Synthesis, characterization and chemical modification of a cationic polyelectrolyte poly(methylene amine)

Polyamine polymers have attracted attention due to their ability to demonstrate pH dependent cationic nature and presence of highly reactive pendant amino groups. These amino groups make them suitable for a host of applications through cross-linking and derivatization. As a result the end use application of a polyamine is largely driven by the number of amino groups and the way they are attached to the polymer backbone. Thus, this piece of work describes the synthesis and investigation of properties of a novel aliphatic polyamine, poly(methylene amine); that carries maximum number of amino group on its backbone. The target polymer, poly(methylene amine); was synthesized via two major steps viz.1.synthesis of precursor polymers of poly(methylene amine) and 2. Hydrolysis of the precursor polymers to obtain poly(methylene amine). The precursor polymers poly (1,3-diacetylimidazole-2-one)(6) and poly(1,3-diformyldihydroimidazol-2-one)(7) were synthesized via radical polymerization of their respective monomers. The monomers were polymerized in bulk as well as in solution at different reaction conditions. The maximum molecular weights were achieved by polymerizing the monomers in bulk (Mn = 6.5 x 104 g/mol and Mw = 2.13 x 105 g/mol) of 6. The precursor polymers were hydrolyzed under strong reaction conditions in ethanol in presence of NaOH, LiCl at 170°C to yield poly(methylene amine). The process of hydrolysis was monitored by IR spectroscopy. The solution properties of poly(methylene amine) and its hydrochloride were investigated by viscosimetry and light scattering. The reduced viscosity of poly (methylene amine) hydrochloride as a function of polymer concentration demonstrated a behavior typical of cationic polyelectrolyte. With decrease in polymer concentration the reduced viscosity of poly(methylene amine) hydrochloride increased gradually. The dynamic light scattering studies also revealed behaviors of a polyelectrolyte. Poly(methylene amine) was reacted with electrophiles to yield novel materials. While the attachment of alkyl group onto the nitrogen would increase nucleophilicity, it would also impose steric hindrance. As a result the degree of substitution on poly(methylene amine) would be governed by both the factors. Therefore, few model reactions with electrophiles were performed on polvinylamine under similar reaction conditions in order to make a comparative evaluation. It was found that under similar reaction conditions the degree of substitution was higher in case of polyvinylamine in comparison with poly (methylene amine).This shows that the steric hindrance outweighs nucleophilicity while deciding degree of substitution of electrophiles on poly(methylene amine). The modification was further extended to its use as an initiator for ring opening polymerization of benzyloxy protected N-carboxyanhydride of z-Lysine. The resulting polymer had an interesting brush like architecture. The solid state morphology of this polymer was investigated by SAXS. The 2D-WAXS diffractograms revealed hexagonal morphology of peptide segments without formation of alpha helices.

