Development of biogenic VOC emission inventories for the boreal forest

Luonnosta haihtuvat orgaaniset yhdisteet, joita pääsee ilmaan etenkin metsistä, voivat vaikuttaa paikalliseen ja alueelliseen ilmanlaatuun, koska ne reagoivat ilmakehässä. Niiden reaktiotuotteet voivat myös osallistua uusien hiukkasten muodostumiseen ja kasvuun, millä voi olla vaikutusta ilmakehän säteilytaseeseen ja tätä kautta myös ilmastoon. Hiukkaset absorboivat ja sirottavat auringon säteilyä ja maapallon lämpösäteilyä minkä lisäksi ne vaikuttavat pilvien säteilyominaisuuksiin, määrään ja elinikään. Koko maapallon mittakaavassa luonnosta tulevat hiilivetypäästöt ylittävät ihmistoiminnan aiheuttamat päästöt moninkertaisesti. Tämän vuoksi luonnon päästöjen arviointi on tärkeää kun halutaan kehittää tehokkaita ilmanlaatu- ja ilmastostrategioita. Tämä tutkimus käsittelee boreaalisen metsän hiilivetypäästöjä. Boreaalinen metsä eli pohjoinen havumetsä on suurin maanpäällinen ekosysteemi, ja se ulottuu lähes yhtenäisenä nauhana koko pohjoisen pallonpuoliskon ympäri. Sille on tyypillistä puulajien suhteellisen pieni kirjo sekä olosuhteiden ja kasvun voimakkaat vuodenaikaisvaihtelut. Työssä on tutkittu Suomen yleisimmän boreaalisen puun eli männyn hiilivetypäästöjen vuodenaikaisvaihtelua sekä päästöjen riippuvuutta lämpötilasta ja valosta. Saatuja tuloksia on käytetty yhdessä muiden boreaalisilla puilla tehtyjen päästömittaustulosten kanssa Suomen metsiä varten kehitetyssä päästömallissa. Malli perustuu lisäksi maankäyttötietoihin, suomen metsille kehitettyyn luokitukseen ja meteorologisiin tietoihin, joiden avulla se laskee metsien hiilivetypäästöt kasvukauden aikana. Suomen metsien päästöt koostuvat koko kasvukauden ajan suurelta osin alfa- ja beta-pineenistä sekä delta-kareenista. Kesällä ja syksyllä päästöissä on myös paljon sabineenia, jota tulee etenkin lehtipuista. Päästöt seuraavat lämpötilan keskimääräistä vaihtelua, ovat suurimmillaan maan eteläosissa ja laskevat tasaisesti pohjoiseen siirryttäessä. Metsän isopreenipäästö on suhteellisen pieni – Suomessa tärkein isopreeniä päästävä puu on vähäpäästöinen kuusi, koska runsaspäästöisten pajun ja haavan osuus metsän lehtimassasta on hyvin pieni. Tässä työssä on myös laskettu ensimmäinen arvio metsän seskviterpeenipäästöistä. Seskviterpeenipäästöt alkavat Juhannuksen jälkeen ja ovat kasvukauden aikana samaa suuruusluokkaa kuin isopreenipäästöt. Vuositasolla Suomen metsien hiilivetypäästöt ovat noin kaksinkertaiset ihmistoiminnasta aiheutuviin päästöihin verrattuna.

Analysis of Atmospheric Particle Formation Events

Atmospheric aerosol particle formation events can be a significant source for tropospheric aerosols and thus influence the radiative properties and cloud cover of the atmosphere. This thesis investigates the analysis of aerosol size distribution data containing particle formation events, describes the methodology of the analysis and presents time series data measured inside the Boreal forest. This thesis presents a methodology to identify regional-scale particle formation, and to derive the basic characteristics such as growth and formation rates. The methodology can also be used to estimate concentration and source rates of the vapour causing particle growth. Particle formation was found to occur frequently in the boreal forest area over areas covering up to hundreds of kilometers. Particle formation rates of boreal events were found to be of the order of 0.01-5 cm^-3 s^-1, while the nucleation rates of 1 nm particles can be a few orders of magnitude higher. The growth rates of over 3 nm sized particles were of the order of a few nanometers per hour. The vapor concentration needed to sustain such growth is of the order of 10^7--10^8 cm^-3, approximately one order of magnitude higher than sulphuric acid concentrations found in the atmosphere. Therefore, one has to assume that other vapours, such as organics, have a key role in growing newborn particles to sizes where they can become climatically active. Formation event occurrence shows a clear annual variation with peaks in summer and autumns. This variation is similar to the variation exhibited the obtained formation rates of particles. The growth rate, on the other hand, reaches its highest values during summer. This difference in the annual behavior, and the fact that no coupling between the growth and formation process could be identified, suggest that these processes might be different ones, and that both are needed for a particle formation burst to be observed.

