Oxidation of 3-hydroxyanthranilic acid to the phenoxazinone cinnabarinic acid by peroxyl radicals and by compound I of peroxidases or catalase

Since 3-hydroxyanthranilic acid (3HAA), an oxidation product of tryptophan metabolism, is a powerful radical scavenger [Christen, S., Peterhans, E., ; Stocker, R. (1990) Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 2506], its reaction with peroxyl radicals was investigated further. Exposure to aqueous peroxyl radicals generated at constant rate under air from the thermolabile radical initiator 2,2'-azobis[2-amid-inopropane] hydrochloride (AAPH) resulted in rapid consumption of 3HAA with initial accumulation of its cyclic dimer, cinnabarinic acid (CA). The initial rate of formation of the phenoxazinone CA accounted for approximately 75% of the initial rate of oxidation of 3HAA, taking into account that 2 mol of 3HAA are required to form 1 mol of CA. Consumption of 3HAA under anaerobic conditions (where alkyl radicals are produced from AAPH) was considerably slower and did not result in detectable formation of CA. Addition of superoxide dismutase enhanced autoxidation of 3HAA as well as the initial rates of peroxyl radical-induced oxidation of 3HAA and formation of CA by approximately 40-50%, whereas inclusion of xanthine/xanthine oxidase decreased the rate of oxidation of 3HAA by approximately 50% and inhibited formation of CA almost completely, suggesting that superoxide anion radical (O2.-) was formed and reacted with reaction intermediate(s) to curtail formation of CA. Formation of CA was also observed when 3HAA was added to performed compound I of horseradish peroxidase (HRPO) or catalytic amounts of either HRPO, myeloperoxidase, or bovine liver catalase together with glucose/glucose oxidase.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

The role of cytochromes P450 and peroxidases in the detoxification of sulphonated anthraquinones by rhubarb and common sorrel plants cultivated under hydroponic conditions

Sulphonated anthraquinones are precursors of many synthetic dyes and pigments, recalcitrant to biodegradation and thus not eliminated by classical wastewater treatments. In the development of a phytotreatment to remove sulphonated aromatic compounds from dye and textile industrial effluents, it has been shown that rhubarb (Rheum rabarbarum) and common sorrel (Rumex acetosa) are the most efficient plants. Both species, producing natural anthraquinones, not only accumulate, but also transform these xenobiotic chemicals. Even if the precise biochemical mechanisms involved in the detoxification of sulphonated anthraquinones are not yet understood, they probably have cross talks with secondary metabolism, redox processes and plant energy metabolism. The aim of the present study was to investigate the possible roles of cytochrome P450 monooxygenases and peroxidases in the detoxification of several sulphonated anthraquinones. Both plant species were cultivated in a greenhouse under hydroponic conditions, with or without sulphonated anthraquinones. Plants were harvested at different times and either microsomal or cytosolic fractions were prepared. The monooxygenase activity of cytochromes P450 toward several sulphonated anthraquinones was tested using a new method based on the fluorimetric detection of oxygen consumed during cytochromes P450-catalysed reactions. The activity of cytosolic peroxidases was measured by spectrophotometry, using guaiacol as a substrate. A significant activity of cytochromes P450 was detected in rhubarb leaves, while no (rhizome) or low (petioles and roots) activity was found in other parts of the plants. An induction of this enzyme was observed at the beginning of the exposition to sulphonated anthraquinones. The results also indicated that cytochromes P450 were able to accept as substrate the five sulphonated anthraquinones, with a higher activity toward AQ-2,6-SS (0.706 nkat/mg protein) and AQ-2-S (0.720 nkat/mg protein). An activity of the cytochromes P450 was also found in the leaves of common sorrel (1.212 nkat/mg protein (AQ-2,6-SS)), but no induction of the activity occurred after the exposition to the pollutant. The activity of peroxidases increased when rhubarb was cultivated in the presence of the five sulphonated anthraquinones (0.857 nkat/mg protein). Peroxidase activity was also detected in the leaves of the common sorrel (0.055 nkat/mg protein), but in this plant, no significant difference was found between plants cultivated with and without sulphonated anthraquinones. Results indicated that the activity of cytochromes P450 and peroxidases increased in rhubarb in the presence of sulphonated anthraquinones and were involved in their detoxification mechanisms. These results suggest the existence in rhubarb and common sorrel of specific mechanisms involved in the metabolism of sulphonated anthraquinones. Further investigation should be performed to find the next steps of this detoxification pathway. Besides these promising results for the phytotreatment of sulphonated anthraquinones, it will be of high interest to develop and test, at small scale, an experimental wastewater treatment system to determine its efficiency. On the other hand, these results reinforce the idea that natural biodiversity should be better studied to use the most appropriate species for the phytotreatment of a specific pollutant.

