is uniformly reduced to its radical anion, for which additional geometryoptimized MNDO calculations predict an already significant cyanine disortion. For 7,7,8,8- tetracyano-p-quinodimethane, UV/VIS band shape analysis allows to detect in the saturated THF reduction solution the 16300 cm-1 absorption of the donor/acceptor complex formed in the equilibrium TCNQ·⊖ + TCNQ ⇆ {TCNQ·⊖···TCNQ}, which according to a literature search has been crystallized and structurally characterized in paramagnetic salts such as [Me2⊕ (TCNQ·⊖)2(TCNQ)].
Novel radical anions of trimethylstannyl substituted naphthalenes and their ESR spectra are reported. Both 119 Sn and 117 Sn coupling can be assigned unequivocally. The perturbation of π systems by R3X substituents of group IV b elements X = C, Si, Ge, Sn and Pb is discussed with respect to photoelectron ionization potentials, charge transfer excitations, half-wave reduction potentials and ESR spin distribution.
The photoelectron (PE) spectra of bis(dialkylamino) acetylenes R2N-C≡C-NR2 and of tetrakis(dialkylamino) allenes (R2N)2C=C=C(NR2)2 with R = CH3, C2H5 exhibit characteristic ionization patterns which are assigned to π radical cation states of the two molecular halves twisted against each other. The low first ionization potentials between 7.0 eV and 7.7 eV stimulated attempts to oxidize using AlCl3 in H2CCl2 or D2CCl2. The hyperfine structured ESR spectra observed can be unequivocally assigned to the ethylene radical cations R2N-HC=CH -NR2˙⊕ which are formed from the obviously non-persistent species R2N-C≡C-NR2˙⊕ via a hydrogen transfer. During the oxidation of the dialkylamino-substituted allenes no paramagnetic intermediates could be detected, presumably due to a rapid dimerisation of the allene radical cation (R2N)2C=C=C(NR2)2˙⊕.
The one-electron transfer to large π-delocalized hydrocarbons provides an interesting possibility to crystallize solvent-separated ion-pair salts containing optimally solvated cations. Accordingly, the reduction of 9.9′-bianthryl in aprotic 1.2-dimethoxyethane (DME) solution at a sodium metal mirror allows to grow dark blue, brick-like crystals of its radical anion and threefold DME-solvated sodium cation. The structure of the radical anion is very similar to that recently published for the neutral molecule. According to AM 1 enthalpy hypersurface calculations based on the structural data, the torsion angle between 60° and 120° is determined by the lattice packing and the negative charge is -π-delocalized predominantly within only one anthracene subunit. The counter cation [Na⊕(DME)3], reported only three times so far, shows a sixfold propeller-like coordination of approximate D3 skeletal symmetry with contact distances Na⊕···O between 232 and 243 pm and angles ≮ONa⊕O varying between 69° and 159°. Due to the small repulsion between the chelating DME molecules, the isodesmically calculated Na⊕ solvation enthalpy is more negative than that of the analogous tetrahydrofuran complex [Na⊕(THF)6] - as confirmed by the laboratory experience that salts of less stable anions are preferentially crystallized from a strongly cation solvating DME solution.
Tetraphenyl-p-benzoquinone, according to its single crystal structure, shows some steric congestion: its quinone ring is distorted by 7° to a chair conformation, and its phenyl substituents are twisted around their CC axes between 46° and 72°. The half-wave reduction potentials of -0.57 and -1.25 V in acetonitrile confirm negligible π interaction of the phenyl substituents. Addition of alkalimetal tetraphenylborate salts lowers the second reduction potential due to contact ion formation, which can be confirmed by UV/VIS spectra recorded under aprotic conditions. Extensive ESR/ENDOR investigations prove the formation of the following species in THF solution: Tetraphenyl-p-benzosemiquinone radical anion contact ion pairs [M·⊖ Me⊕solv]' (Me⊕: Li⊕, Na⊕, Rb⊕, Cs⊕) and contact triple ion radical cations both with identical cations [M·⊖ (Me⊕solv)2]·⊕ (Me⊕: Li⊕, Na⊕, Cs⊕) and different cations [M·⊖ (Li⊕solv)(Me⊕solv)]·⊕ (Me⊕: Na⊕, Cs⊕). Addition of crown ethers can lead to external solvation of the Me⊕ counter cations, whereas cryptands form internal solvation complexes. The radical anion of 2,6-diphenyl-p-benzosemiquinone adds cations at its phenyl-free molecular half. The radical anion salt [tetraphenyl-p-benzosemiquinone·⊖ (Na⊕(tetrahydropyrane) 2)] could be crystallized and its structure determined at 200 K. In agreement with the Hirota sign rules for contact radicals in solution, the Na⊕ ion is found 62 pm above the π plane and 29° outside the axis of the CO bound, which is elongated due to one-electron reduction by 5 pm to 127 pm.
Cyclovoltammetric measurements of solutions containing the rather basic tetra-(2′-pyridyl)pyrazine allow to detect even traces of water and thus can be used as a touchstone for aprotic (cH⊕ < 1 ppm) conditions. On exchange of the “innocent” tetrabutylammonium R4N⊕ as supporting electrolyte cation by “interactive” ones such as Li⊕) or Na⊕, considerable changes in the reduction potentials are observed due to ion pair formation.
The structurally different radical anions M⊖ of peralkylated 1-sila-2,5-diazacyclopentane-3,4-dithione and of tetrakis(isopropylthio)-p-benzoquinone are generated by reduction with potassium/2.2.2-cryptand under aprotic conditions in THF solution. On addition of Li⊕B(C6H5)4⊖, both form hitherto elusive sulfur-containing contact ion pairs, which are characterized by their ESR/ENDOR spectra.
Reduction of naturally occurring para-and ortho-benzoquinone derivatives M to their respective radical anions M·⊖ can be accomplished under largely aprotic conditions either by cautious low-temperature reaction in THF containing an excess of (2.2.2) cryptand at a potassium mirror or by using the "mild" single electron transfer reagent tetrabutylammonium boranate R4N⊕BH4⊖ in DMF. On addition of soluble alkali tetraphenylborates Me⊕[B(C6H5)4]⊖ , their hitherto unknown radical ion pairs [M·⊖ Me⊕]· and/or triple ion radical cations [Me⊕M·⊖Me⊕]·⊕ form, which might be of biological relevance in molecular carrier and "turn off -turn on" switch processes. On addition of metal perchlorates Me⊕n(ClO4⊖)n with multiply charged counter cations Me⊕n the respective paramagnetic species [M·⊖Me⊕n]·(n-1)⊕ result. Assuming exclusive one-electron transfer reductions without any redox fragmentation reactions, ESR, ENDOR and GENERAL TRIPLE spectra are presented and discussed for the following radical anions and radical ion pairs: mitomycin C (M·⊖ and [M·⊖Mex⊕]·(x-1)⊕ with Me⊕ = Li⊕, Na⊕), streptonigrine (M·⊖ and [M·⊖Lix⊕]·(x-1)⊕), Entobex® (M·⊖ and [M·⊖Me⊕n]·(n-1)⊕ with Me⊕n = Li⊕, Na⊕, Cd⊕⊕, (H5C6)2Tl⊕) as well as brucinequinone ([M·⊖ Me⊕n]·(n-1)⊕ with Me⊕n = Li⊕, Cd⊕⊕, Pb⊕⊕, La⊕⊕⊕).
The radical anion of dimesityltetraketone (ERed, I = -0.40 V) is easily generated in THF by potassium mirror/[2.2.2]-cryptand reduction. Its contact ion pairs with Na⊕, Cs⊕ and Ba⊕⊕ counter cations, prepared in THF solution by single electron transfer from the respective metals, are characterized by their ESR/ENDOR spectra, which exhibit temperature-dependent metal couplings of aNa⊕ = 0.061 mT (190 K), aCs⊕ = 0.021 mT (190 K), and aBa⊕⊕ = 0.145 mT (295 K).
Ion pairs of 1,10-phenanthrolin-5,6-dione radical anion [M · ⊖Me⊕n] ·⊕(n−1) with Me⊕n = Mg⊕⊕, Ca⊕⊕, Sr⊕⊕, Zn⊕⊕, Cd⊕⊕, Pb⊕⊕ and La⊕⊕⊕ are advantageously prepared in aprotic DMF solution containing appropriate metal salts Me⊕nX⊖ by using the ‘mild’ single-electron reducing agent tetra(n-butyl)ammonium-boranate R4N⊕BH4⊖ . For comparison, the ‘naked’ radical anion with the largely interaction-free [K⊕(2.2.2)-cryptand]⊕ counter cation is chosen, which is formed on reduction with potassium in THF solution of (2.2.2)-cryptand. Addition of excess Na⊕[B(C6H5)4]⊖ to the reduction solution only yields a solvent-separated ion pair (M · ⊖)DMF ··· (Na⊕)DMF, whereas in the presence of multiply charged counter cations Me⊕n the respective contact ion pair radical cations [M · ⊖Me⊕n] · ⊕(n−1) are formed. Their g values decrease with increasing nuclear charge of Me⊕n and their metal-s-spin densities increase with the effective counter cation charge n⊕/rMe⊕n. The ESR /ENDOR data recorded suggest Me⊕n complexation by the δ⊖OC -COδ⊖ chelate tongs and the ion pair stability, which is modified by the dielectric properties of the solvent used, may be rationalized by the Coulombic attraction between the radical anion M · ⊖ and the counter cations Me⊕n.
Conditions for ENDOR measurem ents of organosulfur radical cations are discussed and tested. The one electron oxidation of a variety of aromatic sulfur com pounds comprising benzene-1,2-dithiole, 1,4-dithiine, thianthrene and diphenylsulfide derivatives as well as 33S isotope-marked bis(2,5-dimethoxyphenyl)disulfide is accomplished using the oxygen-free, powerful and selective AlCl3/H2CCl2 reagent. Partly with substantial structural changes, paramagnetic M⊕ species of 1,2-benzodithiete, 1,4-dithiine, thianthrene and diphenyl sulfide result. Their temperature-dependent ENDOR signal patterns provide numerous information e.g. on radical cation structure and dynamics, on the rather high sulfur spin populations or on the spin rotation interaction dominated relaxation behaviour. Accordingly, to obtain optimum ENDOR effects in organosulfur radical cations low temperature measurements are required, and especially for still undiscovered 33S ENDOR couplings, small g factor anisotropies and 33S spin densities appear to be necessary.
For the first time, 107,109Ag ENDOR measurements in solution are reported. In addition, the formation of the known paramagnetic contact ion pair [Ag⊕(PR3)2(R2H2C6O2·⊖] on reduction of 3,5-di(tert-butyl)-o-benzoquinone in THF solution containing soluble silver salts and triphenylphosphine is studied by cyclic voltammetry.
The sodium salt of the most simple polynitro-substituted hydrocarbon anion. Na⊕⊖C(NO2)3, (for a hazard warning cf. [***]) crystallizes from ether solutions without and with addition of 18-crown-6 either in a polymer band. [(Na⊕⊖C(NO2)3)dioxane]∞, or as a solvent- separated ion pair, [(Na⊕/18-crown-6)(THF2]⊕[(Na⊕/18-crown-6)(O2N-C⊖(NO2)2)2]⊖. The Na⊕ cations are each 8-fold coordinated in hexagonal bipyramidal arrangement. According to extensive quantum-chemical calculations based on the structure coordinates, the formation of these novel salts can be traced back to the charge distribution in the anions ⊖C(NO2)3. which due to negatively charged oxygen centers are favorable complex ligands. The structure determining effects of solvation are discussed.
The reversible one-electron insertion into mono- and 1,4-di-substituted benzene derivatives is favored by dialkoxyboron and especially by dialkylboron groups. The assumption that it should be the symmetric e2u benzene molecular orbital which is occupied in the resulting radical anions can be supported by comparison of ESR coupling constants.
The PE spectra of the nitrogen-rich title compounds cyanogen azide NC-N3, azodicarbonitrile NC - N = N - CN, azidoacetonitrile NC - H2C - N3, tetrazolo[1,5-a]pyridine (H4C5N)(N )3 and trimethylenetetrazole (H2C)3(CN4) are presented and assigned by radical cation state comparison with related compounds or by Koopmans’ correlation with MNDO eigenvalues. In a low pressure flow system the compounds decompose at higher temperatures, with elimination of the thermodynamically favorable N2 molecule. PE-spectroscopic real-time analysis reveals as further products: NC - N3 → C∞, NC - N = N - CN → NC - CN , NC - H2C - N3 → 2HCN (+ traces NC - HC = NH?) and (H2C)3(CN4) → H2C = N - CN + H2C = CH2. For tetrazolo[1,5-a]pyridine, a preceding ring opening to the corresponding 2-azidopyridine is observed.
Trifluoromethyl azide decomposes in a low-pressure flow system at rather high temperatures by splitting off N2. The nature of the resulting products depends largely on the wall material of the pyrolysis tube: using molybdenum above 1120 K, FCN is observed exclusively. Neither F2C=NF nor F3C-N=N-CF3 can be detected as intermediates by comparing their PE spectra with those continuously recorded while increasing the temperature. F3C-N = N - CF3 fragments already at 870 K to give N2 and F3C-CF3. The PE spectra of F3CN3 and F2C=NF are assigned based on MNDO calculations.
Photoelektronen-Spektren und Moleküleigenschaften, 110 [1,2]. Tricyanmethan-Derivate X—C(CN)3
(1987)
The photoelectron spectra of tricyanomethane derivatives X-C(CN)3 with substituents X = H, CH3, Br and C6H5 have been recorded and are assigned based on MNDO calculations as well as on radical cation state comparison with the iso(valence)electronic P(CN)3, within the series of cyanomethanes H4-nC(CN)n, and with each other. For HC(CN)3, no traces of the isomeric dicyano, ketimine HN = C=C(CN)2 are detected in the gas phase. Tricyanomethylbenzene, H5C6-C(CN)3, exhibiting the highest first ionization energy of any known singly acceptor substituted phenyl derivative, demonstrates the tremendous electron withdrawing effect of the -C(CN)3 group.
The HCl elimination from β-chloroethyl azide (1-azido-2-chloroethane) over potassium tert. butanolate at 350 K in a low pressure flow system is optimized using PE spectroscopic real-time gas analysis. The highly explosive vinyl azide formed can be purified by cool-trapping the by-products. Its subsequent and virtually hazard-free pyrolysis yields 2H-azirine, which can be isolated at temperatures below 240 K.
In contrast, the direct pyrolysis of β-chloroethyl azide requires temperatures above 710 K and results in a simultaneous split-off of both HCl and N2, yielding acetonitrile as the main thermolysis product. No intermediates such as β-chloroethanimine or ketenimine are observed, a result which is interpreted in terms of chemical activation.
Organodisulfide radical cations R2S2′⊕ and R2C2S2 ′⊕ can be generated from aliphatic as well as aromatic cyclic polysulfides in AlCl3/H2CCl2 solutions and characterized by their ESR spectra. Examples presented are the oxidations of 1,2,3-trithiolanes to 1.2-dithiolane radical cations, in which energetically favored planarized 3 electron/2 center bonds are formed.
Thermal decompositions of azo compounds in the gas phase under reduced pressure are further investigated using photoelectron spectroscopic gas analysis. Passing diallyl, diphenyl and phenylmethyl derivatives either through a short-pathway pyrolysis (SPP) apparatus or through an external thermal reactor (ETR) results in the following fragmentations: Under nearly unimolecular conditions (SPP, 10-4 mbar pressure), diallyldiazene decomposes above 600 K to N2 and hexadiene-1,5 with the allyl radical as a detectable intermediate. The PE spectra recorded for diphenyldiazene above 1000 K (ETR, 1-2 mbar pressure) show N2, benzene, as well as traces of diphenyl. Phenylmethyldiazene yields above 800 K (SPP) predominantly N2, toluene, diphenyl and ethane with the methyl radical as the only detectable intermediate. Insertion of quartz wool into the pyrolysis tube (ETR) lowers the fragmentation temperatures, and in addition, above 850 K, HCN and aniline are PE spectroscopically identified. Surprisingly, this second reaction channel can be heterogeneously catalyzed: phenylmethyldiazene decomposes under 10-2 mbar pressure at a [Ni/SiO2] catalyst surface selectively to HCN and aniline.
In the pyrolysis of 1,2,3-benzoselenodiazole using a short-distance furnace, a short-lived intermediate is detected photoelectron spectroscopically. Mass spectra recorded under similar conditions suggest an isomer C6H4Se rearranging to the more stable final product 6-fulveneselone. The ionization pattern obtained by computerized spectra stripping is assigned to benzselenirene by molecular radical cation state comparison based on MNDO calculations.
Tetraphenylbutatriene is reduced under aprotic conditions to its ESR/ENDOR-spectroscopically characterized radical anion and to its dianion, with both electron transfers quasireversible according to cyclovoltammetric measurements. The alkali cation salts, the red contact ion pair [(H5C6)4C4·⊖][Na⊕ (H3COCH2CH2OCH3)3] and the dark violet contact ion triple [(H5C6)4C4⊖⊖][Li⊕(H3COCH2CH2OCH3)3]2 can be prepared by single electron reduction at a sodium metal mirror or by twofold de-protonation of 1,1,4,4-tetraphenylbutyne-2 using lithium-n-butyl. Their single crystal structures as well as that of the parent acetylene have been determined at low temperatures. The essential structural changes observed are the twisting of both molecular halves (H5C6)2CC relative to each other with increasing negative charge. The simultaneously resulting bond alternancy >C = C = C = C< → >C⊖ - C ≡ C⊖ - C < within the cumulene chain is discussed based on MNDO calculations for the structures determined.
The two-electron reduction of tetraphenyl-p-quinodimethane M via its radical anion M⊖ to its dianion M⊖⊖ is explored both by cyclovoltammetry and ESR/ENDOR spectroscopy. Contact of the diglyme solution with added 15-crown-5 under aprotic conditions with a sodium metal mirror yields black crystals of a solvent-separated contact ion triple [M⊖⊖][Na⊕(OCH2CH2)5(H3CO(CH2CH2O)2CH3)]2. The two-electron-insertion into the pquinodimethane derivative R2C⊖=C(HC=CH)2C=CR2 changes its structure drastically to that of a twofold carbanion substituted benzene, R2C⊖ -(C6H4)- ⊖CR2. MNDO calculations provide a rationale for both the tremendous solvation of a Na⊕ center coordinated to seven oxygen centers of 15-crown-5 and of one diglyme molecule and the structural changes as well as the charge distribution in the unique Tetraphenyl-p-quinodimethane dianion (H5C6)2C⊖-(C6H4)- ⊖C(C6H5)2, in which the two negative charges are largely localized at the carbanion center of the benzene -substituents.
