Photo- and redox-active supramolecular systems containing metal complexes

The aim of this Ph.D. project has been the photophysical and photochemical characterization of new photo- and redox-active supramolecular systems. In particular we studied two different classes of compounds: metal complexes and dendrimers. Two different families of bis-cyclometalated neutral Ir(III) complexes are presented and their photophysical properties are discussed. The first family of complexes contains two 2-phenylpyridyl (ppy) or 2-(4,6-difluorophenyl)pyridyl (F2ppy) cyclometalated ligands and an ancillary ligand constituted by a phenol-oxazoline (phox), which can be substituted in the third position with a fluorine group (Fphox). In the second part of this study, we present another family of bis-cyclometalated Ir(III) complexes in which the ancillary ligand could be a chiral or an achiral bis-oxazoline (box). We report on their structural, electrochemical, photophysical, and photochemical properties. Complexes containing phox and Fphox ancillary ligands show blue luminescence with very high quantum yield, while complexes with box ligands do not show particularly interesting photophysical properties. Surprisingly these complexes give an unexpected photoreaction when irradiated with UV light in presence of dioxygen. This photoreaction originates a stable, strong blue emitting and particularly interesting photoproduct. Three successive generations of a family of polyethyleneglycol (PEG)-coated Pd(II) tetrabenzoporphyrin (PdTBP)-based dendritic nanoprobes are presented, and their ability to sensitize singlet oxygen and inflict cellular photodamage are discussed. It was found that the size of the dendrimer has practically no effect on the singlet oxygen sensitization efficiency, that approximate the unity, in spite of the strong attenuation of the triplet quenching rate with an increase in the dendrimer generation. Nevertheless, when compared against a commonly used singlet oxygen sensitizer, as Photofrin, the phosphorescent probes were found to be non-phototoxic. The lack of phototoxicity is presumably due to the inability of PEGylated probes to associate with cell surfaces and/or penetrate cellular membranes. The results suggest that protected phosphorescent probes can be safely used for oxygen measurements in biological systems in vivo. A new family of two photoswitchable (G0(Azo) and G1(Azo)) dendrimers with an azobenzene core, two cyclam units as coordination sites for metal ions, and luminescent naphthalene units at the periphery have been characterized and their coordination abilities have been studied. Because of their proximity, the various functional groups of the dendrimer may interact, so that the properties of the dendrimers are different from those exhibited by the separated functional units. Both the naphthalene fluorescence and the azobenzene photoisomerization can be observed in the dendrimer, but it has been shown that (i) the fluorescent excited state of the naphthalene units is substantially quenched by excimer and exciplex formation and by energy transfer to the azobenzene units, and (ii) in the latter case the fluorescence quenching is accompanied by the photosensitized isomerization of the trans → cis, and, with higher efficiency, the cis → trans reaction. Complexation of these dendrimers, both trans and cis isomers, with Zn(II) ions shows that complexes of 1:1 and 2:1 metal per dendrimer stoichiometry are formed showing different photophysical and photochemical properties compared to the corresponding free ligands. Practically unitary efficiency of the sensitized isomerization of trans → cis and cis → trans reaction is observed, as well as a slight increase in the naphthalene monomer emission. These results are consistent with the coordination of the cyclam amine units with Zn(II), which prevents exciplex formation. No indication of a concomitant coordination of both cyclam to a single metal ion has been obtained both for trans and cis isomer.

ROS generate dalle NAD(P)H ossidasi nella segnalazione redox in linee cellulari leucemiche