Derivate des Ionentransporters Valinomycin

In der vorliegenden Arbeit wurden Derivate des Ionentransporters Valinomycin synthetisiert und als Sensorelemente in Modellmembransysteme inkorporiert. Als Modellmembranen wurden festkörpergestützte Lipiddoppelschichten (tBLMs, tethered bilayer lipid membranes) verwendet. rnValinomycin transportiert selektiv Kalium-Ionen durch Membranen, was durch einen Rückgang des Widerstandes über elektrochemische Messmethoden nachgewiesen werden kann. Es ist ein zyklisches Dodecadepsipeptid, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren (L- und D-Valin) und  Hydroxysäuren (L Milchsäure und D Hydroxyisovaleriansäure) besteht. In dieser Arbeit wurde ein L Valin durch ein L-Lysin ausgetauscht, um eine freie Aminogruppe zum Anbinden verschiedenster Liganden zu erhalten. rnDie Synthese erfolgte in Lösung über einen linearen Decadepsipeptid-Precursor, hierbei wurde hauptsächlich mit Benzyl- und Boc-Schutzgruppen gearbeitet. An den Precursor wurden dann unterschiedlich modifizierte Lysin-Didepside gebunden und das daraus erhaltene lineare Dodecadepsipeptid zyklisiert.rnInsgesamt wurden sechs verschiedene Derivate synthetisiert, deren Ionentransportfähigkeit mit Hilfe eines angebundenen Liganden blockiert wurde. Diese Blockade kann entweder mechanisch durch Festhalten des Ionencarriers an der Oberfläche der Membran oder chemisch durch Einbringen einer Ladung erfolgen, da geladene Moleküle eine Membran nicht überwinden können. rnAcetyl-Lysin-Valinomycin wurde als Testsystem hergestellt, um zu zeigen, dass die Synthese einen funktionsfähigen Ionencarrier ergeben hatte. Im nächsten Schritt wurde Lysin-Valinomycin mit freier Aminogruppe synthetisiert, um es als pH-Sensor zu nutzen und damit zu überprüfen, ob das chemische Einbringen einer Ladung möglich ist. Es konnte ein pH abhängiger Kalium-Transport nachgewiesen werden, die Blockade der Ionentransportfähigkeit über eine eingebrachte Ladung ist somit möglich. rnAuf dem gleichen Konzept beruht Ferrocen-Valinomycin. Wird der Ferrocen-Ligand oxidiert, liegt eine positive Ladung vor und der Ionencarrier kann die Membran nicht mehr überwinden. Eine Reduktion macht diesen Prozess reversibel. Ferrocen-Valinomycin konnte innerhalb einer tBLM chemisch oxidiert und reduziert werden, dieses System kann somit als chemischer Redox-Sensor eingesetzt werden.rnEine mechanische Blockade liegt dem Biotin- und dem Sulfonamid-Valinomycin zugrunde. Dabei soll die Zugabe von Streptavidin bzw. BCA II (bovine Carboanhydrase) den Ionentransport durch die Membran stoppen. Beide Valinomycin-Derivate zeigten aber keine Ionentransportfähigkeit, eine Inkorporation in tBLMs konnte jedoch über SPR gezeigt werden. rnDie Synthese eines fluoreszenz-markierten (FITC) Valinomycins ergab zwar auch keinen transportfähigen Ionencarrier, aber mit diesem Derivat konnte der Diffusionskoeffizient von Valinomycin in sBLMs mit Hilfe von Fluorescence Recovery after photobleaching (FRAP) bestimmt werden.rn

Light-sensitive polymeric nanoparticles based on photo-cleavable chromophores

Der Fokus dieser Arbeit liegt in dem Design, der Synthese und der Charakterisierung neuartiger photosensitiver Mikrogele und Nanopartikel als potentielle Materialien für Beladungs- und Freisetzungsanwendungen. Zur Realisierung dieses Konzepts wurden verschiedene Ansätze untersucht.Es wurden neuartige niedermolekulare lichtspaltbare Vernetzermoleküle auf der Basis von o-Nitrobenzylderivaten synthetisiert, charakterisiert und zur Herstellung von photosensitiven PMMA und PHEMA Mikrogelen verwendet. Diese sind unter Bestrahlung in organischen Lösungsmitteln quellbar und zersetzbar. Durch die Einführung anionischer MAA Gruppen in solche PHEMA Mikrogele wurde dieses Konzept auf doppelt stimuliresponsive p(HEMA-co-MAA) Mikrogele erweitert. Hierbei wurde ein pH-abhängiges Quellbarkeitsprofil mit der lichtinduzierten Netzwerkspaltung in wässrigen Medien kombiniert. Diese duale Sensitivität zu zwei zueinander orthogonalen Reizen stellt ein vielversprechendes Konzept zur Kombination einer pH-abhängigen Beladung mit einer lichtinduzierten Freisetzung von funktionellen Substanzen dar. Desweiteren wurden PAAm Mikrogele entwickelt, welche sowohl eine Sensitivität gegenüber Enzymen als auch Licht aufweisen. Dieses Verhalten wurde durch die Verwendung von (meth-)acrylatfunktionalisierten Dextranen als polymere Vernetzungsmoleküle erreicht. Das entsprechende stimuliresponsive Profil basiert auf der enzymatischen Zersetzbarkeit der Polysaccharid-Hauptkette und der Anbindung der polymerisierbaren Vinyleinheiten an diese über photospaltbare Gruppen. Die gute Wasserlöslichkeit der Vernetzermoleküle stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Beladung solcher Mikrogele mit funktionellen hydrophilen Substanzen bereits während der Partikelsynthese dar. Ein weiteres Konzept zur Beladung von Mikrogelen basiert auf der Verwendung von photolabilen Wirkstoff-Mikrogel Konjugaten. In einem ersten Schritt zur Realisierung solch eines Ansatzes wurde ein neuartiges Monomer entwickelt. Hierbei wurde Doxorubicin über eine lichtspaltbare Gruppe an eine polymerisierbare Methacrylatgruppe angebunden. Für die Freisetzung hydrophober Substanzen in wässrigen Medien wurden polymere Photolack-Nanopartikel entwickelt, welche sich unter Bestrahlung in Wasser zersetzen. Die lichtinduzierte Änderung der Hydrophobizität des Polymers ermöglichte die Freisetzung von Nilrot durch das Auflösen der partikulären Struktur. Ein interessanter Ansatz zur Verhinderung einer unkontrollierten Freisetzung funktioneller Substanzen aus Mikrogelen ist die Einführung einer stimuliresponsiven Schale. In diesem Kontext wurden Untersuchungen zur Bildung von nicht-stimulisensitiven Schalen um vorgefertigte Mikrogelkerne und zur Synthese von Hydrogelkernen in vorgefertigten polymeren Schalen (Nanokapseln) durchgeführt.