The lysosomal polypeptide transporter TAPL belongs to the superfamily of ATP-binding cassette transporters. TAPL forms a homodimeric transport complex, which translocates oligo- and polypeptides into the lumen of lysosomes driven by ATP hydrolysis. Although the structure and the function of ABC transporters were intensively studied in the past, details about the single steps of the transport cycle are still elusive. Therefore, we analyzed the coupling of peptide binding, transport and ATP hydrolysis for different substrate sizes. Although longer and shorter peptides bind with the same affinity and are transported with identical Km values, they differ significantly in their transport rates. This difference can be attributed to a higher activation energy for the longer peptide. TAPL shows a basal ATPase activity, which is inhibited in the presence of longer peptides. Uncoupling between ATP hydrolysis and peptide transport increases with peptide length. Remarkably, also the type of nucleotide determines the uncoupling. While GTP is hydrolyzed as good as ATP, peptide transport is significantly reduced. In conclusion, TAPL does not differentiate between transport substrates in the binding process but during the following steps in the transport cycle, whereas, on the other hand, not only the coupling efficiency but also the activation energy varies depending on the size of peptide substrate.
The ATP-binding cassette transporter TAPL translocates polypeptides from the cytosol into the lysosomal lumen. TAPL can be divided into two functional units: coreTAPL, active in ATP-dependent peptide translocation, and the N-terminal membrane spanning domain, TMD0, responsible for cellular localization and interaction with the lysosomal associated membrane proteins LAMP-1 and LAMP-2. Although the structure and function of ABC transporters were intensively analyzed in the past, the knowledge about accessory membrane embedded domains is limited. Therefore, we expressed the TMD0 of TAPL via a cell-free expression system and confirmed its correct folding by NMR and interaction studies. In cell as well as cell-free expressed TMD0 forms oligomers, which were assigned as dimers by PELDOR spectroscopy and static light scattering. By NMR spectroscopy of uniformly and selectively isotope labeled TMD0 we performed a complete backbone and partial side chain assignment. Accordingly, TMD0 has a four transmembrane helix topology with a short helical segment in a lysosomal loop. The topology of TMD0 was confirmed by paramagnetic relaxation enhancement with paramagnetic stearic acid as well as by nuclear Overhauser effects with c6-DHPC and cross-peaks with water.
Eine in vivo Modifizierung von Blutstammzellen wäre für eine Reihe gentherapeutischer Therapieansätze vorteilhaft. Dies würde voraussetzen, dass retrovirale Vektoren gezielt auf Blutstammzellen ausgerichtet werden können. Für dieses sogenannte Zelltargeting bietet sich das vom Milznekrose-Virus von Vögeln (SNV) abgeleitete Vektorsystem an, bei dem die Rezeptorbindungsdomäne des Env-Proteins modifiziert werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte ein SNV-basierter retroviraler Zelltargeting-Vektor entwickelt werden, der einen selektiven Gentransfer in die primären humanen CD34-positiven hämatopoetischen Zellen ermöglicht. Zur weitergehenden Charakterisierung des SNV-Vektorsystems sollte geklärt werden, ob das Env-Protein des SNV ein mit anderen gamma-retroviralen Env-Proteinen vergleichbares R-Peptid aufweist, dessen mögliche Rolle bei viralem Zelleintritt ebenfalls untersucht werden sollte. Um eine Zielzell-Spezifität des SNV-Vektors zu erreichen, wurde die gesamte SU-Domäne des SNV-Env-Proteins mit einem einkettigen Antikörperfragment (scFv) ersetzt, das gegen das CD34 Molekül gerichtet ist,. Mit diesem modifizierten Env gelang es, [(antiCD34-TM)SNV]-Vektorpartikel herzustellen, die spezifisch CD34-positive Zellen transduzierten. Essentiell für die Erzeugung solcher Vektoren war die Etablierung einer stabilen Verpackungszelllinie, die Vektorpartikel mit einem Titer von 2x105 i.E./ml produzierte. In Transduktionsexperimenten mit verschiedenen Zelllinien wurde gezeigt, dass [(antiCD34-TM)SNV]-Vektoren eine deutliche Präferenz für CD34+-Zellen und nicht für CD34--Zellen besitzen, wobei der Unterschied in der Transduktionseffizienz zwischen CD34-positiven und –negativen Zellen um den Faktor 100 lag. [(antiCD34-TM)SNV]-Vektoren waren in der Lage, den Reportergentransfer auch in primäre humane Stammzellen zu bewirken. Hierzu wurde ein Transduktionsprotokoll so optimiert, dass die aus dem Nabelschnurblut isolierten CD34+-Zellen transduziert werden konnten. Der für diese Zielzellen bestimmte Vektortiter betrug bis zu 2x106 i.E./ml. In einem Gemisch von primären CD34+- und CD34--Zellen konnte der Vektor zwischen dem Target- und Nontarget-Zellen unterscheiden. Somit wurde zum ersten Mal nicht nur Spezifität, sondern auch Selektivität des SNV-Vektorsystems demonstriert. Dieses Ergebnis ist für eine Weiterentwicklung des Vektors für die in vivo Anwendung in Rahmen einer Gentherapie eine wichtige Voraussetzungen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Fusionsvorgang bei Virus-Eintritt näher untersucht. Anlass dafür war die experimentelle Beobachtung, dass das Env-Protein des SNV bei der Virusknospung von einer viralen Protease innerhalb der zytoplasmatischen Domäne proteolytisch gespalten wird. Ein Sequenz-Vergleich des SNV TM-Proteins mit dem MLV TM-Protein ergab Hinweise darauf, dass es sich um die Abspaltung des sogenannten R-Peptides analog zu MLV handeln könnte. Die Expression von SNV-Env- Mutanten mit einem entsprechend verkürzten C-Tail (Env delta R) führte zur Synzytien-Bildung. Die bildung hochfusogener Oberflächenhüllproteine durch die Abspaltung des R-Peptids konnte auch für andere gamma-Retroviren gezeigt werden. Die Synzytienbildung konnte quantitativ unter den Env delta R-Varianten verschiedener gamma-Retroviren in einem etablierten Fusionsassay verglichen werden. Das Env delta R des endogenen Retrovirus des Schweins (PERV) des Typs A erwies sich als potentestes Fusionsagens. Als Folge der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit wurde postuliert, dass die Abspaltung des R-Peptides ein allgemeiner Mechanismus bei der Partikelreifung der gamma-Retroviren ist und eine fusionsregulierende Rolle besitzt. Eine Weiterentwicklung fusionsaktiver Env-Varianten als mögliche therapeutische Gene für eine Tumor-Gentherapie ist somit diskutierbar.
Das wachsende Verständnis für das fein abgestimmte Zusammenspiel aus Struktur und Funktion von Nukleinsäuren resultiert aus unzähligen Forschungsprojekten. Forschende stehen dabei vor der Herausforderung, dass die zu untersuchenden Oligonukleotide sowohl modifiziert als auch in ausreichender Menge und Reinheit dargestellt werden müssen. Die chemische Festphasensynthese ist ein bewährtes Mittel zur Synthese hochmodifizierter DNA und RNA. Allerdings werden Oligonukleotide mit zunehmender Länge unzugänglicher, da die einzelnen Kupplungsreaktionen nicht quantitativ ablaufen, was zu schwer abtrennbaren Abbruchsequenzen führt. Hinzu kommt, dass während der chemischen Synthese harsche Reaktionsbedingungen nötig sind, denen die gewünschten Modifikationen standhalten müssen. (Chemo-) enzymatische Methoden können diese Hürden überwinden und somit den Zugang zu biologisch interessanten, längeren modifizierten Sequenzen ermöglichen. Jedoch erfolgt der enzymatische Einbau von Modifikationen ohne aufwendige Optimierung lediglich statistisch verteilt. Um weitere Erfolge im Bereich der Strukturaufklärung zu erzielen, werden somit Synthesemethoden benötigt, die sich zum positionsspezifischen Einbau von Modifikationen eignen und gleichzeitig den Zugang zu längeren Oligonukleotiden ermöglichen. Zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion haben sich in den letzten Jahren lichtadressierbare Verbindungen als gefragte Modifikationen erwiesen. Der Einsatz von Licht als mildes, nicht-invasives Auslösesignal stellt besonders im biologischen Kontext eine interessante Herangehensweise dar. Um hochwertige Aussagen über das Verhalten von Oligonukleotiden in komplexer biologischer Umgebung machen zu können, muss durch die gezielte Platzierung lichtaktivierbarer Verbindungen ein effizientes AN/AUS-Verhältnis geschaffen werden. Der Einbau photolabiler Schutzgruppen erlaubt eine vorübergehende Beeinflussung der Oligonukleotidstruktur, die durch Abspaltung der Schutzgruppe irreversibel (re-) aktiviert werden kann. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Einbau von Photoschaltern eine reversible Adressierbarkeit durch Isomerisierungsprozesse. Die Synthese komplexer gezielt-markierter Oligonukleotide erfolgt zumeist chemisch und ist daher längenlimitiert.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, beide Fragestellungen zu vereinen und eine chemo-enzymatische Methode zur RNA-Synthese zu untersuchen, die zum einen die positionsspezifische Modifizierung mit lichtaktivierbaren Einheiten erlaubt und darüber hinaus die Längenlimitierung der chemischen Festphasensynthese überkommt. Im Zentrum der Methode stehen drei enzymatische Reaktionsschritte zum Einbau von photolabil- und photoschaltbar-modifizierten Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphaten: I) eine 3‘-Verlängerung, in der die modifizierten Bisphosphate mit T4 RNA Ligase 1 mit dem 3‘-Ende einer RNA verknüpft werden; II) die Dephosphorylierung des 3‘-Phosphats mit Shrimp Alkaline Phophatase und III) die Verknüpfung der 3‘-terminal modifizierten RNA mit einem zweiten 5‘-phosphorylierten RNA-Fragment, wodurch eine Gesamtsequenz mit gezielt platzierter Modifikation entsteht (Abb. I).
Im ersten Teilprojekt wurden in kollaborativer Arbeit zunächst benötigte photolabile NPE- und photoschaltbare Azobenzol-C-Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate synthetisiert und grundlegende Bedingungen der enzymatischen Reaktionen erarbeitet. Hierbei konnte der enzymatische Syntheseansatz erfolgreich in Lösung umgesetzt und der chemo-enzymatische Einbau aller synthetisierten Bausteine nachgewiesen werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Methode in eigenständigen Arbeiten weiterverfolgt, um den multiplen Einbau NPE-modifizierter Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate in direkter Nachbarschaft sowie deren Einbau in DNA/RNA-Mixmere mit Phosphodiester- oder Phosphorthioatrückgrat zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Enzyme neben lichtaktivierbaren Modifikationen zusätzliche Anpassungen der Phosphateinheit sowie unterschiedliche Ribosebausteine in Kombination tolerieren. Da exogene RNA schnell von Exonukleasen abgebaut und somit unwirksam wird, werden zahlreiche stabilisierende Anpassungen an synthetischen RNAs vorgenommen. Zu den häufigsten zählen Phosphorthioate und Modifikationen der Ribose. Mit der erfolgreichen Modifikation der chimären Oligonukleotide eröffnet die erarbeitete Methode einen wichtigen Zugang zu therapeutisch interessanten Oligonukleotiden. Ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung biologisch relevanter Anwendungsmöglichkeiten konnte mit der Synthese, Charakterisierung und Umsetzung eines DEACM-geschützten Uridin-3‘,5‘-Bisphosphates (pUDEACMp) errungen werden. Im Vergleich zur verwendeten NPE-Schutzgruppe ist das Absorptionsspektrum der DEACM-Schutzgruppe bathochrom-verschoben, was eine Abspaltung mit Wellenlängen > 400 nm erlaubt. Dadurch können Zellschäden vermieden und Oligonukleotide mit NPE- und DEACM-Modifikation wellenlängenselektiv angesprochen werden...
By means of differential thermoanalysis, the miscibility of the main polar tetraether lipid of Thermoplasma acidophilum with two ester lipids, dipalmitoyl phosphatidylcholine and dipalmitoyl phosphatidylglycerol, resp., in the presence of excess water was studied. It is shown that with increasing fraction of tetraether lipid in the mixture, the transition range of dipalmitoyl phosphatidylcholine is broadened and the temperature of the maximum heat flow (Tm) is shifted to lower temperatures; furthermore, the enthaply change (ΔH) of the transition declines. Similar results were obtained with mixtures of tetraether lipid with dipalmitoyl phosphatidylglycerol. It is therefore concluded that the main polar tetraether lipid of Thermoplasma acidophilum , which essentially forms monomolecular layers, is able to form stable common phases with bilayer-forming ester lipids. Miscibility of the tetraether lipid with dipalmitoyl phosphatidylglycerol, which are both monovalent anions at neutral pH, is also observed in the presence of high proton or calcium ion concentrations.
Mitochondrial ATP synthases form dimers, which assemble into long ribbons at the rims of the inner membrane cristae. We reconstituted detergent-purified mitochondrial ATP synthase dimers from the green algae Polytomella sp. and the yeast Yarrowia lipolytica into liposomes and examined them by electron cryotomography. Tomographic volumes revealed that ATP synthase dimers from both species self-assemble into rows and bend the lipid bilayer locally. The dimer rows and the induced degree of membrane curvature closely resemble those in the inner membrane cristae. Monomers of mitochondrial ATP synthase reconstituted into liposomes do not bend membrane visibly and do not form rows. No specific lipids or proteins other than ATP synthase dimers are required for row formation and membrane remodelling. Long rows of ATP synthase dimers are a conserved feature of mitochondrial inner membranes. They are required for cristae formation and a main factor in mitochondrial morphogenesis.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum Vergleich die Strukturen der ATP-Synthasen von Arabidopsis thaliana, Asparagus officinalis, Allium cepa, Helianthus annus, Solanum tuberosum, Bos taurus und Saccharomyces cerevisiae gelöst. Die ATP-Synthase von S. cerevisiae konnte mit einer Auflösung von 19 Å gelöst werden. Der Winkel zwischen den zwei ATP-Synthase-Monomeren in dem ATP-Synthase-Dimer hatte für jede Spezies einen bestimmten Wert. Dieser Winkel änderte sich innerhalb einer Spezies nur wenig im Gegensatz zu Untersuchungen mit Einzelpartikelanalyse.
Die ATP-Synthase-Dimere aus den untersuchten Spezies besitzen unterschiedliche Winkel zwischen 78˚ und 122˚. Der Winkel des ATP-Synthase-Dimers aus S. tuberosum (122˚) viel größer als der in anderen Pflanzen (~98˚), B. taurus (105˚) und S. cerevisiae (78˚). Die Proben von S. tuberosum und B. taurus waren jedoch dünner, was den Winkel eventuell beeinflussen könnte. Um dies auszuschließen müssen in Zukunft weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Des Weiteren wurde im peripheren Stiel der ATP-Synthasen von allen Pflanzenspezies eine Dichte entdeckt, die in B. taurus und S. cerevisiae nicht vorhanden ist. Die Dichte könnte durch eine zusätzliche Untereinheit oder veränderte Untereinheit im Vergleich zu B. taurus und S. cerevisiae kommen.
Weiterhin wurde die Bildung von Reihen aus ATP-Synthase-Dimeren untersucht. Es wurden ATP-Synthase-Dimere von Polytomella sp. gereinigt und in Lipid rekonstituiert. Es wurde das ATP-Synthase-Dimer von Polytomella sp. verwendet, da dieses besonders stabil ist und während der Reinigung nicht zum ATP-Synthase-Monomer zerfällt. Zur Rekonstitution wurde die milde GRecon-Methode verwendet. Hierbei werden Membranproteine in einem Zuckergradienten gleichzeitig in Lipid rekonstituiert und nach ihrer Dichte getrennt. Abhängig von der Dichte der Proteoliposomen ist die Konzentration an Membranproteinen unterschiedlich. In Proteoliposomen mit einer hohen Konzentration bilden sich dünne Schichten in denen die ATP-Synthase-Dimeren Zickzack-Muster formen. Dies deutet darauf hin, dass das ATP-Synthase-Dimer die Membran verformt. In Proteoliposomen mit einer niedrigeren Konzentration an ATP-Synthase-Dimeren wurden runde Vesikel detektiert, in denen die ATP-Synthase-Dimere lange Reihen bilden und die Membran innerhalb jedes ATP-Synthase-Dimer ebenfalls verformt ist. Molekulare Simulationen bestätigen dieses Ergebnis.
Zudem wurde das ATP-Synthase-Dimer in zwei verschiedene Lipide ohne Cardiolipin rekonstituiert, da Cardiolipin ein Lipid ist welches in der bakteriellen und mitochondrialen Membran gefunden wurde und in hohen Konzentrationen in Membrankrümmungen lokalisiert ist (Huang et al., 2006), wie auch die ATP-Synthase-Dimere. Ohne Cardiolipin ist die Rekonstitution nicht geglückt beziehungsweise sind die ATP-Synthase-Dimere weniger gut zueinander angeordnet. Das deutet auf die Wichtigkeit von Cardiolipin in der Stabilisierung der Reihen von ATP-Synthase-Dimeren hin. Weitere Experimente mit verschiedenen ATP-Synthase-Dimeren in verschiedenen Lipiden sind nötig um dies zu untermauern.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es ein klonierbares Label zu etablieren, um ein bestimmtes Protein in Kryo-Elektronentomogramme zu identifizieren. Das Label sollte klein sein, um das zu identifizierbare Protein nicht zu beeinflussen und groß genug um in Kryo-Elektronentomogramme identifizierbar zu sein. In Einzelbildern wurde das 6 kDa große Metallothionein gebunden mit Gold identifiziert, wenn zwei Metallothioneine an dem gewünschten Protein kloniert wurden. Metallothionein besteht zu 33 % aus Cysteinen, welche Schwermetalle binden.
In meinen Studien habe ich bewiesen, dass drei Metallothioneine, gebunden mit Gold, in Kryo-Elektronentomogramme detektiert werden können. Jedoch tritt bei der Verwendung von Metallothionein durch die hohe Anzahl an Cysteinen vermehrt Aggregation auf. Bei meinen Untersuchungen fand ich heraus, dass auch das Maltose-Binde-Protein (MBP) ein Signal gleicher Intensität erzeugt. Durch Verwendung von MBP tritt aber keine Aggregation auf und man kann MBP auch zum Reinigen des Proteins verwenden.