Measurements of Volatile Organic Compounds - from Biogenic Emissions to Concentrations in Ambient Air

Volatile organic compounds (VOCs) affect atmospheric chemistry and thereafter also participate in the climate change in many ways. The long-lived greenhouse gases and tropospheric ozone are the most important radiative forcing components warming the climate, while aerosols are the most important cooling component. VOCs can have warming effects on the climate: they participate in tropospheric ozone formation and compete for oxidants with the greenhouse gases thus, for example, lengthening the atmospheric lifetime of methane. Some VOCs, on the other hand, cool the atmosphere by taking part in the formation of aerosol particles. Some VOCs, in addition, have direct health effects, such as carcinogenic benzene. VOCs are emitted into the atmosphere in various processes. Primary emissions of VOC include biogenic emissions from vegetation, biomass burning and human activities. VOCs are also produced in secondary emissions from the reactions of other organic compounds. Globally, forests are the largest source of VOC entering the atmosphere. This thesis focuses on the measurement results of emissions and concentrations of VOCs in one of the largest vegetation zones in the world, the boreal zone. An automated sampling system was designed and built for continuous VOC concentration and emission measurements with a proton transfer reaction - mass spectrometer (PTR-MS). The system measured one hour at a time in three-hourly cycles: 1) ambient volume mixing-ratios of VOCs in the Scots-pine-dominated boreal forest, 2) VOC fluxes above the canopy, and 3) VOC emissions from Scots pine shoots. In addition to the online PTR-MS measurements, we determined the composition and seasonality of the VOC emissions from a Siberian larch with adsorbent samples and GC-MS analysis. The VOC emissions from Siberian larch were reported for the fist time in the literature. The VOC emissions were 90% monoterpenes (mainly sabinene) and the rest sesquiterpenes (mainly a-farnesene). The normalized monoterpene emission potentials were highest in late summer, rising again in late autumn. The normalized sesquiterpene emission potentials were also highest in late summer, but decreased towards the autumn. The emissions of mono- and sesquiterpenes from the deciduous Siberian larch, as well as the emissions of monoterpenes measured from the evergreen Scots pine, were well described by the temperature-dependent algorithm. In the Scots-pine-dominated forest, canopy-scale emissions of monoterpenes and oxygenated VOCs (OVOCs) were of the same magnitude. Methanol and acetone were the most abundant OVOCs emitted from the forest and also in the ambient air. Annually, methanol and mixing ratios were of the order of 1 ppbv. The monoterpene and sum of isoprene 2-methyl-3-buten-2-ol (MBO) volume mixing-ratios were an order of magnitude lower. The majority of the monoterpene and methanol emissions from the Scots-pinedominated forest were explained by emissions from Scots pine shoots. The VOCs were divided into three classes based on the dynamics of the summer-time concentrations: 1) reactive compounds with local biological, anthropogenic or chemical sources (methanol, acetone, butanol and hexanal), 2) compounds whose emissions are only temperaturedependent (monoterpenes), 3) long-lived compounds (benzene, acetaldehyde). Biogenic VOC (methanol, acetone, isoprene MBO and monoterpene) volume mixing-ratios had clear diurnal patterns during summer. The ambient mixing ratios of other VOCs did not show this behaviour. During winter we did not observe systematical diurnal cycles for any of the VOCs. Different sources, removal processes and turbulent mixing explained the dynamics of the measured mixing-ratios qualitatively. However, quantitative understanding will require longterm emission measurements of the OVOCs and the use of comprehensive chemistry models. Keywords: Hydrocarbons, VOC, fluxes, volume mixing-ratio, boreal forest

Mass spectrometry and n-in-one analytics in early drug discovery: Combinatorial chemistry libraries, lipophilicity and absorption screening

