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.

Synthesis, structures, redox and photophysical properties of benzodifuran-functionalised pyrene and anthracene fluorophores

Benzodifuran-functionalised pyrene and anthracene fluorophores 1 and 2 were obtained in reasonable yields. Their single crystal structures, electrochemical, optical absorption, and fluorescence characteristics have been described. They show strong luminescence with high quantum yields of 0.53 for 1 and 0.48 for 2.

Redox-Switching in a Viologen-type Adlayer: An Electrochemical Shell-Isolated Nanoparticle Enhanced Raman Spectroscopy Study on Au(111)-(1 x 1) Single Crystal Electrodes

We reported the first application of in situ shell-isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopy (SHINERS) to an interfacial redox reaction under electrochemical conditions. We construct gap-mode sandwich structures composed of a thiol-terminated HS-6V6H viologen adlayer immobilized on a single crystal Au(111)-(1x1) electrode and covered by Au(60 nm)@SlO(2) core shell nanoparticles acting as plasmonic antennas. We observed high-quality, potential-dependent Raman spectra of the three viologen species V(2+),V(+center dot) and V(0) on a well-defined Au(111) substrate surface and could map their potential-dependent evolution. Comparison with experiments on powder samples revealed an enhancement factor of the nonresonant Raman modes of similar to 3 x 10(5), and up to 9 x 10(7) for the resonance modes. The study illustrates the unique capability of SHINERS and its potential in the entire field of electrochemical surface science to explore structures and reaction pathways on well-defined substrate surfaces, such as single crystals, for molecular, (electro-)- catalytic, bioelectrochemical systems up to fundamental double layer studies at electrified solid/liquid interfaces.

Structural aspects of redox-mediated electron tunneling (Dedicated to the memory of professor Alexander M. Kuznetsov)

We investigated structural aspects of electron transfer (ET) in tunneling junctions (Au(1 1 1)vertical bar FcN vertical bar solution gap vertical bar Au STM tip) with four different redox-active N-thioalk(ano)ylferrocenes (FcN) embedded. The investigated molecules consist of a redox-active ferrocene (Fc) moiety connected via alkyl spacers with N = 4, 6, 8 and 11 carbon atoms to a thiol anchoring group. We found that for short FcNs (N = 4, 6,8) the redox-mediated ET response increases with the increase of the alkyl chain length, while no enhancement of the ET was observed for Fc1 1. The model of two-step ET with partial vibrational relaxation by Kuznetsov and Ulstrup was used to rationalize these results. The theoretical ET steps were assigned to two processes: (1) electron tunneling from the Fc group to the Au tip through the electrolyte layer and (2) electron transport from the Au(1 1 1) substrate to the Fc group through the organic adlayer. We argue that for the three short FcNs, the first process represents the rate-limiting step. The increase of the length of the alkyl chain leads to an approach of the Fc group to the STM tip, and consequently accelerates the first El' step. In case of the Fcl 1 junctions the rather high thickness of the organic layer leads to a decrease of the rate of the second ET step. In consequence, the contribution of the redox-mediated current enhancement to the total tunneling current appears to be insignificant. Our work demonstrates the importance of combined structural and transport approaches for the understanding of Er processes in electrochemical nanosystems. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Exploratory studies on coordination chemistry of a redox-active bridging ligand: synthesis, properties and solid state structures of the complexes

The explorative coordination chemistry of the bridging ligand TTF-PPB is presented. Its strong binding ability to Co(II) and then to Ni(II) or Cu(II) in the presence of hexafluoroacetylacetonate (hfac(-)), forming new mono-and dinuclear complexes 1-3, is described. X-ray crystallographic studies have been conducted in the case of the free ligand TTF-PPB as well as its complexes [Co(TTF-PPB)(hfac)(2)] (1) and [Co(hfac)(2)(mu-TTF-PPB)Ni(hfac)(2)] (2). Each metal ion is bonded to two bidentate hfac-anions through their oxygen atoms and two nitrogen atoms of the PPB moiety with a distorted octahedral coordination geometry. Specifically, nitrogen donor atoms of TTF-PPB adopt a cis-coordination but not in the equatorial plane, which is quite rare. Electronic absorption, photoinduced intraligand charge transfer ((1)ILCT), and electrochemical behaviour of 1-3 have been investigated. UV-Vis spectroscopy shows very strong bands in the UV region consistent with ligand centred pi-pi* transitions and an intense broad band in the visible region corresponding to a spin-allowed pi-pi* (1)ILCT transition. Upon coordination, the (1)ILCT band is bathochromically shifted by 3100, 6100 and 5900 cm(-1) on going from 1 to 3. The electrochemical studies reveal that all of them undergo two reversible oxidation and one reversible reduction processes, ascribed to the successive oxidations of the TTF moiety and the reduction of the PPB unit, respectively.