Ein früherer Vorschlag zum Reaktionsmechanismus der DFPase, der eine Wasseraktivierung durch den Rest H287 postulierte, mußte nach neuen experimentellen Daten verworfen werden. Daher lag zu Beginn der hier vorliegenden Arbeit kein Vorschlag für den Mechanismus der DFPase vor, der die experimentellen Daten erklären konnte. Für das längerfristige Ziel, die katalytischen Eigenschaften der DFPase gezielt verändern zu können, war es daher notwendig, zunächst den Mechanismus der Hydrolyse von Verbindungen wie DFP durch die DFPase näher zu untersuchen. Durch computergestützte Modellierung im aktiven Zentrum der DFPase (Docking) wurde die Bindung von DFP und anderen Substraten der DFPase genauer untersucht und mit vorhandenen experimentellen Daten verglichen. Diese Arbeiten führten auch zur theoretischen Untersuchung des Bindungsverhaltens von O,O-Dialkylphosphoroamidaten als potentiellen Inhibitoren der DFPase. Diese den Dialkylfluorophosphaten strukturell sehr ähnlichen Substanzen werden durch die DFPase nicht umgesetzt. Die Ergebnisse der Dockinguntersuchung führten schließlich zu der Synthese von drei Phosphoroamidaten unter der Untersuchung ihres Verhaltens als Inhibitoren der DFPase. DIe Charakterisierung erfolgte dabei über enzymkinetische Methoden sowie NMR-Experimente. Mit dem stärksten Inhibitor O,O-Dicyclopentylphosphoroamidat gelang die Kristallisation eines Komlexes mit der DFPase, der mit der Methode der Röntgenbeugung strukturell bestimmt werden konnte. Dieser Komplex belegt die Bindung der Phosphorylgruppe von Substraten an das katalytisch wirksame Calciumion im aktiven Zentrum der DFPase und zeigt die vorherrschenden Bindungskräfte zwischen Ligand und Protein auf. Eine Reihe von Mutanten der DFPase, bei denen gezielt die koordinierenden Aminosäuren des katalytischen Calciumions verändert wurden, ergänzte die bereits in früheren Arbeiten erzeugten Mutanten. Die katalyischen Eigenschaften dieser Mutanten und ihre Fähigkeit zur Metallbindung gestatten es, diese Metallbindungsstelle genauer zu beschreiben und lassen zusammen mit den Dockingexperimenten und der Struktur des Inhibitor-Enzymkomplexes vermuten, dass der calciumkoordinierende Aminosäurerest D229 als aktives Nukleophil im Reaktionsmechanismus der DFPase fungiert. Diese Vermutung ließ sich mit experimentellen Daten untermauern. Durch 18O-Isotopenmarkierung konnte gezeigt werden, dass ein Sauerstoffatom von D229 auf das entstehende Produkt übertragen wird. Hierdurch konnte die Existenz eines Phosphoenzymintermediats nachgewiesen werden. Des weiteren gelang es, Kristalle der DFPase zu züchten, die für Neutronenbeugungsexperimente geeignet waren. Im Rahmen dieser Experimente gelang die Aufnahme eines vollständigen Datensatzes und die Lösung der Neutronenbeugungsstruktur der DFPase in einer Auflösung von 2,2 Å. Diese Neutronenstruktur, in der Wasserstoffatome im Unterschied zu Röntgenstrukturen gut sichtbar sind, zeigt eindeutig, dass der Rest D229 wie erforderlich deprotoniert und dass das in der Bindungstasche an das Calciumion koordinierende Wassermolekül nicht als Hydroxid vorliegt. Damit ließ sich die direkte Aktivierung von Wasser durch das Metallion ausschließen. Neben wichtigen Informationen über die Bindungstasche der DFPase lieferte die Neutronenstruktur auch detaillierte Einblicke in das Wasserstoffbrückennetzwerk im zentralen, wassergefüllten Tunnel des Proteins. Über die Bestimmung des Wasserstoff/Deuteriumaustausches von Proteinrückgradamiden konnten weitere Aussagen über die Solvenszugänglichkeit von verschiedenen Proteinbereichen gemacht werden. Für die DFPase konnten strukturell und funktionell ähnliche Proteine identifiziert werden. Neben der Paraoxonase 1 waren dies das Calciumbindeprotein Regucalcin aus Agrobacterium thumefaciens sowie das Drug Resistance Protein 35 aus Staphylococcus aureus. Es konnte gezeigt werden, dass diese Proteine eine der katalytischen Calciumbindestelle der DFPase vergleichbare Metallbindestelle aufweisen und verschiedene Enzymaktivitäten dieser Proteine durch einen Mechanismus mit einem zu D229 analogen Nukleophil erklärt werden können. Ein direkter Vergleich zwischen der DFPase und der humanen Paraoxonase gelang durch Untersuchungen mit fluorogenen Organophosphaten als Substrate. Hierbei konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die DFPase in der Lage ist, Substrate mit einer P-O Bindung hydrolytisch zu spalten. Die unterschiedlich gute Umsetzung der verschiedenen Substrate durch die beiden Enzyme konnte auf der Grundlage der Proteinstrukturen erklärt werden, wobei für die Paraoxonase postuliert wurde, dass der calciumbindende Aminosäurerest D269 als zu D229 analoges Nukleophil wirkt. Abschließend gelang es, zusätzlich eine Zusammensetzung für eine Enzympräparation zu finden, die eine Gefriertrocknung der DFPase mit nur geringem Verlust an enzymatischer Aktivität erlaubt. Ein solches lagerstabiles Enzympulver ist ein notwendiger Schritt hin zu einer praktischen Anwendung der DFPase für die technische Dekontamination von hochtoxischen Nervenkampfstoffen.
The translation eukaryotic elongation factor 1alpha (eEF1A) is a monomeric GTPase involved in protein synthesis. In addition, this protein is thought to participate in other cellular functions such as actin bundling, cell cycle regulation, and apoptosis. Here we show that eEF1A is associated with the alpha2 subunit of the inhibitory glycine receptor in pulldown experiments with rat brain extracts. Moreover, additional proteins involved in translation like ribosomal S6 protein and p70 ribosomal S6 protein kinase as well as ERK1/2 and calcineurin were identified in the same pulldown approaches. Glycine receptor activation in spinal cord neurons cultured for 1 week resulted in an increased phosphorylation of ribosomal S6 protein. Immunocytochemistry showed that eEF1A and ribosomal S6 protein are localized in the soma, dendrites, and at synapses of cultured hippocampal and spinal cord neurons. Consistent with our biochemical data, immunoreactivities of both proteins were partially overlapping with glycine receptor immunoreactivity in cultured spinal cord and hippocampal neurons. After 5 weeks in culture, eEF1A immunoreactivity was redistributed to the cytoskeleton in about 45% of neurons. Interestingly, the degree of redistribution could be increased at earlier stages of in vitro differentiation by inhibition of either the ERK1/2 pathway or glycine receptors and simultaneous N-methyl-D-aspartate receptor activation. Our findings suggest a functional coupling of eEF1A with both inhibitory and excitatory receptors, possibly involving the ERK-signaling pathway.
The theoretical IR-frequencies of sulphurdifluoride are computed from force constants, which are evaluated by means of molecules with S-F-bonds: ν1 = 795 ± 10cm-1, ν2 = 430± 5cm-1, ν3= 830 ± 10cm-1.
Der Einsatz von Mikrowellen zur Synthese von Organosilicioumverbindungen ist bislang nicht beschrieben und wird mit der vorliegenden Arbeit eingeführt. Dazu wurde eine Haushaltsmikrowelle durch Öffnen des Sicherheitskäfigs und entsprechender Abschirmung so modifiziert, dass mit den üblichen Labormaterialien gearbeitet werden konnte. Exemplarische Reaktionen in flüssiger Phase, wie die Synthese von Silatranen und silatrananalogen Verbindungen, können gegenüber der klassischen Reaktionsführung bis zum Faktor 60 bei vergleichbaren Ausbeuten und Reinheiten beschleunigt werden. Auch die direkte Konversion von SiO2 in reaktive Verbindungen gelingt unter Mikrowellenbedingungen deutlich beschleunigt. Weitere Modifikationen der Apparatur ermöglichen die Durchführung von Festphasen-Gas Reaktionen unter Verwendung von Silicium und verschiedenen Reaktionsgasen. Verwendet wurden dazu Cl2, HCl, CH3Cl sowie Gemishce dieser Gase. Auch wurden die Reaktionen unter verschiedenen Stufen der Argonverdünnung durchgeführt. Erstaunlicherweise glüht dabei das Silicium innerhalb von Sekunden mit einer Temperatur von über 1000°C. Die Untersuchungen zeigen eine hohe Tendenz zur Bildung von monomeren Siliciumverbindungen, sobald Methylchlorid beteiligt ist, wird bevorzugt das technisch bedeutsame Me2SiCl2 beobachtet. Alle Ergebnisse gehen konform mit der Annahme, dass durche Mikrowelle aktiviertes Silicium bereitgestellt wird. Dadurch kann es zur Bildung und Stabilisierung von intermediären Silylenen kommen, die in verschiedene Bindungen der Reaktionspartner insertieren. Bemerkenswert ist auch die geringe elektrische Leistung von 200 Watt, die in allen diskutierten Umsetzungen ausreicht, um die gewünschten Reaktionen durchzuführen. Darüber hinaus wurde auch der Unterschied zwischen Multimode- und Singlemodegeräten untersucht. Nur bei Verwendung von Multimodegeräten könenn die beschriebenen Ergebnisse erzielt werden. Beim Einsatz von Singlemodegeräten entsprechen die Resultate denen, die bei klassischer thermischer Reaktionsführung erzielt werden.
Loss of the tumor suppressor Pdcd4 was reported for various tumor entities and proposed as a prognostic marker in tumorigenesis. We previously characterized decreased Pdcd4 protein stability in response to mitogenic stimuli, which resulted from p70S6K1-dependent protein phosphorylation, β-TrCP1-mediated ubiquitination, and proteasomal destruction. Following high-throughput screening of natural product extract libraries using a luciferase-based reporter assay to monitor phosphorylation-dependent proteasomal degradation of the tumor suppressor Pdcd4, we succeeded in showing that a crude extract from Eriophyllum lanatum stabilized Pdcd4 from TPA-induced degradation. Erioflorin was identified as the active component and inhibited not only degradation of the Pdcd4-luciferase-based reporter but also of endogenous Pdcd4 at low micromolar concentrations. Mechanistically, erioflorin interfered with the interaction between the E3-ubiquitin ligase β-TrCP1 and Pdcd4 in cell culture and in in vitro binding assays, consequently decreasing ubiquitination and degradation of Pdcd4. Interestingly, while erioflorin stabilized additional β-TrCP-targets (such as IκBα and β-catenin), it did not prevent the degradation of targets of other E3-ubiquitin ligases such as p21 (a Skp2-target) and HIF-1α (a pVHL-target), implying selectivity for β-TrCP. Moreover, erioflorin inhibited the tumor-associated activity of known Pdcd4- and IκBα-regulated αtranscription factors, that is, AP-1 and NF-κB, altered cell cycle progression and suppressed proliferation of various cancer cell lines. Our studies succeeded in identifying erioflorin as a novel Pdcd4 stabilizer that inhibits the interaction of Pdcd4 with the E3-ubiquitin ligase β-TrCP1. Inhibition of E3-ligase/target-protein interactions may offer the possibility to target degradation of specific proteins only as compared to general proteasome inhibition.
The tumor suppressor programmed cell death 4 (Pdcd4) exerts its function by inhibiting protein translation initiation. Specifically, it displaces the scaffold protein eukaryotic initiation factor 4G (eIF4G) from its binding to the eukaryotic initiation factor 4A (eIF4A). Thereby, Pdcd4 inhibits the helicase activity of eIF4A, which is necessary for the unwinding of highly structured 5’ untranslated regions (UTRs) of messenger RNAs (mRNAs) often found in oncogenes like c-myc to make them accessible for the translation machinery and subsequent protein production. Overexpression of Pdcd4 inhibits tumorigenesis in vitro and in vivo and inversely, Pdcd4 knockout mice show enhanced tumor formation. In line, Pdcd4 is lost in various tumor types and proposed as prognostic factor in colon carcinomas. Unlike most other tumor suppressors that are rendered nonfunctional by mutations (e.g., p53), Pdcd4 loss is not attributable to mutational inactivation. It is regulated via translational repression by microRNAs and increased degradation of the protein under tumor promoting, inflammatory conditions and mitogens. Specifically, proteasomal degradation of Pdcd4 is controlled by p70 S6 Kinase (p70S6K)-mediated phosphorylation in its degron sequence (serines 67, 71 and 76). Stimulation of the PI3K-AKT-mTOR pathway by growth factors, hormones and cytokines initiates p70S6K activity. Phosphorylated Pdcd4 is subsequently recognized by the E3 ubiquitin ligase beta-transducin repeats-containing protein (β-TrCP) and marked with a polyubiquitin tail to be detected by the 26S proteasome for degradation. β-TrCP represents the substrate specific recognition subunit of the ubiquitin ligase complex responsible for protein-protein interaction with Pdcd4 as substrate for ubiquitin transfer and subsequent proteasomal disassembly.
The first part of the present work aimed at identifying novel stabilizers of the tumor suppressor Pdcd4 in a high throughput screen (HTS). As assay design, a fragment of Pdcd4 from amino acid 39 to 91, containing the phosphorylation sensitive degron sequence, was fused to a luciferase reporter gene construct. Stable expression of this Pdcd4(39-91)luciferase (Pdcd4(39-91)luc) fusion protein in HEK 293 cells served as read-out for the Pdcd4 protein amount to be detected in a high throughput compatible cell-based assay. Loss of Pdcd4(39-91)luc was induced by treatment with 12-O-
tetradecanoylphorbol-13-acetate (TPA), a phorbolester, which activates the PI3K signaling cascade leading to degradation of Pdcd4. The cut-off for hit definition was set at >50% activity in rescuing the Pdcd4(39-91)luc signal from TPA-induced degradation. Activity was calculated relative to the difference of DMSO- and TPA-treated cells (ΔDMSO-TPA = RLUDMSO-RLUTPA). Initial screening of a protein kinase inhibitor library (PKI) revealed hit substances expected to show Pdcd4 stabilizing activity by inhibition of kinases involved in Pdcd4 downregulation, e.g., the mTOR inhibitor rapamycin, the PI3K inhibitors wortmannin and LY294002 and the PKC inhibitors GF 109203X and Ro 31-8220.
The Molecular Targets Laboratory (MTL) of the National Cancer Institute (NCI) in Frederick, USA, hosts one of the largest collections of crude natural product extracts as well as a big substance libraries from pure synthetic sources. Screening of over 15 000 pure compounds and over 135 000 natural product extracts identified 46 pure and 42 extract hits as Pdcd4 stabilizers. For nine synthetic and six natural product derived compounds (after bioassay-guided fractionation), dose-dependent activities for recovering the TPA-induced Pdcd4(39-91)luc loss defined IC50s in the low micromolar range. Most importantly, these compounds were confirmed to stabilize endogenous Pdcd4 protein levels from forced degradation as well. This result proved the assay design to be highly representative for endogenous cellular mechanisms regulating Pdcd4 protein stability. The next step was to stratify the hit substances according to their likely mechanism of action to be located either up- or downstream of the p70S6K-mediated phosphorylation of Pdcd4. Therefore, phosphorylation of S6, as proto-typical p70S6K target, was analyzed and uncovered two natural derived compounds to influence p70S6K activity. Four substances did not affect p70S6K phosphorylation activity and were therefore considered to stabilize Pdcd4 by acting downstream, i.e. on the β-TrCP-mediated proteasomal degradation.
In the second part of this work, one of these compounds, namely the sesquiterpene lactone erioflorin, isolated by bioassay-guided fraction from the active extract of Eriophyllum lanatum, Asteraceae, was further characterized in detail with respect to its molecular mechanism of action. Erioflorin dose-dependently protected both Pdcd4(39-91)luc and endogenous Pdcd4 protein from TPA-induced degradation with IC50s of 1.28 and 2.64 μM, respectively. Pdcd4 stabilizing activity was maximal at 5 μM erioflorin. Up to this concentration, erioflorin was verified not to inhibit p70S6K activity. In addition, it was observed that erioflorin rescued Pdcd4(39-91)luc from both, wild type and constitutively active p70S6K-mediated downregulation. Only wild type p70S6K was inhibitable by the mTOR inhibitor rapamycin which served as an upstream acting control. To study the next section of Pdcd4 regulation, i.e. recognition by the E3 ubiquitin ligase β-TrCP, Pdcd4(39-91)luc and endogenous Pdcd4 were immunoprecipitated from whole cell extracts with the corresponding antibodies. In this key experiment, treatment with TPA increased overexpressed β-TrCP binding to both and this coimmunoprecipitation could be strongly reduced by erioflorin treatment. This result strongly pointed to an inhibitory mechanism of the β-TrCP specific binding to Pdcd4 by erioflorin. In addition, erioflorin disrupted the binding of in vitro transcribed/translated β-TrCP to Pdcd4 in an in vitro interaction assay to exclude nonspecific intracellular signals. Furthermore, polyubiquitination of Pdcd4 was decreased by erioflorin treatment as well. To clarify questions regarding specificity of erioflorin for the E3 ubiquitin ligase β-TrCP, stability of another important β-TrCP target was explored, i.e. the tumor suppressor inhibitor of kappa B alpha (IκBα). Indeed, the tumor necrosis factor alpha (TNFα)-mediated loss of IκBα could be prevented by erioflorin cotreatment. On the other hand, the E3 ubiquitin ligase von Hippel Lindau protein (pVHL) was left unaffected as its target hypoxia inducible factor 1 alpha (HIF-1α) could not be stabilized from oxygen-dependent degradation by erioflorin treatment. These results argued strongly for erioflorin being a specific inhibitor of β-TrCP-mediated protein degradation. Functional consequences of erioflorin treatment were investigated by observing its influence on the transcriptional activities of the transformation marker activator protein 1 (AP-1, an indirect downstream target of Pdcd4) and nuclear factor κB (NF-κB which is directly inhibited by IκBα). Indeed, erioflorin showed significant inhibition of AP-1 and NF-κB reporter constructs at 5 μM, a concentration for which an impact on cell viability was excluded. Finally to characterize the significance of erioflorin in a cell-based tumorigenesis assay, the highly invasive colon carcinoma cell line RKO was tested in a two dimensional migration assay. Erioflorin was discovered to significantly lower cell migration in a wound closure assay.