Detektion von Nickel- und Cobaltspezies in einzelnen lebenden Zellen mit hoher lateraler Auflösung

Übergangsmetallen wie Nickel und Cobalt kommt meist eine große Bedeutung als Cofaktor in Enzymen oder Metallkomplexen im Metabolismus von Lebewesen zu. Da eine sehr geringe Konzentration dieser Übergangsmetalle in einer Zelle für deren Funktionalität ausreicht, ist eine konstante Konzentration der Spurenelemente in einer Zelle angestrebt. Durch meist anthropogene Einflüsse sind Pflanzen und Menschen zunehmend hohen Konzentrationen von Übergangsmetallen ausgesetzt, die in Abhängigkeit von ihrer Spezies, der Konzentration und der Lokalisation unterschiedliche Toxizitäten aufweisen können. Die Speziation von Metallen wurde bisher mittels gängiger Analyseverfahren, wie der ICP-MS und ähnlicher Verfahren, anhand von bulk-Material durchgeführt. Durch die Entwicklung von optischen Sensoren für Metallionen war es möglich, diese Metalle auch in lebenden Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie zu lokalisieren. Ke und Kollegen (2006, 2007) nutzten einen solchen optischen Sensor - Newport Green DCF, um die Aufnahme von Nickel in humane A543 Lungenbronchialepithelzellen nach Inkubation mit dem wasserlöslichen NiCl2 (0,5 mM und 1 mM) sowie den wasserunlöslichen Verbindungen Ni3S2 (0,5 µg/cm2 und 1 µg/cm2) und NiS (2,5 µg/cm2) nachzuweisen und zu lokalisieren und konnten damit eine Akkumulation von Nickel im Zytoplasma und im Zellkern aufzeigen. Dabei war bei wasserlöslichen und wasserunlöslichen Nickelverbindungen Nickel nach 24 h im Zytoplasma und erst nach 48 h im Zellkern zu beobachten.rnrnDa Nickel und Cobalt keine detektierbare Eigenfluoreszenz unter den gegebenen Bedingungen zeigten, wurde für den optischen Nachweis von Nickel und Cobalt mit dem konfokalen Laser-Raster Mikroskop (CLSM) nach der Zugabe der verschiedenen wasserlöslichen und wasserunlöslichen Metallverbindungen NiCl2, NiSO4, Ni3S2 und CoCl2 in einzelnen lebenden humanen Gingiva-Fibroblasten, sowie in Pflanzenzellen in dieser Arbeit ebenfalls der optische Sensor Newport Green DCF genutzt. Korrespondierend zu den Ergebnissen früherer Arbeiten von Ke et al. (2006, 2007), in denen die Nickelaufnahme bei Konzentrationen von >0,5 mM NiCl2 bzw. >0,5 µg/cm2 Ni3S2 gezeigt wurde, wurde Nickel in Fibroblasten in Abhängigkeit von der Spezies mit steigender Metallkonzentration von 100 µM bis 500 µM nach 16 h im Zytoplasma und zunehmend nach 24 h bis 48 h im Zellkern detektiert. Bei der wasserunlöslichen Verbindung Ni3S2 war der Nachweis von Nickel im Zellkern bereits nach 16 h bis 24 h erfolgreich. Zusätzlich wurden weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien und die Nukleoli durch eine starke Fluoreszenz des optischen Sensors bei Colokalisationsexperimenten mit Organell-spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen als target für die Nickelbindung vermutet. Die Lokalisation von Cobalt in den Fibroblasten entsprach weitgehend der Lokalisation von Nickel. Im Zellkern war die Cobaltlokalisation jedoch auf die Nukleoli beschränkt. Weiterführende Versuche an humanen Gingiva-Fibroblasten zeigten, dass die Aufnahme der Metalle in die Fibroblasten pH-Wert abhängig war. Niedrige pH-Werte im sauren pH-Bereich verringerten die Aufnahme der Metalle in die Zellen, wobei ein pH-Wert im basischen Bereich keinen bedeutenden Unterschied zum neutralen pH-Bereich aufwies. Im Vergleich zu den Fibroblasten war in Pflanzenzellen zu jedem Zeitpunkt, auch bei geringen Konzentrationen der Metallverbindungen sowie des optischen Sensors, Nickel und Cobalt in den Zellkernen detektierbar. Durch die Eigenschaft der Pflanzenzellen eine Vakuole zu besitzen, war Nickel und Cobalt hauptsächlich in den Vakuolen lokalisiert. Weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien oder auch die Zellwand kamen bei Pflanzenzellen als target in Frage.rnrnDie Fluoreszenz und Lokalisation der Metalle in den Fibroblasten waren unabhängig von der Spezies sehr ähnlich, sodass in den Zellen die Spezies anhand der fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen kaum unterschieden werden konnten. Lambda-Scans in verschiedenen regions of interest (ROI) wurden durchgeführt, um durch die Fluoreszenzspektren Hinweise auf eine charakteristische Beeinflussung der Bindungspartner von Nickel und Cobalt oder dieser Metalle selbst in den Zellen auf den optischen Sensor zu bekommen und diese dadurch identifizieren zu können. Das Ziel der parallelen Detektion bzw. Lokalisation und gleichzeitigen Speziation bestimmter Nickel- und Cobaltpezies in einzelnen lebenden Zellen konnte in dieser Arbeit durch den optischen Sensor Newport Green DCF nicht erreicht werden.

Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit peptidischen Seitenketten

Die Forschung im Bereich der Drug Delivery-Systeme konzentriert sich auf biokompatible und wenig immunogene Trägermoleküle. Eine Klasse vielversprechender Trägersysteme stellen Peptid basierte Polymere dar, die neben einer hohen Biokompatibilität auch eine Sensitivität gegenüber externen Einflüssen aufweisen. Der zwitterionische Charakter von Aminosäuren und Peptiden verhindert die Adsorption von Serumproteinen und ein „antifouling“ Verhalten kann festgestellt werden, sodass diese Moleküle für den Einsatz als Wirkstoffträgersystem sehr geeignet scheinen. In Kombination mit einer bürstenartigen Struktur entstehen Systeme mit einer einzigartigen Peptidarchitektur, die sich durch eine hohe Dichte funktioneller Gruppen für Konjugationsreaktionen auszeichnen und deren formabhängige Zellaufnahme sie besonders attraktiv für die Anwendung als „Nanocarrier“ macht.rnrnDas zwitterionische Poly-(ε-N-Methacryloyl-L-Lysin) (Mw = 721,000 g∙mol 1) wurde durch freie radikalische Polymerisation dargestellt und seine Konformation in Abhängigkeit von Ionenstärke und pH-Wert untersucht. Die Biokompatibilität des Systems konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden. Zusammen mit der vernachlässigbaren unspezifischen Aufnahme in dendritische Zellen aus Knochenmark erfüllt das System damit alle Bedingungen, die an ein polymeres Wirkstoffträgersystem gestellt werden. Darüber hinaus können Komplexe des Polymers mit DNA in Gegenwart von divalenten Metallionen für die Gentransfektion verwendet werden.rnrnDurch Kopplung von ε-N-Methacryloyl-L-Lysin mit der Elastin-ähnlichen Polypeptid Pentasequenz Valin-Prolin-Glycin-Glycin-Glycin konnte ein Hexapeptid-Makromonomer dargestellt werden, welches anschließend mittels „grafting through“ Polymerisation zur Polymerbürste umgesetzt wurde. Die wurmartige Struktur der Polymerbürsten wurde in AFM-Aufnahmen gezeigt und eine hohe Kettensteifigkeit der Polymerbürsten über dynamische und statische Lichtstreuung nachgewiesen. Zirkulardichroismus-Messungen lieferten Informationen über struktur-, salz- und temperaturabhängige Veränderungen der Konformation. Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum bestätigten die erwartete Biokompatibilität.rnrnBasierend auf zwei Elastin-ähnlichen Polypeptiden mit ähnlicher Peptidsequenz wurden insgesamt vier unterschiedliche Makromonomere mit jeweils 20 Pentapeptid-Wiederholungseinheiten dargestellt. Über anschließende „grafting through“ Polymerisation entstanden molekulare Bürstenmoleküle mit variierenden externen funktionellen Gruppen, die für zukünftige Konjugationsreaktionen verwendet werden können. Der Einfluss von Ionenstärke und Temperatur auf die Konformation der Makromonomere und Polymere wurde mittels Zirkulardichroismus- und Trübungskurven-Messungen untersucht und ein starker Einfluss der hohen Seitenkettendichte auf das Verhalten der Polymerbürsten wurde festgestellt. Über dynamische Lichtstreuung konnte ein von den externen funktionellen Gruppen abhängiges Aggregationsverhalten in humanem Blutserum nachgewiesen werden.rnrnDie in dieser Arbeit synthetisierten Polymerbürsten mit peptidischen Seitenketten stellen damit biokompatible und vielversprechende Trägersysteme für die Konjugation mit Biomolekülen dar, die zukünftig als Drug Delivery-Systeme ihren Einsatz finden können.rn