This thesis describes current and past n-in-one methods and presents three early experimental studies using mass spectrometry and the triple quadrupole instrument on the application of n-in-one in drug discovery. N-in-one strategy pools and mix samples in drug discovery prior to measurement or analysis. This allows the most promising compounds to be rapidly identified and then analysed. Nowadays properties of drugs are characterised earlier and in parallel with pharmacological efficacy. Studies presented here use in vitro methods as caco-2 cells and immobilized artificial membrane chromatography for drug absorption and lipophilicity measurements. The high sensitivity and selectivity of liquid chromatography mass spectrometry are especially important for new analytical methods using n-in-one. In the first study, the fragmentation patterns of ten nitrophenoxy benzoate compounds, serial homology, were characterised and the presence of the compounds was determined in a combinatorial library. The influence of one or two nitro substituents and the alkyl chain length of methyl to pentyl on collision-induced fragmentation was studied, and interesting structurefragmentation relationships were detected. Two nitro group compounds increased fragmentation compared to one nitro group, whereas less fragmentation was noted in molecules with a longer alkyl chain. The most abundant product ions were nitrophenoxy ions, which were also tested in the precursor ion screening of the combinatorial library. In the second study, the immobilized artificial membrane chromatographic method was transferred from ultraviolet detection to mass spectrometric analysis and a new method was developed. Mass spectra were scanned and the chromatographic retention of compounds was analysed using extract ion chromatograms. When changing detectors and buffers and including n-in-one in the method, the results showed good correlation. Finally, the results demonstrated that mass spectrometric detection with gradient elution can provide a rapid and convenient n-in-one method for ranking the lipophilic properties of several structurally diverse compounds simultaneously. In the final study, a new method was developed for caco-2 samples. Compounds were separated by liquid chromatography and quantified by selected reaction monitoring using mass spectrometry. This method was used for caco-2 samples, where absorption of ten chemically and physiologically different compounds was screened using both single and nin- one approaches. These three studies used mass spectrometry for compound identification, method transfer and quantitation in the area of mixture analysis. Different mass spectrometric scanning modes for the triple quadrupole instrument were used in each method. Early drug discovery with n-in-one is area where mass spectrometric analysis, its possibilities and proper use, is especially important.