In conclusion, development of a high throughput compatible cell-based reporter assay successfully identified novel substances from pure synthetic and natural product derived background as potent stabilizers of the tumor suppressor Pdcd4. In addition, this work aimed at elucidating the detailed mechanism of action of the sesquiterpene lactone erioflorin from Eriophyllum lanatum, Asteraceae. Erioflorin was discovered to inhibit the E3 ubiquitin ligase β-TrCP, thereby preventing protein degradation of tumor suppressors like Pdcd4 and IκBα. This may offer the possibility to more specifically target protein degradation and generate less adverse side effects by blocking a particular E3 ubiquitin ligase compared to general proteasome inhibition.
The title compound, [Tl4(C4H9O)4], featuring a (Tl—O)4 cube, crystallizes with a quarter-molecule (located on a special position of site symmetry An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is e-66-m1621-efi1.jpg..) and a half-molecule (located on a special position of site symmetry 23.) in the asymmetric unit. The Tl—O bond distances range from 2.463 (12) to 2.506 (12) Å. All O—Tl—O bond angles are smaller than 90° whereas the Tl—O—Tl angles are wider than a rectangular angle.
The title compound, C25H20N4O2, is a ditopic ortho-hydroquinone-based bis(pyrazol-1-yl)methane ligand. The dihedral angles between the planes of the pyrazole rings and their attached phenyl rings are 17.4 (3) and 5.9 (4)°. The pyrazole rings make a dihedral angle of 87.84 (16)°. One of the two hydroxy groups forms an intramolecular hydrogen bond to the other hydroxy group, whereas the second is involved in an intermolecular O—H[cdots, three dots, centered]N hydrogen bond. As a result of these intermolecular hydrogen bonds, helical chains running along the b axis are formed.
The IrIII atom of the title compound, [Ir(C11H8N)2Cl(CH3CN)], displays a distorted octahedral coordination. The pyridyl groups are in trans positions [N—Ir—N = 173.07 (10)°], while the phenyl groups are trans with respect to the acetonitrile and chloride groups [C—Ir—N = 178.13 (11) and C—Ir—Cl = 176.22 (9)°]. The pyridylphenyl groups only show a small deviation from planarity, with the dihedral angle between the planes of the two six-membered rings in each pyridylphenyl group being 5.6 (2) and 5.8 (1)°. The crystal packing shows intermolecular C—H[cdots, three dots, centered]Cl, C—H[cdots, three dots, centered]π(acetonitrile) and C—H[cdots, three dots, centered]π(pyridylphenyl) contacts.
Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung, Synthese und
Charakterisierung neuartiger redoxaktiver Liganden und deren Metallkomplexen. Basierend
auf dem para- und ortho-Hydrochinon / Benzochinon-Redoxsystem wurden 13 neue
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden (28 – 36 und 67 – 70; Schema 47) synthetisiert und
vollständig charakterisiert. Ein Schwerpunkt lag auf der Einführung von Substituenten am
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Donor, um deren Einfluss auf das N,N′-Koordinationsverhalten
gegenüber Metallionen zu untersuchen. In Analogie zu den klassichen Skorpionaten sind
Substituenten in Position 3 der Pyrazolringe in der Lage, koordinativ ungesättigte
Metallzentren kinetisch zu stabilisieren, was für potentielle Anwendungen in der Katalyse
essentiell ist. Bei den ortho-chinoiden Liganden (67 – 70; Schema 47) erfüllt die redoxaktive
Gruppe eine zweite Funktion, nämlich als Chelatdonor gegenüber Metallzentren, was die
Synthese und Untersuchung (hetero-)dinuklearer Komplexe erlaubt.
Schema 47: In dieser Arbeit synthetisierte und charakterisierte redoxaktive Bis(pyrazol-1-yl)methan-
Liganden.
Die kristallographische Charakterisierung von 10 dieser Liganden (28 – 33, 67 – 70) zeigte
größtenteils sehr ähnliche strukturelle Parameter. Ein steigender sterischer Anspruch der
Substituenten am Bis(pyrazol-1-yl)methan führte zu einer leichten Streckung der
Chinon–Bis(pyrazol-1-yl)methan-Bindung und zu kurzen Kontakten zwischen Substituenten
am zentralen Methin-Kohlenstoffatom und den ipso- (HQ-C1) bzw. ortho-Kohlenstoffatomen
(HQ-C2) am sechsgliedrigen Ring. Diese kurzen Kontakte spielten in der oxidativen
Demethylierung von 32 eine Rolle. Während alle anderen para-chinoiden Liganden mit
Cerammoniumnitrat (CAN) zu den erwarteten para-Benzochinon-Derivaten reagierten
(Schema 48), wurde im Zuge der Oxidation von 32 ein zusätzliches Sauerstoffatom am
sechsgliedrigen Ring eingeführt (47; Schema 48). Im Gegenzug wurde die sterisch am
stärksten abgeschirmte Methoxygruppe nicht oxidativ demethyliert. Letztendlich konnte
gezeigt werden, dass (i) das neu eingeführte Sauerstoffatom von atmosphärischem Sauerstoff
stammt und (ii) alle fünf Methylgruppen und beide Methoxygruppen in 32 für die Oxidation
essentiell sind.
Zusammenfassung
72
Schema 48: Oxidation der para-chinoiden Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden mit CAN.
Die Cyclovoltammogramme der ortho-chinoiden Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden
(untersucht am Beispiel von 67, 68 und 70) zeigten irreversible Redoxwellen, da im Zuge der
Oxidation OH-Protonen abgespalten wurden; die Redoxpotentiale liegen in einem mit
chemischen Oxidationsmitteln gut zugänglichen Bereich. 70 wurde von CAN erfolgreich
oxidiert, das Produkt 71 zersetzte sich unter den Reaktionsbedingungen allerdings sehr
schnell und konnte nicht isoliert, sondern lediglich als Additionsprodukt von 4-tert-
Butylpyridin abgefangen werden. Unter optimierten Reaktionsbedingungen und mit DDQ als
Oxidationsmittel ließen sich 70 und 68 in ihre oxidierte Form überführen und in Reinform
gewinnen. Die für ortho-Benzochinone typische Neigung zur Zersetzung wurde auch bei 71
und 73 beobachtet, wobei letzteres sich wesentlich schneller zersetzte (innerhalb von
Stunden) als 71 (innerhalb eines Tages).
Abb. 36: N,N′-Cobalt- und Palladium-Komplexe 59, 60, 74 und 75.
Die Koordinationschemie repräsentativer Vertreter der 13 redoxaktiven Bis(pyrazol-1-
yl)methan-Liganden wurde untersucht. Bereits der sterisch nur mäßig anspruchsvolle parachinoide
Ligand 29 ist in der Lage, koordinativ ungesättigte CoII-Ionen kinetisch gegenüber
der Bildung von 1:2 Komplexen zu stabilisieren. Im Festkörper liegen ausschließlich
Verbindungen mit einer 1:1 Zusammensetzung von Ligand zu CoII vor (59 und 60; Abb. 36).
In Lösung scheinen hingegen Gleichgewichte zu existieren, in denen auch die koordinativ
abgesättigten oktaedrischen 2:1 Komplexe auftreten. Die ortho-chinoiden Liganden 67 und 68
bildeten selektiv entsprechende N,N′-koordinierte PdCl2-Komplexe, ohne dass das ortho-
Hydrochinonat (Catecholat) als konkurrierender O,O′-Donor wirkte (74 und 75).
Zusammenfassung
73
Es zeigte sich jedoch auch, dass sterisch sehr anspruchsvolle Substituenten am
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Fragment in Reaktionen mit Übergangsmetallen zu einer Zersetzung
des Ligandengerüsts führen können. So reagierte der para-chinoide tert-Butyl-substituierte
Ligand 31 mit [Co(NO3)2] zu [(HpztBu,H)2Co(NO3)2] (63). Eine analoge Zersetzung zu trans-
[(HpzR,H)2PdCl2] (76: R = Ph und 77: R = tBu) wurde nach der Reaktion der ortho-chinoiden
Liganden 69 bzw. 70 mit [PdCl2]-Quellen beobachtet.
Schema 49: Synthese von O,O′-Koordinationskomplexen der ortho-chinoiden Bis(pyrazol-1-
yl)methan-Liganden 68, 69 und 70.
Die ortho-chinoiden Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden (67 – 70) besitzen mit ihrem
Catecholat-O,O′-Donor eine zweite Koordinationsstelle, was diese Liganden für die Synthese
von dinuklearen Komplexen interessant macht. Da gezeigt werden konnte, dass [PdCl2]
selektiv an den Bis(pyrazol-1-yl)methan-Donor koordiniert (vgl. 59, 60, 74 und 75; Abb. 36),
galt es als nächstes zu evaluieren, ob eine ähnlich selektive Bindung anderer Metallionen an
den O,O′-Donor möglich ist.
Abb. 37: Molekulare Strukturen ausgewählter O,O′-Koordinationskomplexe ortho-chinoider
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Komplexe 82 (links), 83 (Mitte) und 85 (rechts).
In der Tat konnten in sehr guten Ausbeuten O,O′-gebundene [(p-cym)Ru]-, [(Phpy)2Ir]-
und [(Cp*)Ir]-Komplexe ausgewählter redoxaktiver ortho-chinoider Liganden dargestellt
werden. Vorteilhaft war die Verwendung der kristallinen, nicht-flüchtigen Base TlOtBu zum
Abfangen der im Zuge der Komplexierung freiwerdenden Protonen (Schema 49, Abb. 37).
Die Eliminierung von TlCl sorgt für eine irreversible Reaktion zu den entsprechenden
Zusammenfassung
74
Komplexen. Besonders interessant ist die Koordinationschemie des Liganden 68 im chiralen,
anionischen IrIII-Komplex 83 (Abb. 37 Mitte), der in der Synthese als Thallium-Salz anfiel
und im Festkörper TlI-verbrückte Dimere bildete.
Eine elektrochemische Charakterisierung wurde mit 85 durchgeführt. Wie erwartet, zeigte
der komplexierte Bis(dimethylpyrazol-1-yl)methan-Ligand im Gegensatz zu freiem 68 eine
reversible Oxidationswelle. Die Potentialdifferenz zwischen Liganden-Oxidation und Iridium-
Reduktion beträgt fast 2 V, was in diesem Zusammenhang bedeutet, dass sich 68 als
unschuldiger Ligand verhält und man Iridium zweifelsfrei die Oxidationsstufe +III zuweisen
kann. Mit Komplexen von 68 und leichter reduzierbaren Übergangsmetallen sollte es
hingegen möglich sein, in den Bereich des nicht-unschuldigen Verhaltens vorzudringen und
z.B. Valenz-Tautomerie zu beobachten.
Mit effizienten Synthesewegen zu N,N′-Komplexen einerseits (74 und 75; Abb. 36) und
O,O′-Komplexen andererseits (u.a. 83 und 85; Abb. 37) wurde als nächstes ein heterodinuklearer
Komplex synthetisiert (87; Schema 50). 68 erwies sich als am besten geeigneter
Ligand, da er, wie bereits erwähnt, eine gute Löslichkeit bei moderatem sterischen Anspruch
besitzt und der N,N′-Donor auch in Gegenwart von Lewis-sauren Metallionen beständig ist.
Die Wannenform des Bis(pyrazol-1-yl)methan-PdII-Chelatrings in 87 bringt das Palladium-
Ion in räumliche Nähe zum ortho-Hydrochinonat π-System. In früheren Studien dieser
Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass ein solches Arrangement Elektronenübertragungen
zwischen dem Chinon und dem koordinierten Palladium-Zentrum erlaubt.
Durch die direkte konjugative Wechselwirkung des zweiten Metallzentrums (IrIII) mit der
redoxaktiven Gruppe über die Sauerstoffatome in 87 sollte eine effektive elektronische
Ligand ↔ Metall- und Metall ↔ Metall-Kommunikation möglich sein. Die elektrochemische
Charakterisierung zeigte allerdings, dass im vorliegenden Fall die Potentiale der drei
Komponenten Chinon / PdII / IrIII mit jeweils ca. einem Volt zu weit auseinander liegen.
Schema 50: Synthese eines hetero-dinuklearen IrIII/PdII-Komplexes.
Im letzten Teilgebiet dieser Arbeit wurde die Eignung der ortho-chinoiden Liganden 67
und 70 für den Aufbau höhermolekularer Koordinationsverbindungen und oligonuklearer
Aggregate untersucht.
Zusammenfassung
75
Schema 51: Synthese der oktaedrischen Komplexliganden 89 – 96.
Dafür wurden Komplexliganden synthetisiert, die aus einem Zentralmetall bestehen, das
oktaedrisch von je drei O,O′-koordinierenden Liganden 67 bzw. 70 umgeben ist (Schema 51).
Mit den freien Bis(pyrazol-1-yl)methan-Donorgruppen vermag jeder dieser Komplexliganden
drei weitere Metallzentren zu koordinieren. Derartige Verbindungen könnten aufgrund ihrer
dreidimensionalen Struktur z.B. Anwendung im Aufbau von redoxaktiven metallorganischen
Netzwerken oder elektrisch leitfähigen Koordinationspolymeren finden. Als Zentralmetalle
dienten FeIII- und AlIII-Ionen; erstere, weil sie selbst redoxaktiv sind, und letztere, weil sie
eine im Vergleich zu FeIII ähnliche Koordinationschemie besitzen, aber wegen ihres
Diamagnetismus‘ eine NMR-spektroskopische Charakterisierung ermöglichen. Je nach
verwendeter Base wurden die dreifach anionischen Komplexliganden als Lithium- bzw.
Thallium-Salze isoliert. Die NMR-Spektren von 89, 90, 93 und 94 zeigten jeweils nur einen
Signalsatz, obwohl sich, bedingt durch die Asymmetrie des Liganden und die Chiralität des
oktaedrischen Metallzentrums, fac- und mer-Isomere bilden können. Es konnte nicht
abschließend geklärt werden, ob sich exklusiv das höhersymmetrische fac-Isomer bildet, oder
ob ein Mechanismus aktiv ist, der alle Isomere auf der NMR-Zeitskala schnell ineinander
überführt, sodass die Gegenwart lediglich einer Spezies vorgetäuscht wird. In
elektrochemischen Untersuchungen zeigten die Komplexliganden mehrere irreversible
Oxidationswellen. Ob dieses Verhalten auf eine intramolekulare Kommunikation der
einzelnen redoxaktiven Gruppen zurückzuführen ist, müssen weitergehende Studien zeigen.
Als prinzipieller Beleg für die präparative Anwendbarkeit der Komplexliganden und
Grundlage für die Untersuchung der Koordinationschemie der oktaedrischen
Komplexliganden, wurden PdII-Komplexe von 89 und 93 synthetisiert.
Vertebrate life depends on renal function to filter excess fluid and remove low-molecular-weight waste products. An essential component of the kidney filtration barrier is the slit diaphragm (SD), a specialized cell-cell junction between podocytes. Although the constituents of the SD are largely known, its molecular organization remains elusive. Here, we use super-resolution correlative light and electron microscopy to quantify a linear rate of reduction in albumin concentration across the filtration barrier. Next, we use cryo-electron tomography of vitreous lamellae from high-pressure frozen native glomeruli to analyze the molecular architecture of the SD. The resulting densities resemble a fishnet pattern. Fitting of Nephrin and Neph1, the main constituents of the SD, results in a complex interaction pattern with multiple contact sites between the molecules. Using molecular dynamics flexible fitting, we construct a blueprint of the SD, where we describe all interactions. Our architectural understanding of the SD reconciles previous findings and provides a mechanistic framework for the development of novel therapies to treat kidney dysfunction.
Vertebrate life depends on renal function to filter excess fluid and remove low-molecular-weight waste products. An essential component of the kidney filtration barrier is the slit diaphragm (SD), a specialized cell-cell junction between podocytes. Although the constituents of the SD are largely known, its molecular organization remains elusive. Here, we use super-resolution correlative light and electron microscopy to quantify a linear rate of reduction in albumin concentration across the filtration barrier under no-flow conditions. Next, we use cryo-electron tomography of vitreous lamellae from high-pressure frozen native glomeruli to analyze the molecular architecture of the SD. The resulting densities resemble a fishnet pattern. Fitting of Nephrin and Neph1, the main constituents of the SD, results in a complex interaction pattern with multiple contact sites between the molecules. Using molecular dynamics simulations, we construct a blueprint of the SD that explains its molecular architecture. Our architectural understanding of the SD reconciles previous findings and provides a mechanistic framework for the development of novel therapies to treat kidney dysfunction.
We present the rapid biophysical characterization of six previously reported putative G‐quadruplex‐forming RNAs from the 5′‐untranslated region (5′‐UTR) of silvestrol‐sensitive transcripts for investigation of their secondary structures. By NMR and CD spectroscopic analysis, we found that only a single sequence—[AGG]2[CGG]2C—folds into a single well‐defined G‐quadruplex structure. Sequences with longer poly‐G strands form unspecific aggregates, whereas CGG‐repeat‐containing sequences exhibit a temperature‐dependent equilibrium between a hairpin and a G‐quadruplex structure. The applied experimental strategy is fast and provides robust readout for G‐quadruplex‐forming capacities of RNA oligomers.