Screening and prediction of erosive potential

The literature on the erosive potential of drinks and other products is summarised, and aspects of the conduct of screening tests as well as possible correlations of the erosive potential with various solution parameters are discussed. The solution parameters that have been suggested as important include pH, acid concentration (with respect to buffer capacity and concentration of undissociated acid), degree of saturation, calcium and phosphate concentrations, and inhibitors of erosion. Based on the available data, it is concluded that the dominant factor in erosion is pH. The effect of buffer capacity seems to be pH dependent. The degree of saturation probably has a non-linear relationship with erosion. While calcium at elevated concentrations is known to reduce erosion effectively, it is not known whether it is important at naturally occurring concentrations. Fluoride at naturally occurring concentrations is inversely correlated with erosive potential, but phosphate is probably not. Natural plant gums, notably pectin, do not inhibit erosion, so they are unlikely to interfere with the prediction of erosive potential. The non-linearity of some solution factors and interactions with pH need to be taken into account when developing multivariate models for predicting the erosive potential of different solutions. Finally, the erosive potential of solutions towards enamel and dentine might differ.

Adsorption behavior of redox-active suppressor additives: Combined electrochemical and STM studies

The redox chemistry and the related surface phase behavior of Safranine (SAF) and Janus Green B (JGB) have been studied by means of cyclic voltammetry in combination with in situ Scanning Tunneling Microscopy using HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) and single crystalline Cu(1 0 0) as model substrates, both revealing different widths of the accessible potential windows. JGB and SAF serve as prototypical heterocyclic suppressor/leveler additives that are used for the metallization of 3D-TSVs (3D Through Silicon Vias) following a classical "leveling" concept. SAF can be considered as the reductive decomposition product of JGB that is formed at the copper/electrolyte interface upon electroplating. Both additives reveal a pronounced pH-dependent redox-chemistry with redox-transitions lying close to or even beyond the anodic limit of the copper potential window. Affected by these redox-processes are in particular the aromatic cores of those heterocycles that can be (quasi)reversibly reduced by a two electron transfer process within the potential window of copper. Therefore we identify the reduced form of those dyes as the active components for the suppressing/leveling effect in copper plating. STM data clearly shows a dye surface phase behavior that is crucially determined by its potential-dependent redox-chemistry. This will be exemplarily discussed for the SAF dye. On chloride-modified Cu(1 0 0) mono-reduced SAF forms a structurally well-defined monolayer of cationic stacking polymers. However, this coupled anion/cation layer reveals only minor suppressing capabilities with respect to the copper dissolution and deposition processes. Complete reduction of the aromatic heterocycle finally leads to the 3D precipitation of hydrophobic reaction products. 3D clusters of this SAF precipitate are discussed as the active structural motif for the suppressing effect of these dyes. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Bacterial GDGTs in Holocene sediments and catchment soils of a high Alpine lake: application of the MBT/CBT-paleothermometer