Discovery of the Nox family has led to the concept that ROS are “intentionally” generated and are biologically functional in various cell types. Over the last decades, ROS have been shown to be involved in several physiological and pathological processes and ROS producing enzymes have been suggested as a target for drug development. The mechanism involved in the prosurvival effect of cytokines on the human acute myeloid leukaemia cell lines M07e and B1647 is investigated. A decrease in intracellular reactive oxygen species (ROS) content, glucose transport activity and cell survival was observed in the presence of inhibitors of plasma membrane ROS sources, such as DPI and apocynin, and by small interference RNA for NOX2 in M07e cells. Furthermore, Nox generated ROS are required to sustain B1647 cell viability and proliferation; in fact, antioxidants such as EUK-134 or Nox inhibitors and siRNA direct cells to apoptotic cell death, suggesting that manipulation of cellular NOX2 and NOX4 could affect survival of leukemic cells. Moreover, hydrogen peroxide has been long thought to be freely diffusible but recent evidence suggest that specific mammalian aquaporin homologues (AQP8) possess the capacity to channel H2O2 across membrane. In this thesis is shown that inhibition of aquaporins diminishes intracellular ROS accumulation either when H2O2 is produced by Nox enzymes or when is added exogenously to the medium. These data suggest that specific inhibition of Nox enzymes and AQP8 could be an interesting novel anti-leukemic strategy.

Elektrochemisch gesteuerte zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie an Redox-Membranproteinen in einer biomimetischen Membran-Architektur

Das Protein Cytochrom c Oxidase (CcO) ist ein Enzym der mitochondrialen Atmungskette. Als letzter Komplex (Komplex IV) einer Elektronentransportkette katalysiert sie die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser. Hierbei werden Elektronen von Cytochrom c (Cc) in das Enzym geleitet. Die durch den Redoxprozess freiwerdende freie Enthalpie wird dazu genutzt, einen Protonengradienten über die innere Mitochondrien-Membran aufzubauen. Die zurückwandernden Protonen treiben in der ATP-Synthase die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) an, dem universellen Energieträger in lebenden Organismen. Gegenstand dieser Dissertation sind zeitaufgelöste ATR-FTIR-Messungen des direkten Elektronentransfers in die CcO. Das Protein wird hierzu orientiert auf einer Goldelektrode immobilisiert und in eine künstliche Membran rekonstituiert (Protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM). Das ptBLM-System wird hinsichtlich einer möglichst hohen Protein-Aktivität optimiert. Elektronen werden durch elektrochemische Anregung von der Elektrode in die CcO injiziert. Die Goldoberfläche wird auf die reflektierende Oberfläche eines Silizium-ATR-Kristalls aufgebracht. Durch die Präparation einer rauen Oberfläche (RMS-Rauigkeit ca. 5 nm) wird eine Verstärkung der IR-Absorption erreicht. Die mit den Ladungstransferprozessen einhergehenden Konformationsänderungen der die Redoxzentren umgebenden Gruppen (CONH-Gerüst und Aminosäure-Seitenketten) können durch Infrarot-Spektroskopie nachgewiesen werden. Phasensensitive Detektion (PSD) wird zur Rauschminderung eingesetzt, um Geschwindigkeitskonstanten für die Redox-Übergänge zu bestimmen. Im Bereich der Amid-I-Bande werden etliche Peaks identifiziert, die sich mit dem Redoxzustand des Proteins ändern. Für das CuA-Zentrum, welches als erstes der vier Redoxzentren der CcO reduziert wird, wird die schnellste Geschwindigkeitskonstante ks=4870/s ermittelt. Für das Häm a3-Zentrum wird eine Geschwindigkeitskonstante von ks=13,8/s ermittelt. Die Ergebnisse sind konsistent zu elektrochemischen und Raman-Spektroskopie-Experimenten, welche ebenfalls in unserer Gruppe durchgeführt wurden. Weitere Themen dieser Dissertation sind der Nachweis der Anwendbarkeit des ptBLM-Systems für andere Membranproteine (Beispiel: bakterielles photosynthetisches Reaktionszentrum) und der Einsatz des ATR-FTIR-Setups für verschiedene künstliche Membransysteme (Aktivitätsnachweis des OR5-Geruchsrezeptors in einer peptidgestützten Membran, Eigenschaften eines Oligoethylenglycol-Spacers).