Natürliche Enantioselektivität und Isotopendiskriminierung - Schlüssel zur Echtheit ätherischer Öle
(2002)
Als Grundlage für die Beurteilung der Echtheit ätherischer Öle können zwei biochemische Prinzipien Enantioselektivität und Isotopendiskriminierung während der Biosynthese herangezogen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die enantioselektive Kapillargaschromatographie sowie die online-Kopplung der Gaschromatographie mit der Isotopenmas- senspektrometrie zur Authentizitätsbewertung verschiedener ätherischer Öle eingesetzt. Die Bestimmung von Enantiomerenverhältnissen mittels Multidimensionaler Gaschromatographie-Massenspektrometrie (MDGC-MS) sowie von 13C/12C-Isotopenverhältnissen mittels GC-C-IRMS (Gaschromatographie-Combustion- Isotopenmassenspektrometrie) sind etablierte Methoden, die in der Authentizitätsbewertung von Aroma- und Duftstoffen eingesetzt werden. Dagegen ist die Bestimmung von 2H/1H-Isotopenverhältnissen mittels GC-P-IRMS (Gaschromatographie-Pyrolyse-Isotopenmassenspektrometrie) eine relativ neue Methode. In der vorliegenden Arbeit wurden Strategien zur Bestimmung von zuverlässigen 2H/1H-Isotopenverhältnissen mittels GC-P-IRMS entwickelt. Die Kalibrierung des Referenzgases mit Hilfe von internationalen Standards kann nur mittels eines Elemental Analyzers (EA-IRMS) erfolgen, da für die Gaschromatographie geeignete Standards nicht zur Verfügung stehen. Daher ist insbesondere der Vergleich von Isotopenverhältnissen von Standardsubstanzen, die mittels TC/EA-IRMS und GC- P-IRMS bestimmt wurden, von Bedeutung. Es konnte gezeigt werden, dass eine Konditionierung (Einbringen einer Kohlenstoffschicht) des Pyrolysereaktors im GC- P-IRMS-System notwendig ist, um für die untersuchten Aromastoffe mittels GC-P- IRMS zum Elemental Analyzer vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Von zwei verschiedenen getesteten Methoden zur Konditionierung des Pyrolysereaktors war die Konditionierung durch Einleiten von Methan in den Pyrolysereaktor die geeignetere und effektivere Methode. Weiterhin wurden der Einfluss des Trägergasflusses des Gaschromatographen auf die bestimmten Isotopenwerte sowie der lineare Bereich der Methode untersucht. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass die mittels GC-P-IRMS bestimmten Isotopenverhältnisse von verschiedenen Parametern abhängig sind. Richtige Ergebnisse zu erzielen setzt folgende Konditionen voraus: Konditionierung des Pyrolysereaktors, optimaler Trägergasfluss sowie Mindestmenge des Analyten (> 0,3 µg on column). Die neuen Möglichkeiten, die die online-Bestimmung von 2H/1H-Isotopenverhältnissen in der Authentizitätsbewertung von Lavendelölen, Anis- und Fenchelölen sowie Kümmelölen bietet, wurden erstmalig untersucht. Darüber hinaus wurden die enantioselektive Kapillargaschromatographie und die Bestimmung von 13C/12C-Isotopenverhältnissen mittels GC-C-IRMS eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Bereiche der 2HV-SMOW-Werte von Linalool und Linalylacetat aus authentischen Lavendelölen deutlich vom Bereich der Isotopenverhältnisse kommerziell erhältlicher, synthetischer Analoga unterscheiden und somit eine Verfälschung von Lavendelölen mit synthetischem Linalool und/oder Linalylacetat nachweisbar ist. Mit dieser Methode konnten diverse Handelsöle eindeutig als verfälscht beurteilt werden. Über die Bestimmung der Enantiomerenverhältnisse von Linalool und Linalylacetat dieser Öle konnte die Aussage bestätigt werden (hohe Reinheit zugunsten des (R)-Enantiomeren in genuinen Lavendelölen). Anhand der unterschiedlichen 13C/12C-Isotopenverhältnisse ist eine Unterscheidung zwischen synthetischem und Linalylacetat aus Lavendel möglich. Die 13CV-PDB-Werte von synthetischem und natürlichem Linalool aus Lavendelölen liegen im gleichen Bereich und sind somit zur analytischen Differenzierung natürlich/naturidentisch nicht geeignet. Mittels GC-C(P)-IRMS Analyse von trans-Anethol aus Fenchel- und Anisölen wurden die authentischen Bereiche der 13C/12C- und 2H/1H-Isotopenverhältnisse ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass sich einige der synthetischen trans-Anethol- Muster nur aufgrund eines der beiden bestimmten Isotopenverhältnisse von dem authentischen Bereich abgrenzen lassen. Somit konnte gezeigt werden, dass die integrale Betrachtungsweise der 13CV-PDB-Werte und der 2HV-SMOW-Werte biogener Stoffe für die Authentizitätsbewertung von großer Bedeutung ist. Zur Authentizitätsbewertung von Kümmelölen wurden die Enantiomerenverhältnisse, die 13C/12C- und die 2H/1H-Isotopenverhältnisse der Hauptkomponenten Limonen und Carvon bestimmt. Aufgrund der 2HV-SMOW-Werte von Limonen lassen sich keine Unterscheidungen zwischen kommerziell erhältlichen Limonen und Limonen aus Kümmelölen treffen. Dagegen können die 13CV-PDB-Werte von Limonen zur Authentizitätsbewertung von Kümmelölen herangezogen werden. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Bestimmung von 2H/1H- Isotopenverhältnissen mittels GC-P-IRMS neue Möglichkeiten in der Echtheitsbewertung ätherischer Öle bietet. Insbesondere die integrale Betrachtung von 2HV- SMOW- und 13CV-PDB-Werten ( 2H/ 13C-Korrelation) wird eine Authentizitätsbewertung künftig noch wesentlich differenzierter möglich machen. Weitere Perspektiven wird die Bestimmung von 18O/16O-Isotopenverhältnissen bieten. Die Authentizitätsbewertung anhand der Multielement-Analyse mittels GC- IRMS eröffnet gerade für achirale Aromastoffe Perspektiven, stellt aber auch eine Ergänzung zur enantioselektiven Analytik dar.
By adopting a variety of shapes, proteins can perform a wide number of functions in the cell, from being structural elements or enabling communication with the environment to performing complex enzymatic reactions needed to sustain metabolism. The number of proteins in the cell is limited by the number of genes encoding them. However, several mechanisms exist to increase the overall number of protein functions. One of them are post-translational modifications, i.e. covalent attachment of various molecules onto proteins. Ubiquitin was the first protein to be found to modify other proteins, and, faithful to its evocative name, it is involved in nearly all the activities of a cell. Ubiquitylation of proteins was believed for a long time only to be responsible for proteasomal degradation of modified proteins. However, with the discovery of various types of ubiquitylation, such as mono-, multiple- or poly-ubiquitylation, new functions of this post-translational modification emerged. Mono-ubiquitylation has been implicated in endocytosis, chromatin remodelling and DNA repair, while poly-ubiquitylation influences the half-life of proteins or modulates signal transduction pathways. DNA damage repair and tolerance are example of pathways extensively regulated by ubiquitylation. PCNA, a protein involved in nearly all types of DNA transaction, can undergo both mono- and poly-ubiquitylation. These modifications are believed to change the spectrum of proteins that interact with PCNA. Monoubiquitylation of PCNA is induced by stalling of replication forks when replicative polymerases (pols) encounter an obstacle, such as DNA damage or tight DNA-protein complexes. It is believed that monoubiquitylation of PCNA stimulates the exchange between replicative pols to one of polymerases that can synthesize DNA across various lesions, a mechanism of damage tolerance known as translesion synthesis (TLS). Our work has helped to understand why monoubiqutylation of PCNA favours this polymerase switch. We have identified two novel domains with the ability to bind Ub non-covalently. These domains are present in all the members of Y polymerases performing TLS, and were named Ub-binding zinc finger (UBZ) (in polη and polκ) and Ub-binding motif (UBM) (in polι and Rev1). We have shown that these domains enable Y polymerases to preferentially gain access to PCNA upon stalling of replication, when the action of translesion polymerases is required. While the region of direct interaction between Y pols and PCNA had been known (BRCT domain in Rev1 and PIP box motif (PIP) in three others members), we propose that Ub-binding domains (UBDs) in translesion Y pols enhance the PIP- or BRCT-domain-mediated interaction between these polymerases and PCNA by binding to the Ub moiety attached onto PCNA. Following these initial studies, we have also discovered that Y polymerases themselves undergo monoubiquitylation and that their UBDs mediate this modification. This auto-ubiquitylation is believed to lead to an intramolecular interaction between UBD and Ub attached in cis onto the UBD-containing protein. We have mapped monoubiquitylation sites in polη in the C-terminal portion of the protein containing the nuclear localization signal (NLS) and the PIP box. Beside PIP, the NLS motif is also involved in direct interaction of polη with PCNA. Based on these findings, we propose that monoubiquitylation of either NLS or PIP masks them from potential interaction with PCNA. Lastly, using several functional assays, we have demonstrated the importance of all these three motifs in the C-terminus of polη (UBZ, NLS and PIP) for efficient TLS. We have also constructed a mimic of monoubiquitylated polη by genetically fusing polη with Ub. Interestingly, this chimera is deficient in TLS as compared to the wild-type protein. Altogether, these studies demonstrate that the C-terminus of polη constitutes a regulatory module involved in multiple-site interaction with monoubiquitylated PCNA, and that monoubiquitylation of this region inhibits the interaction between polη and PCNA. Our work has also revealed that the UBDs of Y pols as well as of other proteins implicated in DNA damage repair and tolerance, such as the Werner helicase-interacting protein 1 (Wrnip1), are required for their proper sub-nuclear localization. All these proteins localize to discrete focal structures inside the nucleus and mutation of their UBDs results in inability to accumulate in these foci. Interestingly, by exchanging UBDs between different proteins we have learned that each UBD seems to have a distinct functional role, surprisingly not limited to Ubbinding ability. In fact, swapping the UBZ of Wrnip1 with the UBM of polι abolished the localization of Wrnip1 to foci despite preserving the Ub-binding ability of the chimeric protein. In summary, this work provides an overview of how post-translation modification of proteins by Ub can regulate several DNA transactions. Firstly, key regulators (e.g. PCNA) can be differentially modified by Ub. Secondly, specialized UBDs (e.g. UBM, UBZ) embedded only in a subset of proteins act as modules able to recognize these modifications. Thirdly, by means of mediating auto-ubiquitylation, UBDs can modulate the behaviour of host proteins by allowing for either in cis or in trans Ub-UBD interactions.
[4-(3-Bromoacetylpyridinio)-butyl]adenosine pyrophosphate as a structural analog of NAD+ reacts covalently with the sulfhydryl groups of thiopropyl agarose. 10-20 μmol can be bound to 1 ml gel. Stabilization of the insoluble coenzym e is attained by treatment with sodium boro hydride (NaBH4). This complex when applied to column chromatography, allow s the separation of various dehydrogenases as a result of their different complex stability coefficients. Alcohol dehydrogenase from liver, lactate dehydrogenase, and adenylate kinase, which all bind to the ADP-analog residues of the gel matrix, can thus be separated by different salt gradients. Alcohol dehydrogenase from yeast, however, does not form a complex and can easily be eluted from the column with phosphate buffer. Glyceraldehyde-3 phosphate and aldehyde dehydrogenases can be eluted by the addition of NAD+ or NADH to the buffer. The uncharged 1,4-dihydropyridin ring of the reduced coenzyme produces a more stable complex with the dehydrogenases than the oxidized form.
The title compound, C14H11NO4, crystallizes with two molecules in the asymmetric unit. The major conformational difference between these two molecules is the dihedral angle between the aromatic rings, namely 36.99 (5) and 55.04 (5)°. The nitro groups are coplanar with the phenyl rings to which they are attached, the O—N—C—C torsion angles being -1.9 (3) and 1.0 (3)° in the two molecules.
4-Nitrophenyl 1-naphthoate
(2010)
In the title compound, C17H11NO4, the dihedral angle between the two benzene rings is 8.66 (3)°. The nitro group is twisted by 4.51 (9)° out of the plane of the aromatic ring to which it is attached. The presence of intermolecular C—H ... O contacts in the crystal structure leads to the formation of chains along the c axis.
P2X receptors represent the third superfamily of ligand gated ion channels with ATP as their natural ligand. Most of the mammalian P2X receptors are non-selective cation channels, which upon activation, mediate membrane depolarization and have physiological roles ranging from fast excitatory synaptic transmission, modulation of pain-sensation, LTP to apoptosis etc. In spite of them being an attractive drug target, their potential as a drug target is limited by the lack of basic understanding of the structure-function relationship of these receptors. In my thesis, I have investigated the behavior of homomeric P2X receptor subunits with the help of photolabeling and fluorescence techniques coupled to electrophysiological measurements using Xenopus laevis oocytes heterologous expression system. Concurrent photolabeling by BzATP and current recordings from the same set of receptors in real time has revealed that the gating process in homomeric P2X receptors is contributed individually by each subunit in an additive manner. Our study for the first time describes the agonist potency of Alexa-ATP (a fluorescent ATP analog) on P2X1 receptors. The use of Alexa-ATP in our experiments elucidated that receptor subunits are not independent but interacting with each other in a cooperative manner. The type of cooperativity, however, depended on the type and concentrations of allosteric/competing ligands. Based on our results, in my thesis we propose an allosteric model for ligand-receptor interactions in P2X receptors. When simulated, the model could replicate our experimental findings thus, further validating our model. Further, correlation between occupancy of P2X1 receptors (determined using binding curve for Alexa-ATP) with the steady-state desensitization suggests that binding of three agonist molecules per receptor are required to desensitize P2X1 receptors. We further extended the approach of fluorescence with electrophysiological measurement to assign the role for different domains in P2X1 receptors with the help of environmental sensitive, cysteine reactive fluorophore (TMRM). Cysteine rich domain-1 of P2X1 receptors (C117-C165) was found to be involved in structural rearrangements after agonist and antagonist binding. In contrast to the present understanding, that the binding of an antagonist cannot induce desensitization in P2X1 receptors and the receptors need to open first before undergoing desensitization, we propose based on our results that a competitive antagonist can also induce desensitization in P2X1 receptors by bypassing the open state. We have attempted to answer few intriguing questions in the field of P2X receptor research and we think that our answers provide many avenues to the basic understanding of functioning of P2X receptors.
Ziel dieser Arbeit war es, mit den Methoden der NMR-Spektroskopie die elektrostatischen Eigenschaften der Xylanase aus Bacillus agaradhaerens in Abhängigkeit vom pH-Wert zu charakterisieren. Für die vorliegende Arbeit wurde das Strukturgen der Xylanase in verschiedene Expressionsvektoren des pET-Systems kloniert, wobei das Enzym auf 207 Aminosäuren verkürzt wurde. Diese Länge entspricht der publizierten Kristallstrukur von Sabini et al. (1999). Die Expression in pET3a und die Aufreinigung des Genproduktes mit Ionenaustauschchromatographie wurde optimiert, sodass homogenes Protein mit guten Ausbeuten erhalten werden konnte. Die Xylanase wurde mit den Isotopen 15N und 13C markiert und heteronukleare, mehrdimensionale NMR-Spektren wurden für die Zuordnung der Resonanzen des Proteins aufgenommen. Die chemischen Verschiebungswerte des Proteinrückgrats und die der aliphatischen Seitenketten wurden vollständig zugeordnet. Als eine weitere Voraussetzung für eine pH-Titration wurden sequenzspezifisch die Resonanzen der Histidin- bzw. Carboxylatgruppen bestimmt. Die Lösungsstruktur der Xylanase wurde anhand mehrerer automatisierter Prozeduren errechnet, um die Zuordnung der Resonanzen zu validieren. Alle Strukturelemente, die bereits aus der Kristallstruktur bekannt sind, wurden korrekt wiedergegeben. Da die Lösungsstruktur mit einem backbone RMSD-Wert von 2.44 ± 0.29 Å hoch 2 als vorläufig zu betrachten war, wurde im Folgenden ausschließlich die Kristallstruktur zur Bewertung der Distanzbeziehungen verwendet. In Abwesenheit des Substrats wurden die pH-abhängigen Resonanzen der Histidin- und Carboxylatgruppen sowie der Amide des Proteinrückgrats gemessen. Die Auswertung ergab 220 Titrationsprofile der 15N- and 13C-Resonanzen in einem pH-Bereich von 3.2 bis 8.7. Durch nichtlineare Regression der gemessenen Werte an eine modifizierte Henderson-Hasselbalch Gleichung wurden die pK S-Werte der Seitenketten von Aspartat und Glutamat, sowie für das C-terminale Carboxylat und für die Histidingruppen bestimmt. Die Titrationskurven der katalytischen Dyade zeigten eine ausgeprägte gegenseitige Wechselwirkung. Die korrespondierenden pK S-Werte stimmen gut mit dem vorhergesagten enzymatischen Mechanismus überein (Sabini et al., 1999) und belegen, dass das Nukleophil Glu94 bei einem neutralem pH-Wert deprotoniert ist, während die Bronsted Säure/Base GIu184 zu ca. 30% protoniert ist. Um die Untersuchungen zur katalytischen Aktivität zu vervollständigen, wurden alle pH-abhängigen [15N]-Resonanzen der Amide des Proteinrückgrats wie auch die der lndolstickstoffe in der Substratbindungsspalte analysiert. Die Wendepunkte konnten dem Titrationsverhalten der benachbarten sauren Aminosäure-Seitenketten zugeordnet werden. Aber es erscheint sehr wahrscheinlich, dass ein wesentlich komplexerer Ablauf stattfindet. Die asymmetrische Wechselwirkung von Trptophan-Seitenketten bezüglich der katalytischen Dyade wie auch das wechselnde Monotonieverhalten der Titrationskurven deuten auf eine simultane Reorganisation der Seitenkettenkonformere bei pH ungefähr gleich 6 und/oder auf eine Änderung des Wasserstoffbrückennetzwerkes innerhalb der Bindungsspalte.
Levels of the purine nucleoside triphosphates are de creasing towards the end of log phase growth of Streptomyces hydrogenans. Induction of 20β-hydroxysteroid dehy-drogenase by addition of 11β,21-dihydroxy-4,17 (20) -pregna-dien-3-one to the growth medium leads to a pronounced drop in purine nucleoside triphosphate levels with is irreversible in contrast to the initial loss and later accumulation of RNA.
This thesis deals with the NMR characterization of the structure and the folding dynamics of DNA G quadruplexes as potential therapeutic target in cancer therapy and building block for DNA based nanotechnology.
The first part of this thesis (Chapters 1-5) introduces the reader to the world of G quadruplexes.
The main features of the classic Watson Crick double helix and alternative non B DNA structures are illustrated in Chapter 1. Many different base pairing schemes are possible, besides the canonical Watson Crick motif, thereby expanding the structural complexity of DNA. Non canonical base pairing, such as Hoogsteen hydrogen bonding, enables the assembly of triplets and quartets, which are the building blocks of triplex and quadruplex structures, respectively.
The structural characteristics of DNA G quadruplexes are delineated in detail in Chapter 2.