A novel proxy for continental mean annual air temperature (MAAT) and soil pH, the MBT/CBT-paleothermometer, is based on the temperature (T) and pH-dependent distribution of specific bacterial membrane lipids (branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers – GDGTs) in soil organic matter. Here, we tested the applicability of the MBT/CBT-paleothermometer to sediments from Lake Cadagno, a high Alpine lake in southern Switzerland with a small catchment of 2.4 km2. We analysed the distribution of bacterial GDGTs in catchment soils and in a radiocarbon-dated sediment core from the centre of the lake, covering the past 11 000 yr. The distribution of bacterial GDGTs in the catchment soils is very similar to that in the lake's surface sediments, indicating a common origin of the lipids. Consequently, their transfer from the soils into the sediment record seems undisturbed, probably without any significant alteration of their distribution through in situ production in the lake itself or early diagenesis of branched GDGTs. The MBT/CBT-inferred MAAT estimates from soils and surface sediments are in good agreement with instrumental values for the Lake Cadagno region (~0.5 °C). Moreover, downcore MBT/CBT-derived MAAT estimates match in timing and magnitude other proxy-based T reconstructions from nearby locations for the last two millennia. Major climate anomalies recorded by the MBT/CBT-paleothermometer are, for instance, the Little Ice Age (~14th to 19th century) and the Medieval Warm Period (MWP, ~9th to 14th century). Together, our observations indicate the quantitative applicability of the MBT/CBT-paleothermometer to Lake Cadagno sediments. In addition to the MWP, our lacustrine paleo T record indicates Holocene warm phases at about 3, 5, 7 and 11 kyr before present, which agrees in timing with other records from both the Alps and the sub-polar North-East Atlantic Ocean. The good temporal match of the warm periods determined for the central Alpine region with north-west European winter precipitation strength implies a strong and far-reaching influence of the North Atlantic Oscillation on continental European T variations during the Holocene.

Benchmark problems for reactive transport modeling of the generation and attenuation of acid rock drainage

Acid rock drainage (ARD) is a problem of international relevance with substantial environmental and economic implications. Reactive transport modeling has proven a powerful tool for the process-based assessment of metal release and attenuation at ARD sites. Although a variety of models has been used to investigate ARD, a systematic model intercomparison has not been conducted to date. This contribution presents such a model intercomparison involving three synthetic benchmark problems designed to evaluate model results for the most relevant processes at ARD sites. The first benchmark (ARD-B1) focuses on the oxidation of sulfide minerals in an unsaturated tailing impoundment, affected by the ingress of atmospheric oxygen. ARD-B2 extends the first problem to include pH buffering by primary mineral dissolution and secondary mineral precipitation. The third problem (ARD-B3) in addition considers the kinetic and pH-dependent dissolution of silicate minerals under low pH conditions. The set of benchmarks was solved by four reactive transport codes, namely CrunchFlow, Flotran, HP1, and MIN3P. The results comparison focused on spatial profiles of dissolved concentrations, pH and pE, pore gas composition, and mineral assemblages. In addition, results of transient profiles for selected elements and cumulative mass loadings were considered in the intercomparison. Despite substantial differences in model formulations, very good agreement was obtained between the various codes. Residual deviations between the results are analyzed and discussed in terms of their implications for capturing system evolution and long-term mass loading predictions.

Characterization cement pastes degraded in lanoratory solutions and physiochemical parameters employed for modeling the process