Metabolism of sulphonated anthraquinones in rhubarb, maize and celery: the role of cytochromes P450 and peroxidases

Sulphonated anthraquinones are precursors of many synthetic dyes and pigments, recalcitrant to biodegradation, and thus contaminating many industrial effluents and rivers. In the development of a phytotreatment to remove sulphonated aromatic compounds, rhubarb (Rheum rhaponticum), a plant producing natural anthraquinones, as well as maize (Zea mays) and celery (Apium graveolens), plants not producing anthraquinones, were tested for their ability to metabolise these xenobiotics. Plants were cultivated under hydroponic conditions, with or without sulphonated anthraquinones, and were harvested at different times. Either microsomal or cytosolic fractions were prepared. The monooxygenase activity of cytochromes P450 towards several sulphonated anthraquinones was tested using a new method based on the fluorimetric detection of oxygen consumed during cytochromes P450-catalysed reactions. The activity of cytosolic peroxidases was measured by spectrophotometry, using guaiacol as a substrate. Results indicated that the activity of cytochromes P450 and peroxidases significantly increased in rhubarb plants cultivated in the presence of sulphonated anthraquinones. A higher activity of cytochromes P450 was also detected in maize and celery exposed to the pollutants. In these two plants, a peroxidase activity was also detected, but without a clear difference between the control plants and the plants exposed to the organic contaminants. This research demonstrated the existence in rhubarb, maize and celery of biochemical mechanisms involved in the metabolism and detoxification of sulphonated anthraquinones. Taken together, results confirmed that rhubarb might be the most appropriate plant for the phytotreatment of these organic pollutants.

Molecular characterization of aromatic peroxygenase from Agrocybe aegerita

Recently, a novel group of fungal peroxidases, known as the aromatic peroxygenases (APO), has been discovered. Members of these extracellular biocatalysts produced by agaric basidiomycetes such as Agrocybe aegerita or Coprinellus radians catalyze reactions--for example, the peroxygenation of naphthalene, toluene, dibenzothiophene, or pyridine--which are actually attributed to cytochrome P450 monooxygenases. Here, for the first time, genetic information is presented on this new group of peroxide-consuming enzymes. The gene of A. aegerita peroxygenase (apo1) was identified on the level of messenger RNA and genomic DNA. The gene sequence was affirmed by peptide sequences obtained through an Edman degradation and de novo peptide sequencing of the purified enzyme. Quantitative real-time reverse transcriptase polymerase chain reaction demonstrated that the course of enzyme activity correlated well with that of mRNA signals for apo1 in A. aegerita. The full-length sequences of A. aegerita peroxygenase as well as a partial sequence of C. radians peroxygenase confirmed the enzymes' affiliation to the heme-thiolate proteins. The sequences revealed no homology to classic peroxidases, cytochrome P450 enzymes, and only little homology (<30%) to fungal chloroperoxidase produced by the ascomycete Caldariomyces fumago (and this only in the N-terminal part of the protein comprising the heme-binding region and part of the distal heme pocket). This fact reinforces the novelty of APO proteins. On the other hand, homology retrievals in genetic databases resulted in the identification of various APO homologous genes and transcripts, particularly among the agaric fungi, indicating APO's widespread occurrence in the fungal kingdom.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.