G quadruplex structures are extremely polymorphic, in terms of strands orientation, loops geometry, grooves width and arrangement of the glycosidic torsion angles. The various structural elements as well as the different cation coordination geometries are here presented, with a special emphasis on the diversity of conformations reported for the telomeric DNA G quadruplexes.
Chapter 3 describes the biological roles of G quadruplex structures in the genome. After introducing the architecture of the telomeric DNA and its interacting proteins, the mechanism of the telomeres elongation catalysed by the telomerase enzyme and its implications for cancer are discussed. The occurrence of G quadruplex structures in functional regions of the genome, such as promoter regions of oncogenes, and their possible roles in regulating the gene transcription are then outlined in the second part of the chapter.
The potential of G quadruplex as a novel anti cancer target is examined in Chapter 4 and the proposed anti cancer mechanisms for a ligand stabilizing G quadruplex structures are discussed.
RNA G quadruplexes and their putative role in gene regulation at the level of translation are briefly illustrated at the end of the chapter.
A general overview on the NMR methods to investigate the G quadruplex structures is presented in Chapter 5. The experimental set up used for the real time NMR studies of the G quadruplex folding is also described.
The second part of the thesis (Chapters 6-8), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped in three Chapters according to the topic.
The state of the art on small molecules targeting G quadruplex structures is given at the beginning of Chapter 6, including a summary of the experimental structures of G quadruplexes in complex with ligands available up to date. The publications presented in Chapters 6.1-6.3 are concerned with the elucidation of the interaction modes between DNA G quadruplexes and selected ligands with potential therapeutic applications.
The binding ability of two natural alkaloids (berberine and sanguinarine) to telomeric G quadruplexes is examined in Chapter 6.1. The ability of carbazole and diguanosine derivatives (synthetized in the group of Prof. Dash, IISER, Kolkata) to interact with c-MYC G quadruplex and down regulate c-MYC expression is explored in Chapter 6.2 and Chapter 6.3, respectively.
The energy landscape of human telomeric G quadruplex structures is discussed in Chapter 7, in light of the experimental kinetic studies as well as molecular dynamics simulations reported in literature until now. Up to date there is no general consensus regarding the folding pathway of unimolecular human telomeric G quadruplex, in particular due to the lack of atomic resolution data on the species involved in the folding. Chapter 7.1 presents the first real time NMR study of the human telomeric G quadruplex folding kinetics.
The final chapter of this thesis (Chapter 8) outlines the potential of G-quadruplex structures as building blocks in nanotechnology. After illustrating briefly the additional possibilities offered by alternative non B DNA structures to programme nanomaterials, a number of applications employing G quadruplex structures in different fields of nanotechnology are described. The article presented in Chapter 8.1 investigates the structural and photoswitching properties of a novel intermolecular azobenzene containing G quadruplex synthetized in the group of Prof. Heckel (Goethe University, Frankfurt).
A simple and sustainable one-step strategy for the preparation of electron-deficient aryl trifluoromethyl ethers (ArOCF3) from the corresponding phenols by electrochemical synthesis is presented. Anodic oxidation of trifluoromethane sulfinate (Langlois reagent) leads to direct O-trifluoromethylation of phenol-derivatives bearing fluorine, chlorine, bromine and nitrile substituents under mild conditions in yields up to 75% and in gram-scale. This electrochemical protocol provides an economic and green synthesis for an otherwise inaccessible class of molecules without the need for expensive or toxic reagents, oxidants or metal catalysts.
A sustainable strategy for O-trifluoromethylation of electron-deficient phenols by combining electrochemical synthesis with flow technology is presented. The reaction is optimized by screening experiments to establish a fast and efficient flow protocol. Simultaneous anodic oxidation of Langlois reagent and the phenols in a micro flow cell leads to direct preparation of trifluoromethyl ethers in yields up to 90%. This one-step protocol is tolerant of several functional groups, shows good regioselectivity and works without any chemical oxidants and catalysts by using electrical current as an inexpensive and sustainable reagent.
In optogenetics, rhodopsins were established as light-driven tools to manipulate neuronal activity. However, during long-term photostimulation using channelrhodopsin (ChR), desensitization can reduce effects. Furthermore, requirement for continuous presence of the chromophore all-trans retinal (ATR) in model systems lacking sufficient endogenous concentrations limits its applicability. We tested known, and engineered and characterized new variants of de- and hyperpolarizing rhodopsins in Caenorhabditis elegans. ChR2 variants combined previously described point mutations that may synergize to enable prolonged stimulation. Following brief light pulses ChR2(C128S;H134R) induced muscle activation for minutes or even for hours (‘Quint’: ChR2(C128S;L132C;H134R;D156A;T159C)), thus featuring longer open state lifetime than previously described variants. Furthermore, stability after ATR removal was increased compared to the step-function opsin ChR2(C128S). The double mutants C128S;H134R and H134R;D156C enabled increased effects during repetitive stimulation. We also tested new hyperpolarizers (ACR1, ACR2, ACR1(C102A), ZipACR). Particularly ACR1 and ACR2 showed strong effects in behavioral assays and very large currents with fast kinetics. In sum, we introduce highly light-sensitive optogenetic tools, bypassing previous shortcomings, and thus constituting new tools that feature high effectiveness and fast kinetics, allowing better repetitive stimulation or investigating prolonged neuronal activity states in C. elegans and, possibly, other systems.
All-optical closed-loop voltage clamp for precise control of muscles and neurons in live animals
(2023)
Excitable cells can be stimulated or inhibited by optogenetics. Since optogenetic actuation regimes are often static, neurons and circuits can quickly adapt, allowing perturbation, but not true control. Hence, we established an optogenetic voltage-clamp (OVC). The voltage-indicator QuasAr2 provides information for fast, closed-loop optical feedback to the bidirectional optogenetic actuator BiPOLES. Voltage-dependent fluorescence is held within tight margins, thus clamping the cell to distinct potentials. We established the OVC in muscles and neurons of Caenorhabditis elegans, and transferred it to rat hippocampal neurons in slice culture. Fluorescence signals were calibrated to electrically measured potentials, and wavelengths to currents, enabling to determine optical I/V-relationships. The OVC reports on homeostatically altered cellular physiology in mutants and on Ca2+-channel properties, and can dynamically clamp spiking in C. elegans. Combining non-invasive imaging with control capabilities of electrophysiology, the OVC facilitates high-throughput, contact-less electrophysiology in individual cells and paves the way for true optogenetic control in behaving animals.
This dissertation constitutes a series of successive research papers, starting with the characterization of various optogenetic tools up to the establishment of purely optical electrophysiology in living animals.
Optogenetics has revolutionized neurobiology as it allows stimulation of excitable cells with exceptionally high spatiotemporal resolution. To cope with the increasing complexity of research issues and accompanying demands on experimental design, the broadening of the optogenetic toolbox is indispensable. Therefore, one goal was to establish a wide variety of novel rhodopsin-based actuators and characterize them, among others, with respect to their spectral properties, kinetics, and efficacy using behavioral experiments in Caenorhabditis elegans. During these studies, the applicability of highly potent de- and hyperpolarizers with adapted spectral properties, altered ion specificity, strongly slowed off-kinetics, and inverted functionality was successfully demonstrated. Inhibitory anion channelrhodopsins (ACRs) stood out, filling the gap of long-sought equivalent hyperpolarizing tools, and could be convincingly applied in a tandem configuration combined with the red-shifted depolarizer Chrimson for bidirectional stimulation (Bidirectional Pair of Opsins for Light-induced Excitation and Silencing, BiPOLES). A parallel study aimed to compare various rhodopsin-based genetically encoded voltage indicators (GEVIs) in the worm: In addition to electrochromic FRET-based GEVIs that use lower excitation intensity, QuasAr2 was particularly convincing in terms of voltage sensitivity and photostability in C. elegans. However, classical optogenetic approaches are quite static and only allow perturbation of neural activity. Therefore, QuasAr2 and BiPOLES were combined in a closed-loop feedback control system to implement the first proof-of-concept all-optical voltage clamp to date, termed the optogenetic voltage clamp (OVC). Here, an I-controller generates feedback of light wavelengths to bidirectionally stimulate BiPOLES and keep QuasAr’s fluorescence at a desired level. The OVC was established in body wall muscles and various types of neurons in C. elegans and transferred to rat hippocampal slice culture. In the worm, it allowed to assess altered cellular physiology of mutants and Ca2+-channel characteristics as well as dynamical clamping of distinct action potentials and associated behavior.
Ultimately, the optogenetic actuators and sensors implemented in the course of this cumulative work enabled to synergistically combine the advantages of imaging- and electrode-based techniques, thus providing the basis for noninvasive, optical electrophysiology in behaving animals.
The crystal packing of the title compound, C13H19NO·0.33C7H8, shows a channel at [001], which contains grossly disordered toluene solvent molecules. The angle between the benzene ring and the mean plane of the formamide group is 71.1 (1)°. The amide groups of neighbouring molecules are connected by N—H(...)O hydrogen bonds, forming 21 helical chains propagating along [001]. Molecules are also connected by weak intermolecular C—H(...)O hydrogen bonds, forming 61 helices.
In the title compound, C27H37N2 +·Br−·2CH2Cl2, both the cation and the anion are located on a crystallographic mirror plane. Both of the dichloromethane solvent molecules show a disorder across a mirror plane over two equally occupied positions. In the crystal, the cations are connnected to the bromide ions via C—H[cdots, three dots, centered]Br hydrogen bonds.
In the title compound, C27H37N2 +·Cl−·2CH2Cl2, the cation and the anion are each located on a crystallographic mirror plane. Both of the dichloromethane solvent molecules show a disorder across a mirror plane over two equally occupied positions. Additionally, one isopropyl group is also disordered. In the crystal, the cations are connected to the chloride ions via C—H[cdots, three dots, centered]Cl hydrogen bonds.
The title solvated salt, C29H41N2+·Br-·2CH2Cl2 was obtained from the reaction of the Arduengo-type carbene 1,3-bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,3-dihydro-4,5-dimethyl-2H-imidazol-2-ylidene with Si2Br6 in dichloromethane. The complete cation is generated by a crystallographic mirror plane and the dihedral angle between the five-membered ring and the benzene ring is 89.8 (6)°; the dihedral angle between the benzene rings is 40.7 (2)°. The anion also lies on the mirror plane and both dichloromethane molecules are disordered across the mirror plane over two equally occupied orientations. In the crystal, the cations are linked to the anions via C-H...Br hydrogen bonds.
Die Übergangsmetalle Vanadium und Niob wurden in einer neuartigen Thermowaage bzw. mit dem Rapid Thermal Processing (RTP) unter Verwendung von Ammoniak und Stickstoff als Prozessgas nitridiert. In der Thermowaage, die die in situ Aufzeichnung von Massenänderungen während der Reaktion möglich macht, wurde die Nitridierung hauptsächlich an pulverförmigen Proben durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass sowohl Temperatur- und Druckerhöhung, als auch eine Verlängerung der Temperzeit zu größeren Massenzunahmen führten. Die Bildung der unterschiedlichen Nitridphasen war aber allein von der Temperatur während des Versuches und dem verwendeten Prozessgas abhängig. Die detektierten Massenzunahmen bei der Erhöhung von Temperzeit und Druck wurden nur von der vermehrten Einlagerung von Stickstoff bzw. Sauerstoff in das Metall verursacht, die keine neue Phasenbildung zur Folge hatte. Sauerstoff wurde in allen getemperten Proben gefunden, was die Untersuchung von dünnen Schichten in der Thermowaage verhinderte, da aufgrund des erhöhten Sauerstoffgehaltes die Schichten vollständig oxidierten. Der Sauerstoff wurde hauptsächlich von dem Glasreaktor geliefert. Ein dort abgelagerter Belag, der sich durch Korrosion der Edelstahlgasleitung gebildet hatte, wirkte vermutlich katalytisch. Aus diesem Grund war die Thermowaage in dieser Konfiguration nicht für Nitridierungsversuche geeignet und konnte ihren eigentlichen Zweck, die genaue Untersuchung des Reaktionsmechanismus mit Hilfe der Massenänderung und der anschließenden massenspektrometrischen Untersuchung des Prozessgases nach der Reaktion, nicht erfüllen. 200 nm und 500 nm Vanadium- und Niob-Schichten wurden im RTP nitridiert. Auch hier konnte man eine Bildung von Oxiden bzw. Oxynitriden beobachten, diese bildeten sich aber durch die Ausdiffusion von Sauerstoff aus dem Substrat in die Metallschicht, was anhand von SNMS- und TEM/EFTEM/EELS-Untersuchungen eindeutig belegt werden konnte. Um dieses Phänomen zu untersuchen wurden Schichten auch auf Saphir-Substrat, welches gegenüber der Ausdiffusion von Sauerstoff inert sein sollte, aufgebracht. Für die beiden verwendeten Metalle wurden unterschiedliche Ergebnisse gefunden. Während bei den Vanadium-Schichten nur aus dem SiO2-Substrat Sauerstoff ausdiffundierte, wurde dies bei den Niob-Schichten bei beiden Substraten festgestellt. Die Temperatur während der Versuche (V: 600 und 700°C; Nb: 800°C) scheint also auch einen Einfluss auf die Ausdiffusion von Sauerstoff zu haben. Dabei zeigt Saphir eine etwas größere Temperatur-Stabilität als SiO2. Ein Einfluss des Prozessgases auf die Reaktion an der Grenzfläche Metall/Substrat konnte nicht nachgewiesen werden. Zwar kam es bei der Verwendung von Wasserstoff zur Bildung von mehr und sauerstoffreicheren Phasen, was dafür spricht, dass die Substrate stärker angegriffen werden, aber auch beim Einsatz von Inert-Gas (N2) wurde eine Ausdiffusion von Sauerstoff aus den Substraten beobachtet. Allerdings wirkte sich die Schichtdicke der Probe auf die Ausdiffusion von Sauerstoff und die Bildung der Oxid-Phase aus. Da von der Oberfläche der Schicht eindiffundierender Stickstoff die Diffusion von Sauerstoff behindert, kann Sauerstoff mit zunehmender Schichtdicke weiter in das Metall vordringen. Bei dünneren Schichten wird er eher aufgestaut und es bilden sich Oxide mit höherem Sauerstoffgehalt. Ein Einfluss der unterschiedlichen Herstellungsverfahren (Elektronenstrahlverdampfung / Magnetronsputtern) für die Ausgangsschichten auf die Ausdiffusion von Sauerstoff aus dem Substrat konnte, trotz der größeren Kristallinität der gesputterten Proben, nicht nachgewiesen werden.
Der Malaria verursachende Organismus Plasmodium falciparum (P. falciparum) besitzt in seinem Kerngenom für die Mitochondrien bestimmte Proteine, die als Transportsignal ein mitochondriales Transitpeptid enthalten. Durch die kürzlich erfolgte Sequenzierung des Genoms von P. falciparum ist es wünschenswert, Vohersagealgorithmen für verschiedene Proteinlokalisationen zur Verfügung zu haben. Für andere Organismen etablierte Programme zur Vorhersage von mitochondrialen Transitpeptiden, MitoProtII und TargetP, lieferten bei Anwendung auf Sequenzen aus P. falciparum nur unbefriedigende Ergebnisse. MitoProtII erzielte in einer 20-fachen Kreuzvalidierung einen Mathews-Koeffizienten von cc = 0,49, TargetP erzielte in diesem Fall einen Mathews-Koeffizienten von cc = 0,60. TargetP erzielte für die Sequenzen aus P. falciparum nur eine Selektivität von 47%, MitoProtII nur eine Sensitivität von 35%. Dieser Ergebnisse haben die Entwicklung eines speziell auf P. falciparum trainierten Vorhersagemodells wünschenswert gemacht. Kerncodierte mitochondriale Precursorproteine aus P. falciparum wurden mit statistischen Methoden, Hauptkomponentenanalyse, selbstorganisierenden Karten und überwachten neuronalen Netzen analysiert und mit solchen aus anderen Organismen verglichen. Zwei Repräsentationen der Datensätze wurden gewählt, Aminosäurehäufigkeiten und 19 physikochemische Eigenschaften. Ein grundsätzlich unterschiedlicher Aminosäuregebrauch konnte festgestellt werden. Glycin, Alanin, Prolin und Arginin werden in P. falciparum mit weniger als 60% der Häufigkeit in der Swiss-Prot-Datenbank, Version 36, verwendet. Isoleucin, Tyrosin, Asparagin und Lysin werden hingegen mit mehr als 150% der Häufigkeit in der Referenzdatenbank verwendet. Diese Häufigkeitsmuster wurden, mit Variationen, auch in allen Targetingsequenzen beobachtet. In der Datenanalyse mittels Hauptkomponentenanalyse und selbstorganisierenden Karten ließen sich cytoplasmatische Proteine in beiden Repräsentationen klar von der Gruppe mitochondrialer, extrazellulärer und apicoplastischer Proteine trennen. Die Trennung innerhalb der zweiten Gruppe war weniger deutlich. Ein neuronales Netz (PlasMit) zur Vorhersage mitochondrialer Transitpeptide in P. falciparum wurde entwickelt. Basierend auf der relativen Aminosäurehäufigkeitsverteilung innerhalb der ersten 24 N-terminalen Aminosäuren lieferte es einen Mathews- Korrelationskoeffizienten von 0,74 (86% korrekt vorhergesagte Sequenzen) in einer 20fachen Kreuzvalidierung. Dieses Netz sagte 2449 (24%) der 10276 vorhergesagten Open Reading Frames aus dem Genom von P. falciparum als mögliche mitochondrial lokalisierte Proteine voraus. Ein Netz mit identischer Topologie wurde auf eine geringere Anzahl falsch-positiver Vorhersagen trainiert und erzielte einen Mathews-Koeffizienten von 0,51 (84% korrekte Vorhersagen) in einer 10fachen Kreuzvalidierung. Dieses Netz sagte 903 (8,8%) potentielle mitochondriale Precursorproteine unter den 10276 vorhergesagten Open Reading Frames voraus. Sämtliche Trainingsdatensätze, die Open Reading Frames des Genoms von P. falciparum, sowie das Netz, das den höchsten Mathews-Koeffizienten erzielt hat, sind per Web unter http://www.modlab.de, Menüpunkt PlasMit, erreichbar.