Previously degradation studies carried out, over a number of different mortars by the research team, have shown that observed degradation does not exclusively depend on the solution equilibrium pH, nor the aggressive anions relative solubility. In our tests no reason was found that could allow us to explain, why same solubility anions with a lower pH are less aggressive than others. The aim of this paper is to study cement pastes behavior in aggressive environments. As observed in previous research, this cement pastes behaviors are not easily explained only taking into account only usual parameters, pH, solubility etc. Consequently the paper is about studying if solution physicochemical characteristics are more important in certain environments than specific pH values. The paper tries to obtain a degradation model, which starting from solution physicochemical parameters allows us to interpret the different behaviors shown by different composition cements. To that end, the rates of degradation of the solid phases were computed for each considered environment. Three cement have been studied: CEM I 42.5R/SR, CEM II/A-V 42.5R and CEM IV/B-(P-V) 32.5 N. The pastes have been exposed to five environments: sodium acetate/acetic acid 0.35 M, sodium sulfate solution 0.17 M, a solution representing natural water, saturated calcium hydroxide solution and laboratory environment. The attack mechanism was meant to be unidirectional, in order to achieve so; all sides of cylinders were sealed except from the attacked surface. The cylinders were taking out of the exposition environments after 2, 4, 7, 14, 30, 58 and 90 days. Both aggressive solution variations in solid phases and in different depths have been characterized. To each age and depth the calcium, magnesium and iron contents have been analyzed. Hydrated phases evolution studied, using thermal analysis, and crystalline compound changes, using X ray diffraction have been also analyzed. Sodium sulphate and water solutions stabilize an outer pH near to 8 in short time, however the stability of the most pH dependent phases is not the same. Although having similar pH and existing the possibility of forming a plaster layer near to the calcium leaching surface, this stability is greater than other sulphate solutions. Stability variations of solids formed by inverse diffusion, determine the rate of degradation.

The relationship between soil geochemistry and the bioaccessibility of trace elements in playground soil

A total of 32 samples of surficial soil were collected from 16 playground areas in Madrid (Spain), in order to investigate the importance of the geochemistry of the soil on subsequent bioaccessibility of trace elements. The in vitro bioaccessibility of As, Co, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn was evaluated by means of two extraction processes that simulate the gastric environment and one that reproduces a gastric + intestinal digestion sequence. The results of the in vitro bioaccessibility were compared against aqua regia extractions (“total” concentration), and it was found that total concentrations of As, Cu, Pb and Zn were double those of bioaccessible values, whilst that of Cr was ten times higher. Whereas the results of the gastric + intestinal extraction were affected by a high uncertainty, both gastric methods offered very similar and consistent results, with bioaccessibilities following the order: As = Cu = Pb = Zn > Co > Ni > Cr, and ranging from 63 to 7 %. Selected soil properties including pH, organic matter, Fe and CaCO3 content were determined to assess their influence on trace element bioaccessibility, and it was found that Cu, Pb and Zn were predominantly bound to organic matter and, to a lesser extent, Fe oxides. The former fraction was readily accessible in the gastric solution, whereas Fe oxides seemed to recapture negatively charged chloride complexes of these elements in the gastric solution, lowering their bioaccessibility. The homogeneous pH of the playground soils included in the study does not influence trace element bioaccessibility to any significant extent except for Cr, where the very low gastric accessibility seems to be related to the strongly pH-dependent formation of complexes with organic matter. The results for As, which have been previously described and discussed in detail in Mingot et al. (Chemosphere 84: 1386–1391, 2011), indicate a high gastric bioaccessibility for this element as a consequence of its strong association with calcium carbonate and the ease with which these bonds are broken in the gastric solution. The calculation of risk assessments are therefore dependant on the methodology used and the specific environment they address. This has impacts on management strategies formulated to ensure that the most vulnerable of society, children, can live and play without adverse consequences to their health.

The C terminus of β-tubulin regulates vinblastine-induced tubulin polymerization

Oligoanions such as sodium triphosphate or GTP prevent and/or reverse vinblastine-induced polymerization of tubulin. We now show that the anions of glutamate-rich extreme C termini of tubulin are similarly involved in the regulation of the vinblastine effect. Cleavage of the C termini by limited proteolysis with subtilisin enhances vinblastine-induced tubulin polymerization and abolishes the anion effect. Only the β-tubulin C terminus needs to be removed to achieve these changes and the later cleavage of the α-tubulin C terminus has little additional effect. In fact, vinblastine concentrations >20 μM block cleavage of the α-tubulin C terminus in the polymer, whereas cleavage of the β-tubulin C terminus proceeds unimpeded over the time used. The vinblastine effect on tubulin polymerization is also highly pH-dependent between pH 6.5 and 7.5; this is less marked, but not absent, after subtilisin treatment. A working model is proposed wherein an anionic domain proximal to the extreme C terminus must interact with a cationic domain to permit vinblastine to promote polymerization. Both exogenous and extreme C-terminal anions compete for the cationic domain with the proximal anionic domain to prevent vinblastine-induced polymerization. We conclude that the electrostatic regulation of tubulin polymerization induced by vinblastine resides primarily in the β-tubulin C terminus but that additional regulation proximal in the tubulin molecule also plays a role.