Spektroelektrochemische Untersuchungen mittels oberflächenverstärkter Infrarotabsorptionsspektroskopie (SEIRAS) an Multi-Redox-Center-Proteinen in einer biomimetischen Membranumgebung

Die optische Eigenschaften sowie der Oberflächenverstärkungseffekt von rauen Metalloberflächen sowie Nanopartikeln wurden intensiv für den infraroten Bereich des Spektrums in der Literatur diskutiert. Für die Präparation solcher Oberflächen gibt es prinzipiell zwei verschiedene Strategien, zum einen können die Nanopartikel zuerst ex-situ synthetisiert werden, der zweite Ansatz beruht darauf, dass die Nanopartikel in-situ hergestellt und aufgewachsen werden. Hierbei wurden beide Ansätze ausgetestet, dabei stellte sich heraus, dass man nur mittels der in-situ Synthese der Goldnanopartikel in der Lage ist nanostrukturierte Oberflächen zu erhalten, welche elektronisch leitfähig sind, nicht zu rau sind, um eine Membranbildung zu ermöglichen und gleichzeitig einen optimalen Oberflächenverstärkungseffekt zeigen. Obwohl keine ideale Form der Nanopartikel mittels der in-situ Synthese erhalten werden können, verhalten sich diese dennoch entsprechend der Theorie des Oberflächenverstärkungseffekts. Optimierungen der Form und Grösse der Nanopartikel führten in dieser Arbeit zu einer Optimierung des Verstärkungseffekts. Solche optimierten Oberflächen konnten einfach reproduziert werden und zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus. Der so erhaltene Oberflächenverstärkungseffekt beträgt absolut 128 verglichen mit dem belegten ATR-Kristall ohne Nanopartikel oder etwa 6 mal, verglichen mit der Oberfläche, die bis jetzt auch in unserer Gruppe verwendet wurde. Daher können nun Spektren erhalten werden, welche ein deutlich besseres Signal zu Rauschverhältnis (SNR) aufweisen, was die Auswertung und Bearbeitung der erhaltenen Spektren deutlich vereinfacht und verkürzt.rnNach der Optimierung der verwendeten Metalloberfläche und der verwendeten Messparameter am Beispiel von Cytochrom C wurde nun an der Oberflächenbelegung der deutlich größeren Cytochrom c Oxidase gearbeitet. Hierfür wurde der DTNTA-Linker ex-situ synthetisiert. Anschließend wurden gemischte Monolagen (self assembeld monolayers) aus DTNTA und DTP hergestellt. Die NTA-Funktionalität ist für die Anbindung der CcO mit der his-tag Technologie verantwortlich. Die Kriterien für eine optimale Linkerkonzentration waren die elektrischen Parameter der Schicht vor und nach Rekonstitution in eine Lipidmembran, sowie Elektronentransferraten bestimmt durch elektrochemische Messungen. Erst mit diesem optimierten System, welches zuverlässig und reproduzierbar funktioniert, konnten weitere Messungen an der CcO begonnen werden. Aus elektrochemischen Messungen war bekannt, dass die CcO durch direkten Elektronentransfer unter Sauerstoffsättigung in einen aktivierten Zustand überführt werden kann. Dieser aktivierte Zustand zeichnet sich durch eine Verschiebung der Redoxpotentiale um etwa 400mV gegenüber dem aus Gleichgewichts-Titrationen bekannten Redoxpotential aus. Durch SEIRAS konnte festgestellt werden, dass die Reduktion bzw. Oxidation aller Redoxzentren tatsächlich bei den in der Cyclovoltammetrie gemessenen Potentialen erfolgt. Außerdem ergaben die SEIRA-Spektren, dass durch direkten Elektronentransfer gravierende Konformationsänderungen innerhalb des Proteins stattfinden. rnBisher war man davon ausgegangen, aufgrund des Elektronentransfers mittels Mediatoren, dass nur minimale Konformationsänderungen beteiligt sind. Vor allem konnte erstmaligrnder aktivierte und nicht aktivierte Zustand der Cytochrom c Oxidase spektroskopisch nachweisen werden.rn

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.

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.