Die vorliegende Arbeit ist das Extrakt umfangreicher Untersuchungen an ausgewählten organischen und metallorganischen Verbindungen im Hinblick auf ihre Polymorphie. Nicht nur die praktischen Arbeiten, wie Synthesen, Polymorphie-Screenings (nach eigens entwickeltem Vorgehen), die chemisch-physikalischen Charakterisierungen neuer polymorpher Formen, sondern auch die Kristallstrukturbestimmungen aus Röntgenbeugungsdaten wurden durchgeführt. Im Fokus der Untersuchungen standen Pigmentvorprodukte, Pigmente, pharmazeutische Wirkstoffe und weitere organische und metallorganische Verbindungen.
Ein Auszug zu Pigmentvorprodukten bilden 2-Ammoniobenzolsulfonate, welche klassische Vorprodukte verlackter Hydrazonpigmente sind. Die bislang unbekannte tautomere Form und Kristallstruktur der CLT-Säure als Zwitterion konnte erfolgreich aus dem Zusammenspiel von IR-, Festkörper-NMR-Spektroskopie und Röntgen-Pulverdiffraktometrie ermittelt werden [1]. Mit Hilfe eines Polymorphie-Screenings konnten nicht nur zwei neue Pseudopolymorphe, sondern auch das Ansolvat der CLT-Säure selbst kristallisiert und ihre Strukturen aus Röntgen-Einkristalldaten bestimmt werden. Hierbei konnte das, aufgrund der Strukturbestimmung aus Röntgen-Pulverdaten proklamierten Tautomer der CLT-Säure verifiziert werden [2]. Mit Hilfe thermischer und röntgenographischer Untersuchungen an drei Derivaten der CLT-Säure, konnte der Einfluss des Substitutionsmusters (Chlor- und Methylsubstituenten) auf die Kristallpackung aufgezeigt werden [3]. Mit Hilfe eines Polymorphie-Screenings an der Iso-CLT-Säure konnten Reaktionen der zum Polymorphie-Screening eingesetzten Lösungsmittel und der Iso-CLT-Säure beobachtet und mittels thermischer und röntgenographischer Ergebnisse aufgeklärt werden. In zwei Fällen konnte eine Deprotonierung und im dritten Fall eine Desulfonierung beobachtet werden. Durch Erwärmen der deprotonierten und desulfonierten Verbindung(en) ist die Rückgewinnung der Iso-CLT-Säure möglich [4]. Ein Polymorphie-Screening an Pigment Red 53 lieferte vierundzwanzig neue Phasen, welche identifiziert und charakterisiert werden konnten. Ferner konnten von neun Phasen die Kristallstrukturen bestimmt werden (acht aus Röntgen-Einkristall- und eine aus Röntgen-Pulverdaten). Mit Hilfe dieser konnte ein Teil der Funktionalisierung von Lösungsmittelmolekülen in Pigment Red 53 aufgedeckt werden. Diverse Beziehungen pseudopolymorpher Formen zueinander konnten auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse bestimmt werden [5]. Mit Hilfe der Ergebnisse aus den Untersuchungen zu Pigment Red 53 konnte mittels Modifizierung der bekannten Syntheseroute zu Pigment Red 53:2 die bekannte α-Phase erhalten werden. Weiterhin konnten neben zehn bekannten weitere fünfzehn neue Polymorphe identifiziert und weitestgehend charakterisiert werden. Die Kristallstrukturen von fünf bekannten und zwei neuen Phasen (sechs aus Röntgen-Einkristall- und eine aus Röntgen-Pulverdaten [6]) konnten bestimmt werden. Anhand der Ergebnisse aus den chemisch-physikalischen Charakterisierungen konnten Einzelbeziehungen zwischen den Phasen beobachtet werden. Die eigene Synthese von Pigment Red 57:1 resultierte in der bereits bekannten α-Phase. Ein Polymorphie-Screening an der α-Phase lieferte neben der bereits bekannten β-Phase elf neue Modifikationen. Schließlich konnte mit Hilfe der gesammelten Daten zur α-, β- und γ-Phase ein Zusammenhang zwischen De-/Rehydratation und dem damit einhergehenden Farbwechsel hergestellt und nachgewiesen werden [7]. Die bislang unbekannte Protonierung und Kristallstruktur von Nimustin-Hydrochlorid konnten erfolg-reich aus der Symbiose von Festkörper-NMR und Röntgen-Pulverdiffraktometrie des Handelsproduktes ermittelt werden [8]. Ebenso konnte die bislang unbekannte Kristallstruktur von 5′-Deoxy-5-fluorouridin konnte erfolgreich aus Röntgen-Pulverdaten des Handelsproduktes bestimmt werden [9]. Nach einem umfangreichen Polymorphie-Screening gelang es, Einkristalle von Tizanidin-Hydrochlorid zu erhalten und dessen Struktur aus Röntgen-Einkristalldaten zu bestimmen. Die bislang angenommene Tautomerie von Tizanidin im Festkörper und flüssiger Phase konnte mittels Röntgen-Einkristalldiffraktometrie und 1H-NMR korrigiert werden [10]. Während thermischer Untersuchungen wurden zwei bisher nicht beschriebene Polymorphe (ein Hochtemperatur- und ein Raumtemperaturpolymorph) gefunden. Schließlich konnte die Kristall-struktur des zweiten bei Raumtemperatur stabilen Polymorphs aus Röntgen-Pulverdaten bestimmt werden.
Es konnte die Kristallstruktur von 4,5,9,10-Tetramethoxypyren [11], eines neuen 2:1 Co-Kristalls aus Chinolin und Fumarsäure [12] und einer biradikalen Azoverbindung [13] aus Röntgen-Pulverdaten bestimmt werden. Neben diesen Verbindungen konnten aus analytischen und röntgenographischen Untersuchungen an ausgewählten Stereoisomeren von Inositol dreizehn neue Phasen erhalten werden. Zudem konnten mehrere Schmelzpunkte mittels DSC-Messungen korrigiert oder als Phasenübergänge oder Zersetzungs-punkte identifiziert werden. Acht Strukturen geordneter Phasen konnten aus Röntgen-Pulverdaten bestimmt werden. Zusätzlich konnten fünf der dreizehn Phasen als Rotatorphasen identifiziert und deren Elementarzelle ermittelt werden [14]. Auf Basis einer neuen Syntheseroute konnten ein Cobalt(II)- und ein Zink(II)-fumarat-Anhydrat, welche im Vergleich zu den bisher bekannten Hydraten besser wasser-löslich sind, erhalten werden. Diese Anhydrate konnten zur Kristallisation eingesetzt werden und lieferten alle bisher bekannten und zusätzlich drei neue Kristallphasen (zwei neue Cobalt(II)-fumarat-Hydrate und ein neues Zink(II)-fumarat-Hydrat). Die Kristallstrukturen der drei neuen Kristallphasen konnten aus Röntgen-Einkristalldaten bestimmt werden [15 und 16].
[1] S. L. Bekö, S. D. Thoms, J. Brüning, E. Alig, J. van de Streek, A. Lakatos, C. Glaubitz & M. U. Schmidt (2010), Z. Kristallogr. 225, 382–387; [2] S. L. Bekö, J. W. Bats & M. U. Schmidt (2012), Acta Cryst. C 68, o45–o50; [3] S. L. Bekö, C. Czech, M. A. Neumann & M. U. Schmidt. "Doubly substituted 2-ammonio-benzenesulfonates: Substituent influence on the packing pattern", eingereicht; [4] S. L. Bekö, J. W. Bats, E. Alig & M. U. Schmidt (2013), J. Chem. Cryst. 43, 655–663; [5] S. L. Bekö, E. Alig, J. W. Bats, M. Bolte & M. U. Schmidt. "Polymorphism of C.I. Pigment Red 53", eingereicht; [6] T. Gorelik, M. U. Schmidt, J. Brüning, S. Bekö & U. Kolb (2009), Cryst. Growth Des. 9, 3898–3903; [7] S. L. Bekö, S. M. Hammer & M. U. Schmidt (2012), Angew. Chem. Int. Ed. 51, 4735–4738 und Angew. Chem. 124, 4814–4818; [8] S. L. Bekö, D. Urmann, A. Lakatos, C. Glaubitz & M. U. Schmidt (2012), Acta Cryst. C 68, o144–o148; [9] S. L. Bekö, D. Urmann & M. U. Schmidt (2012), J. Chem. Cryst. 42, 933–940; [10] S. L. Bekö, S. D. Thoms, M. U. Schmidt & M. Bolte (2012), Acta Cryst. C 68, o28–o32; [11] M. Rudloff, S. L. Bekö, D. Chercka, R. Sachser, M. U. Schmidt, K. Müllen & M. Huth. "Structural and electronic properties oft he organic charge transfer system 4,5,9,10-tetramethoxypyrene - 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane", eingereicht; [12] S. L. Bekö, M. U. Schmidt & A. D. Bond (2012), CrystEngComm 14, 1967–1971; [13] S. L. Bekö, S. D. Thoms & M. U. Schmidt (2013), Acta Cryst. C 43, 1513–1515; [14] S. L. Bekö, E. Alig, M. U. Schmidt & J. van de Streek (2014), IUCrJ 1, 61–73; [15] S. L. Bekö, J. W. Bats & M. U. Schmidt (2009), Acta Cryst. C 65, m347–m351; [16] S. L. Bekö, J. W. Bats & M. U. Schmidt. "One-dimensional zinc(II) fumarate coordination polymers", akzeptiert.
Inositol, 1,2,3,4,5,6-hexahydroxycyclohexane, exists in nine stereoisomers with different crystal structures and melting points. In a previous paper on the relationship between the melting points of the inositols and the hydrogen-bonding patterns in their crystal structures [Simperler et al. (2006[Simperler, A., Watt, S. W., Bonnet, P. A., Jones, W. & Motherwell, W. D. S. (2006). CrystEngComm, 8, 589-600.]). CrystEngComm 8, 589], it was noted that although all inositol crystal structures known at that time contained 12 hydrogen bonds per molecule, their melting points span a large range of about 170 °C. Our preliminary investigations suggested that the highest melting point must be corrected for the effect of molecular symmetry, and that the three lowest melting points may need to be revised. This prompted a full investigation, with additional experiments on six of the nine inositols. Thirteen new phases were discovered; for all of these their crystal structures were examined. The crystal structures of eight ordered phases could be determined, of which seven were obtained from laboratory X-ray powder diffraction data. Five additional phases turned out to be rotator phases and only their unit cells could be determined. Two previously unknown melting points were measured, as well as most enthalpies of melting. Several previously reported melting points were shown to be solid-to-solid phase transitions or decomposition points. Our experiments have revealed a complex picture of phases, rotator phases and phase transitions, in which a simple correlation between melting points and hydrogen-bonding patterns is not feasible.
Entwicklung neuer Multikomponentenreaktionen zur Synthese von Amin- und α-Aminosäurederivaten
(2016)
Die Entwicklung neuer Synthesemethoden ist von enormer Bedeutung hinsichtlich der Darstellung von neuen Verbindungen mit speziellen, anwendungsorientierten Eigenschaften und in Bezug auf die Suche nach ökologisch verträglicheren und effizienteren Herstellungsmethoden. Multikomponentenreaktionen (MCRs) bieten hierbei eine gute Ansatzmöglichkeit. Gegenüber den klassischen, linear verlaufenden 2-Stufen-Reaktionen weisen MCRs eine hohe Atom-Ökonomie und effiziente Bindungsbildung auf, können zur Minimierung von Zeit-, Energie-, Material- und Kostenaufwand sowie zur geringeren Generierung von Abfallmengen beitragen und ermöglichen einen schnellen Aufbau diverser Molekülstrukturen. Vor diesem Hintergrund gelang im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Entwicklung mehrerer 3-Komponentenreaktionen basierend auf der nukleophilen Addition von Arylboronsäuren an in situ gebildete N-Acyl- bzw. N-Sulfonylimine, womit die Synthese von diversen alpha-substituierten Amiden, chiralen, alpha-substituierten Sulfonamiden, chiralen alpha-Arylglycinen sowie von Arylmethylsulfonamiden erfolgte. Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Umsetzung hinsichtlich der Methode mit Amiden war die Verwendung eines dualen Katalysatorsystems aus Lewis-Säure und Pd(II) sowie die Anwesenheit von Wasser. Die enantioselektiven Varianten konnten mittels Sulfonamide anstelle der Amide sowie unter Einsatz von Pd(II) und einem chiralen Oxazolin-Liganden erreicht werden. Die neuen Methoden sind einfach in der Durchführung, weisen einen breiten Substrat-bereich auf und im Falle der asymmetrischen Varianten hohe Enantioselektivitäten.
Allerdings besitzt die Reaktionsführung über Organoboronsäuren zwei entscheidende Nachteile: Zum einen bedarf es der Verwendung vorfunktionalisierter Boronsäuren und zum anderen werden stöchiometrische Mengen borhaltiger Abfälle erzeugt. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Prozesse untersucht, bei denen hinsichtlich der Atom-Ökonomie keine unnötig vorfunktionalisierten Startmaterialien eingesetzt werden und bei denen keine oder nur ökologisch vollkommen unbedenkliche Nebenprodukte entstehen. Ein erster Ansatz in diese Richtung gelang dabei mit der Entwicklung einer neuen 3-Komponentenreaktion basierend auf einer Brønsted-Säurekatalysierten, benzylischen C–H-Bindungsfunktionalisierung von 2-Alkylazaarenen.
Der Ein-Elektron Transporter Adrenodoxin spielt in der Steroidhormonbiosynthese eine entscheidende Rolle. Bislang konnte der Elektronentransportmechanismus zwischen der Adrenodoxin-Reduktase und dem Cytochrom P450 mittels Adrenodoxin nicht eindeutig nachgewiesen werden. Um die molekularen Wechselwirkungen besser verstehen zu können wurden in der vorliegenden Arbeit strukturelle Untersuchungen am Rinderadrenodoxin durchgeführt. Nachdem es bereits 1998 gelang die Struktur des oxidierten Zustands des Adrenodoxins aufzuklären [Müller et al. 1998], sollte die Struktur des reduzierten Zustands Aufschluss über mögliche redoxbedingte konformationelle Änderungen geben. Die Strukturaufklärung mittels NMR erfordert hohe Expressionsausbeuten und effektive Aufreinigungsstrategien des rekombinant hergestellten Proteins. Deshalb wurde zunächst eine Steigerung der Expression von löslichem Adrenodoxin in E.coli angestrebt. In Minimalmedium lieferte die Expression unter Zusatz von 2,5g Glycerin und 1g Glucose optimale Ergebnisse. So konnte nach Optimierung der Aufreinigungsabfolge aus einem Liter M9-Medium bis zu 50 mg homogenes Protein isoliert werden. Nach Optimierung der Expressionsbedingungen und der Aufreinigungsstrategie konnte das Adrenodoxin mit den NMR aktiven Isotopen 15N sowie 13C angereichert werden. Die Reduktion des Adrenodoxins erfolgte durch Zusatz von Natriumdithionit unter strikt anaeroben Bedingungen. Die strukturelle Untersuchung mittels NMR setzt eine Zuordnung der Proteinresonanzen voraus. Diese erfolgte unter Verwendung verschiedener Tripleresonanzexperimente. Eine Zuordnung war aufgrund des stark ausgeprägten Paramagnetismus nur für solche Reste möglich, die sich mindestens 8 Å vom [2Fe-2S]-Cluster des Adrenodoxins entfernt befinden. Trotzdem konnten wichtige Regionen, die sich außerhalb des Einflussbereichs des [2Fe-2S]- Clusters befinden, zugeordnet und mit dem oxidierten Zustand verglichen werden. Aus den 15N-NOESY-HSQC und 13C-NOESY-HSQC-Spektren wurden für den reduzierten Zustand unter Zuhilfenahme des Programms NMR2st 1300 effektiv abstandsbeschränkende NOESignale eindeutig zugeordnet. Nach Minimierung der Zielfunktion wurden im letzten Schritt 50 Strukturen mit dem Strukturkalkulationsprogramm DYANA berechnet. Die 20 Strukturen mit den besten Targetfunkionen wurden als Strukturensemble dargestellt. Für das Proteinrückrat beträgt der RMSD 2,34 Å. Anhand der chemischen Verschiebungsänderungen konnten erste Unterschiede zwischen oxidierten und reduzierten Zustand des Adrenodoxins festgestellt werden. Besonders markant sind diese Veränderungen im Bereich des C-Terminus und des Loops 80-86. Änderungen konnten auch im "Chemical Shift Index" und beim Vergleich der NOE-Konnektivitäten beider Redoxzustände beobachtet werden. Gerade für die Aminosäurereste Asp76 und Asp79, die für die Wechselwirkung zu den Redoxpartnern essentiell sind, konnten Veränderungen im Aufspaltungsmuster der "NOE-Pattern" nachgewiesen werden, was auf konformationelle Änderungen im Bereich der Wechselwirkungsdomäne hindeutet. Der Vergleich der beiden Tertiärstrukturen lieferte weitere Indizien dafür, dass der C-Terminus redoxbedingte konformationelle Änderungen erfährt. Während des Erstellens dieser Arbeit konnte eine US-amerikanische Gruppe durch Zufall die Existenz eines Adrenodoxin (oxidiert) Dimers bei physiologisch relevanten Konzentrationen nachweisen [Pikuleva et al. 2000]. Bei der Dimerisierung spielt der C-Terminus eine entscheidende Rolle. Zwei intermolekulare Wasserstoffbrücken bilden sich zwischen CTerminus und Protein des jeweils anderen Partners aus. Redoxbedingte konformationelle Änderungen im Bereich des C-Terminus sollten die Auflösung des Dimers begünstigen. Um diese Vermutung zu bestätigen wurden Cross-Linking Experimente mit dem reduzierten und oxidierten Zustand des Adrenodoxins durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigten die Annahme, dass sich das Adrenodoxin Dimer nach Reduktion auflöst. Außerdem konnte anhand der voll funktionsfähigen C-terminal verkürzten Mutante Adx(4-108) die tragende Rolle des CTerminus bei der Dimerbildung bewiesen werden. Aus den experimentell erhaltenen Daten wurde ein neuer Elektronentransportmechanismus postuliert, der sowohl Adrenodoxin Dimere als auch Adrenodoxin Monomere als Elektronentransporter annimmt [Beilke et al. 2002]. Die streng kontrollierte Steroidhormonbiosynthese wird durch den Einsatz von Adrenodoxin Dimeren beschleunigt und durch die redoxbedingte Auflösung der Dimere optimert. Die redoxbedingte Auflösung eines Dimers ist in der Biochemie einzigartig und kann zum Verständnis molekularer Wechselwirkungen beitragen. Für die gesamte Gruppe der vertebraten Ferredoxine sind aufgrund der Struktur- und Sequenzhomologie ähnliche Ergebnisse zu erwarten. Im zweiten Teil der Arbeit sollte die Ferredoxin-NADP -Reduktase (FNR) für strukturelle Untersuchungen mittels NMR zugänglich gemacht werden. Durch Verwendung von bakteriellen Expressionssystemen, insbesondere dem pQE30-Expressionssystem, konnte der Anteil an löslichem Protein im Vergleich zum Ursprungssystem um den Faktor 12 erhöht werden. Dabei führten möglichst niedrige Expressionstemperaturen und IPTG Konzentrationen zu den höchsten Proteinausbeuten. Ein verbessertes Isolationsverfahren wurde etabliert und ermöglicht die Darstellung von bis zu 90 mg FNR aus einem Liter LB-Medium. Eine Verlängerung der Expressionsdauer, hervorgerufen durch das Wachstum in M9-Medium und in D2O, verringerte den Anteil an vollständig intaktem Protein, weshalb auf eine kostspielige Proteinpräparation in dreifach angereicherten Minimalmedium verzichtet wurde.