Comparison of the ion channel characteristics of proapoptotic BAX and antiapoptotic BCL-2

The BCL-2 family of proteins is composed of both pro- and antiapoptotic regulators, although its most critical biochemical functions remain uncertain. The structural similarity between the BCL-XL monomer and several ion-pore-forming bacterial toxins has prompted electrophysiologic studies. Both BAX and BCL-2 insert into KCl-loaded vesicles in a pH-dependent fashion and demonstrate macroscopic ion efflux. Release is maximum at ≈pH 4.0 for both proteins; however, BAX demonstrates a broader pH range of activity. Both purified proteins also insert into planar lipid bilayers at pH 4.0. Single-channel recordings revealed a minimal channel conductance for BAX of 22 pS that evolved to channel currents with at least three subconductance levels. The final, apparently stable BAX channel had a conductance of 0.731 nS at pH 4.0 that changed to 0.329 nS when shifted to pH 7.0 but remained mildly Cl− selective and predominantly open. When BAX-incorporated lipid vesicles were fused to planar lipid bilayers at pH 7.0, a Cl−-selective (PK/PCl = 0.3) 1.5-nS channel displaying mild inward rectification was noted. In contrast, BCL-2 formed mildly K+-selective (PK/PCl = 3.9) channels with a most prominent initial conductance of 80 pS that increased to 1.90 nS. Fusion of BCL-2-incorporated lipid vesicles into planar bilayers at pH 7.0 also revealed mild K+ selectivity (PK/PCl = 2.4) with a maximum conductance of 1.08 nS. BAX and BCL-2 each form channels in artificial membranes that have distinct characteristics including ion selectivity, conductance, voltage dependence, and rectification. Thus, one role of these molecules may include pore activity at selected membrane sites.

Direct molecular level measurements of the electrostatic properties of a protein surface

In this work, we used direct measurements with the surface force apparatus to determine the pH-dependent electrostatic charge density of a single binding face of streptavidin. Mean field calculations have been used with considerable success to model electrostatic potential fields near protein surfaces, but these models and their inherent assumptions have not been tested directly at the molecular level. Using the force apparatus and immobilized, oriented monolayers of streptavidin, we measured a pI of 5–5.5 for the biotin-binding face of the protein. This differs from the pI of 6.3 for the soluble protein and confirms that we probed the local electrostatic features of the macromolecule. With finite difference solutions of the linearized Poisson–Boltzmann equation, we then calculated the pH-dependent charge densities adjacent to the same face of the protein. These calculated values agreed quantitatively with those obtained by direct force measurements. Although our study focuses on the pH-dependence of surface electrostatics, this direct approach to probing the electrostatic features of proteins is applicable to investigations of any perturbations that alter the charge distribution of the surfaces of immobilized molecules.

Dynamics of fluorescence fluctuations in green fluorescent protein observed by fluorescence correlation spectroscopy

We have investigated the pH dependence of the dynamics of conformational fluctuations of green fluorescent protein mutants EGFP (F64L/S65T) and GFP-S65T in small ensembles of molecules in solution by using fluorescence correlation spectroscopy (FCS). FCS utilizes time-resolved measurements of fluctuations in the molecular fluorescence emission for determination of the intrinsic dynamics and thermodynamics of all processes that affect the fluorescence. Fluorescence excitation of a bulk solution of EGFP decreases to zero at low pH (pKa = 5.8) paralleled by a decrease of the absorption at 488 nm and an increase at 400 nm. Protonation of the hydroxyl group of Tyr-66, which is part of the chromophore, induces these changes. When FCS is used the fluctuations in the protonation state of the chromophore are time resolved. The autocorrelation function of fluorescence emission shows contributions from two chemical relaxation processes as well as diffusional concentration fluctuations. The time constant of the fast, pH-dependent chemical process decreases with pH from 300 μs at pH 7 to 45 μs at pH 5, while the time-average fraction of molecules in a nonfluorescent state increases to 80% in the same range. A second, pH-independent, process with a time constant of 340 μs and an associated fraction of 13% nonfluorescent molecules is observed between pH 8 and 11, possibly representing an internal proton transfer process and associated conformational rearrangements. The FCS data provide direct measures of the dynamics and the equilibrium properties of the protonation processes. Thus FCS is a convenient, intrinsically calibrated method for pH measurements in subfemtoliter volumes with nanomolar concentrations of EGFP.