Das onkogene Fusionsprotein AML1/ETO entsteht durch die chromosomale Translokation t(8;21), die in etwa 12 % aller primären akuten myeloischen Leukämien (AML) auftritt. Die DNA-Bindedomäne des hämatopoetischen Transkriptionsfaktors AML1 wird hierbei mit fast dem gesamten ETO-Protein fusioniert, das als transkriptioneller Repressor wirkt. In den transformierten Zellen kommt es somit zur Blockierung der myeloischen Differenzierung und zur verstärkten Proliferation. Entscheidend für das leukämische Potential von AML1/ETO ist die Fähigkeit zur Oligomerisierung, die durch die Nervy-Homologie-Region-2 (NHR2)-Domäne im ETO-Anteil vermittelt wird.
Durch lentivirale Transduktion konnte bereits gezeigt werden, dass Proteine, welche die NHR2-Domäne enthalten, die Oligomerisierung von AML1/ETO inhibieren und damit den leukämischen Phänotyp AML1/ETO-exprimierender myeloischer Zellen aufheben. In der vorliegenden Arbeit sollten nun alternative Wege zur Einbringung der therapeutischen Proteine in t(8;21)-positive AML-Zellen untersucht werden. Dafür wurde sowohl die Möglichkeit der Proteintransduktion als auch die Verwendung nicht-integrierender viraler Vektoren analysiert.
Im ersten Projekt wurden durch Fusion mit der HIV-1 TAT-Domäne zellpermeable NHR2-Proteine generiert. Zunächst wurde ein Protokoll zur Expression und Reinigung der rekombinanten Proteine etabliert. Durch eine ausführliche biochemische Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass die aus Bakterien aufgereinigten NHR2-Proteine funktionell und sehr rein waren. Sie wiesen den erwarteten hohen alpha-helikalen Anteil auf und behielten ihre Fähigkeit zur Bildung von Tetrameren in vitro bei. Die TAT-NHR2-Fusionsproteine sind in der Lage, in humane Zellen einzudringen und konnten erfolgreich in den Lysaten nachgewiesen werden. Mikroskopische Studien zeigten, dass der Großteil der internalisierten Proteine in Endosomen-ähnlichen Vesikeln lokalisiert war. Die Zugabe des Endosomeninhibitors Chloroquin oder eines endosomolytischen, zellpermeablen Peptides ermöglichte eine erhöhte intrazelluläre Stabilität der zellpenetrierenden Proteine. Co-Immunpräzipitations-Experimente konnten bestätigen, dass die aufgenommenen NHR2-Proteine spezifisch an das ETO-Protein in transfizierten, adhärenten Zellen binden können. Die Proteintransduktion in die myeloische, AML1/ETO-wachstumsabhängige Zelllinie Kasumi-1 ist unter serumfreien Bedingungen ebenfalls möglich. Die konsekutive Behandlung der AML-Zellen mit den TAT-NHR2-Fusionsproteinen führte zu einer Reduktion der Expression des Stammzellmarkers c-kit (CD117) in 26 % der behandelten Zellen. Die Anwendung zellpermeabler NHR2-Proteine ist demnach prinzipiell möglich, bedarf aber weiterer Optimierung, um die notwendige hohe Bioverfügbarkeit zu erreichen.
In einem zweiten Projekt wurden Adeno-assoziierte virale (AAV) Vektoren verwendet, um die NHR2-Proteine in den hämatopoetischen Zellen zu exprimieren. Mit Hilfe mehrerer Methoden konnte gezeigt werden, dass sich mit den generierten Vektoren, die auf dem AAV-Serotyp 2 basierten, erfolgreich eine transiente Genexpression induzieren ließ. Der CMV-Promoter vermittelte jedoch nur eine schwache Expression in den hämatopoetischen Zellen. Unter Verwendung des stärkeren SFFV-Promoters konnte die Expressionsstärke deutlich gesteigert werden. Die von den optimierten AAV-Vektoren vermittelte Expression der NHR2-Proteine führte in den beiden AML1/ETO-positiven Zelllinien Kasumi-1 und SKNO-1 zu den erwarteten, spezifischen Effekten. So wurde das Wachstum verlangsamt und gleichzeitig die Apoptoserate erhöht. AML1/ETO-unabhängige Zellen wurden dagegen von den AAV-NHR2-Vektoren nicht beeinflusst. Obwohl die Proteinexpression in SKNO-1 Zellen stärker war, zeigten die Kasumi-1 Zellen deutlichere Effekte. Die NHR2-Proteine bewirkten in den transduzierten t(8;21)-positiven Zellen außerdem eine Reduktion der Expression der Stammzellmarker CD34 bzw. c-kit. Dies deutet auf eine partielle Differenzierung der beiden AML1/ETO-abhängigen Zelllinien hin. Damit ließen sich durch AAV-vermittelte Transduktion in den AML-Zellen dieselbe Wirkung in Hinblick auf Wachstum, Differenzierbarkeit und Apoptoserate erzielen wie dies mit den lentiviralen Vektoren zuvor beschrieben wurde. In einem abschließenden Vergleich wurde aber deutlich, dass nicht-integrierende Vektorsysteme generell eine schwächere NHR2-Proteinexpression induzieren und demzufolge auch schwächere Effekte als integrierende Vektoren in den AML1/ETO-positiven Zellen auslösen.
In this paper equilibrium models for the calculation of the excess Gibbs free energy of binary liquid mixtures are developed, the component A of which undergoes chain-forming self-association whilst the component B acts as an 'inert' solvent. It is shown that the extension of the well-known chain-association model of Mecke and Kempter, in which the probability of chain prolongation is assumed to be independent of chain length, is unable to establish satisfactory results because it does not exhibit sufficient unsymmetry. Reduction of the probability of chain growth with in-creasing chain length leads to an improved model with the geometric series replaced by the exponential series. This model, in which only two parameters are used, i. e. the equilibrium constants K for mutual solvation of A and B, and ρ for self-association of A, allows fitting of isothermal experimental GE /R T literature data on cycloalkanol-cycloalkane, alkanol-alkane, and NMF -CCl4 systems within the limits of experimental error. Compared with the two-parameter Wilson equation which gives equally small standard deviations, our equilibrium model has the advantage of allowing passage from GE to HE data and of being applicable to liquid-liquid equilibria.
Phasentrennung als Folge der Konkurrenz zwischen "statistischer" und "chemischer" Vermischung
(1977)
The fact that common thermodynamic conditions are valid for all known types of critical phases (liquid-liquid, liquid-gas, and "gas-gas") suggests that a common principle for the interpretation of material phase instability from a molecular point of view must exist. In this paper we show that the principle of competition between "statistical mixing" (i. e. random mixing) and "chemical mixing" (i. e. mixing effected under the influence of chemical interactions) can give this common inter pretation. If the equilibrium states resulting from both types of mixing are sufficiently different, phase separation occurs. We refer to our earlier papers (since 1972) in which we have applied this principle to describe liquid-liquid phase equilibria by "chemical" models, using the equilibrium constants of exchange equilibria between nearest-neighbour complexes as a measure of "chemical" mixing. In this paper we show that the well-known reduced gas-liquid coexistence curve, T/Tc =f(q/qc), can accurately be fitted by a very simple "mixture" model of molecules A with "vacan cies", provided that the contributions of both statistical and chemical mixing are incorporated into the formula for GE. From a discussion of the application to "gas-gas" phase equilibria in the hyper critical region it results that the weight factor r, by which the contribution of statistical mixing enters into GE, must depend on the density of the gas mixture. Phase separation can only occur if, by increasing pressure, the contributions to GE of statistical and chemical mixing have reached the same order of magnitude. From an attempt to apply the same principle to solid-liquid equilibria it is shown under which external conditions a critical point for this type of phase transition can be expected.
A thermodynamic theory of liquid mixtures based on a simple molecular model is developed which describes the equilibrium state as the result of a coupling between a "chemical" and a "statistical" equilibrium. The intermolecular interactions are taken into account by considering "complexes" formed between a given molecule and its z nearest neighbours. The equilibrium mole fractions of these complexes are calculated by application of the ideal law of mass action to an appropriate set of "exchange equilibria". Formulae for the excess functions GE and HE and for the activities of the components are derived for the cases z=1 and z=4. GE depends on an equilibrium constant K describing the deviation from random distribution of the equilibrium mole fractions of the complexes. HE depends on K and on an energy parameter w which is related to differences of pair interactions. K and w are independent parameters, and there is no limitation in respect to amount and sign of the excess functions. The conditions for the existence of a critical solution point are formulated; at this point GE has a value of about 0.56 R T. If a model with two equilibrium constants is used allowing for instance competition between "self-association" and "complex-formation", the existence of closed miscibility gaps becomes possible. Closed miscibility curves are calculated and the conditions for their appearance are discussed. The relations between this theory and Guggenheim's statistical lattice theory of symmetrical mixtures are pointed out.
This paper contains further applications on symmetrical liquid mixtures of the molecular thermodynamic theory which has been developped in part I of this series. The essential feature of this theory is the superposition of "chemical" and “random” exchange equilibria between “complexes” formed by a given molecule and its z nearest neighbours, thus allowing a unified treatment of the thermodynamic phenomena in binary liquid mixtures using the equilibrium constant K of the ideal law of mass action and the energy w of pair interactions as parameters.
The temperature and pressure dependences of K and the evaluation of experimental excess enthalpy and excess volume data are treated. Formulas and examples for the calculation of K and w from isothermal and non-isothermal vapour-liquid equilibrium data are given. The conditions for azeotropy with minimum or maximum vapour pressure, resp., are derived. Melting curves for a symmetric eutectic system with superposed miscibility gap are discussed. Further models for partially miscible liquids with competing self-association and complex-formation are treated showing the phenomenon of two separated miscibility gaps.
The enthalpies of mixing at 25° of diethyl ether, di-n-propyl ether, di-n-butyl ether, di-isopropyl ether, propylene oxide, tetrahydrofuran, and tetrahydropyran with chloroform are determined by an isothermal titration method. As a result, the functions HM-f(N CHCl3) are obtained with a step width of 0.025 of the mole fraction and a relative accuracy of 1 per cent or better. Evaluation of the heat of mixing data by means of equilibrium models ("ideal associated mixture") shows that the systems of aliphatic ethers with chloroform behave rather precisely as one-step equilibria of the type A + B = AB (A = ether; B = chloroform). In the systems of cyclic ethers with chloroform, a second equilibrium step, AB + B = AB2 , must be considered, the importance of which decreases with increasing ring size of the ether. The equilibrium data calculated for the seven ether-diloroform systems are discussed.
As we have shown in a recent paper, the principle of competition between "statistical" and "chemical" mixing represents a molecular thermodynamic approach to all known types of phase separation. This principle is effective if the contributions of two independent spontaneous processes enter into the thermodynamic potential by which the resulting equilibrium state of the system is determined. This is equivalent with the statement that two different forms of entropy exist which are not interchangeable, and for which the law of increasing entropy independently must be valid. As "cooperativity" is introduced by this principle, critical phenomena may be described by simple equilibrium models in which only nearest-neighbour interactions are considered.
Starting from the molar Gibbs free energy GM of the most simple binary equilibrium model z = 1 with nearest-neighbour pairs, nonclassical critical-point exponents α = 0.33 of the molar heat capacity, β = 0.33 of the coexistence curve, γ = 1.33 of the isothermal compressibility, and δ = 4.33 of the critical isotherm, are derived, which are consistent with the well-known exponent in equalities. These non-classical critical-point exponents are independent of the chemical nature of the particles because they are obtained by applying thermodynamic arguments on the coupling constant τ, by which the contribution of "statistical mixing" to GM is weighted.
A generic drug product (World Health Organization (WHO) terminology: multisource product) is usually marketed and manufactured after the expiry date of the innovator’s patent. Generic drugs are less expensive than the innovator products because generic manufacturers do not have to amortize the investment costs of research, development, marketing, and promotion. Multisource products must contain the same active pharmaceutical ingredients (APIs) as the original formulation and have to be shown to be interchangeable with the original formulation. Multisource products have to be shown bioequivalent to the innovator counterpart with respect to pharmacokinetic and pharmacodynamic properties. Multisource products are therefore identical in dose, strength, route of administration, safety, efficacy, and intended use. Bioequivalence can be demonstrated by in vitro dissolution, pharmacokinetic, pharmacodynamic or clinical studies. Since 2000, the U.S. Food and Drug Administration (FDA) allows the approval of certain multisource products solely on the basis of in vitro studies, i.e. by waiving in vivo studies in humans (“Biowaiver”), based on the Biopharmaceutics Classification Scheme (BCS). The BCS characterizes APIs by their solubility and permeability in the gastrointestinal tract (GIT). The different BCS Classes I-IV (Class I: high solubility, high permeability; Class II: low solubility, high permeability; Class III: high solubility, low permeability and Class IV: low solubility, low permeability) result from all possible combinations of high and low solubility with high and low permeability. Since the adoption of the BCS by the FDA in 1995, the BCS criteria have been under continuous development. In 2006, the WHO has released the most recent bioequivalence guidance including relaxed criteria for bioequivalence studies based on modified BCS criteria. According to this guidance, APIs belonging to the BCS classes I – and under defined conditions - II and III – are eligible for a biowaiver-based approval. The principal objective of this work was to characterize the first-line anti tuberculosis APIs, isoniazid, pyrazinamide, ethambutol dihydrochloride and rifampicin, according to their physicochemical, biopharmaceutical, pharmacokinetic and pharmacological properties and to classify them according to the BCS. Ethambutol dihydrochloride and isoniazid were classified as borderline BCS class I/III APIs. Pyrazinamide was classified as a BCS class III and rifampicin as a BCS class II API. Based on the BCS classification and the additional criteria defined in the WHO bioequivalence guidance, the possibility of biowaiver-based approval for immediate release (immediate release) solid oral dosage forms containing the first-line antituberculosis drugs was evaluated. A biowaiver-based approval with defined constraints was recommended for immediate release solid oral dosage forms containing isoniazid (interaction with reducing sugars), pyrazinamide and ethambutol dihydrochloride (relative narrow therapeutic index). Rifampicin was classified as a BCS class II API, and it was concluded that rifampicin containing solid oral immediate release drug products as well as Scale-Up and Post-Approval Changes (SUPAC) changes should not be approved by a biowaiver on the following basis: (i) its solubility and dissolution are highly variable due to polymorphism and instability, (ii) concomitant intake of food and antacids reduces its absorption and bioavailability, (iii) no in vitro predictive dissolution test has been found which correlates to in vivo absorption and (iv) several publications reporting cases of non-bioequivalent and bioinequivalent rifampicin products have been located in the literature. Thus, it is recommended that bioequivalence of rifampicin containing solid oral immediate release drug products should be established by in vivo pharmacokinetic studies in humans. This risk-benefit benefit assessment of a biowaiver-based approval was presented as a poster at the American Association of Pharmaceutical Scientists (AAPS) 2005 and subsequently published as “Biowaiver Monographs” in the Journal of Pharmaceutical Sciences. Based on the assessment of the dissolution properties of the antituberculosis drugs for a biowaiver approval, quality control dissolution methodologies for the International Pharmacopoeia (Pharm. Int.) were developed, presented at the WHO expert meeting and adopted in the Pharm. Int. (http://www.who.int/medicines/publications/pharmprep/OMS_TRS_948.pdf). Additionally, preliminary biowaiver recommendations were also developed for four firstline antimalarial drugs listed on the WHO Essential Medicines List (EML): Quinine, as both the hydrochloride and sulphate, and proguanil hydrochloride were classified as borderline BCS class I/III APIs. Since quinine is a narrow therapeutic index drug and many cases of non-bioequivalence have been reported in the literature, a biowaiverbased approval was not recommended. For solid oral immediate release dosage forms containing proguanil a biowaiver-based approval was recommended under the condition that they dissolve very rapidly. Primaquine phosphate was classified as a BCS class I API. Therefore, a biowaiver-based approval was recommended for immediate release solid oral dosage forms containing primaquine phosphate. Mefloquine hydrochloride was classified as a basic, BCS class IV/II API, making it ineligible for the biowaiver. Additionally, reports of non-bioequivalence and a narrow therapeutic index were found in the scientific literature. Consequently, bioequivalence of solid oral immediate release dosage forms containing mefloquine hydrochloride should be established by in vivo pharmacokinetic studies. The results for quinine hydrochloride and sulphate, proguanil hydrochloride, primaquine diphosphate and mefloquine hydrochloride were presented as a poster at the Pharmaceutical Sciences World Congress (PSWC) 2007 and published as a WHO Collaborating Center Report in June 2006. The aim of this project was to collect, evaluate, generate and publish relevant information for a biowaiver-based approval of essential medicines in order to provide a summary to local regulatory authorities. This information complements the selected list of essential medicines by providing information about the biopharmaceutical properties and pharmaceutical quality of solid oral immediate release dosage forms containing these APIs. The aim of the biowaiver project, inspired by the WHO and brought in life by the International Pharmaceutical Federation (FIP), is to enable access to essential medicines in standardized quality at an affordable price. In this work, a significant contribution to this aim in the form of four biowaiver monographs for the antituberculosis drugs and several reports on the antimalarials has been achieved.