11β-Hydroxysteroid dehydrogenase inhibitors and selectivity modeling of 11β-HSDs

11β-hydroksisteroididehydrogenaasientsyymit (11β-HSD) 1 ja 2 säätelevät kortisonin ja kortisolin määrää kudoksissa. 11β-HSD1 -entsyymin ylimäärä erityisesti viskeraalisessa rasvakudoksessa aiheuttaa metaboliseen oireyhtymän klassisia oireita, mikä tarjoaa mahdollisuuden metabolisen oireyhtymän hoitoon 11β-HSD1 -entsyymin selektiivisellä estämisellä. 11β-HSD2 -entsyymin inhibitio aiheuttaa kortisonivälitteisen mineralokortikoidireseptorien aktivoitumisen, mikä puolestaan johtaa hypertensiivisiin haittavaikutuksiin. Haittavaikutuksista huolimatta 11β-HSD2 -entsyymin estäminen saattaa olla hyödyllistä tilanteissa, joissa halutaan nostaa kortisolin määrä elimistössä. Lukuisia selektiivisiä 11β-HSD1 inhibiittoreita on kehitetty, mutta 11β-HSD2-inhibiittoreita on raportoitu vähemmän. Ero näiden kahden isotsyymin aktiivisen kohdan välillä on myös tuntematon, mikä vaikeuttaa selektiivisten inhibiittoreiden kehittämistä kummallekin entsyymille. Tällä työllä oli kaksi tarkoitusta: (1) löytää ero 11β-HSD entsyymien välillä ja (2) kehittää farmakoforimalli, jota voitaisiin käyttää selektiivisten 11β-HSD2 -inhibiittoreiden virtuaaliseulontaan. Ongelmaa lähestyttiin tietokoneavusteisesti: homologimallinnuksella, pienmolekyylien telakoinnilla proteiiniin, ligandipohjaisella farmakoforimallinnuksella ja virtuaaliseulonnalla. Homologimallinnukseen käytettiin SwissModeler -ohjelmaa, ja luotu malli oli hyvin päällekäinaseteltavissa niin templaattinsa (17β-HSD1) kuin 11β-HSD1 -entsyymin kanssa. Eroa entsyymien välillä ei löytynyt tarkastelemalla päällekäinaseteltuja entsyymejä. Seitsemän yhdistettä, joista kuusi on 11β-HSD2 -selektiivisiä, telakoitiin molempiin entsyymeihin käyttäen ohjelmaa GOLD. 11β-HSD1 -entsyymiin yhdisteet kiinnittyivät kuten suurin osa 11β-HSD1 -selektiivisistä tai epäselektiivisistä inhibiittoreista, kun taas 11β-HSD2 -entsyymiin kaikki yhdisteet olivat telakoituneet käänteisesti. Tällainen sitoutumistapa mahdollistaa vetysidokset Ser310:een ja Asn171:een, aminohappoihin, jotka olivat nähtävissä vain 11β-HSD2 -entsyymissä. Farmakoforimallinnukseen käytettiin ohjelmaa LigandScout3.0, jolla ajettiin myös virtuaaliseulonnat. Luodut kaksi farmakoforimallia, jotka perustuivat aiemmin telakointiinkin käytettyihin kuuteen 11β-HSD2 -selektiiviseen yhdisteeseen, koostuivat kuudesta ominaisuudesta (vetysidosakseptori, vetysidosdonori ja hydrofobinen), ja kieltoalueista. 11β-HSD2 -selektiivisyyden kannalta tärkeimmät ominaisuudet ovat vetysidosakseptori, joka voi muodostaa sidoksen Ser310 kanssa ja vetysidosdonori sen vieressä. Tälle vetysidosdonorille ei löytynyt vuorovaikutusparia 11β-HSD2-mallista. Sopivasti proteiiniin orientoitunut vesimolekyyli voisi kuitenkin olla sopiva ratkaisu puuttuvalle vuorovaikutusparille. Koska molemmat farmakoforimallit löysivät 11β-HSD2 -selektiivisiä yhdisteitä ja jättivät epäselektiivisiä pois testiseulonnassa, käytettiin molempia malleja Innsbruckin yliopistossa säilytettävistä yhdisteistä (2700 kappaletta) koostetun tietokannan seulontaan. Molemmista seulonnoista löytyneistä hiteistä valittiin yhteensä kymmenen kappaletta, jotka lähetettiin biologisiin testeihin. Biologisien testien tulokset vahvistavat lopullisesti sen kuinka hyvin luodut mallit edustavat todellisuudessa 11β-HSD2 -selektiivisyyttä.

Disjunct eddy covariance measurements of volatile organic compound fluxes using proton transfer reaction mass spectrometry

Volatile organic compounds (VOCs) are emitted into the atmosphere from natural and anthropogenic sources, vegetation being the dominant source on a global scale. Some of these reactive compounds are deemed major contributors or inhibitors to aerosol particle formation and growth, thus making VOC measurements essential for current climate change research. This thesis discusses ecosystem scale VOC fluxes measured above a boreal Scots pine dominated forest in southern Finland. The flux measurements were performed using the micrometeorological disjunct eddy covariance (DEC) method combined with proton transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS), which is an online technique for measuring VOC concentrations. The measurement, calibration, and calculation procedures developed in this work proved to be well suited to long-term VOC concentration and flux measurements with PTR-MS. A new averaging approach based on running averaged covariance functions improved the determination of the lag time between wind and concentration measurements, which is a common challenge in DEC when measuring fluxes near the detection limit. The ecosystem scale emissions of methanol, acetaldehyde, and acetone were substantial. These three oxygenated VOCs made up about half of the total emissions, with the rest comprised of monoterpenes. Contrary to the traditional assumption that monoterpene emissions from Scots pine originate mainly as evaporation from specialized storage pools, the DEC measurements indicated a significant contribution from de novo biosynthesis to the ecosystem scale monoterpene emissions. This thesis offers practical guidelines for long-term DEC measurements with PTR-MS. In particular, the new averaging approach to the lag time determination seems useful in the automation of DEC flux calculations. Seasonal variation in the monoterpene biosynthesis and the detailed structure of a revised hybrid algorithm, describing both de novo and pool emissions, should be determined in further studies to improve biological realism in the modelling of monoterpene emissions from Scots pine forests. The increasing number of DEC measurements of oxygenated VOCs will probably enable better estimates of the role of these compounds in plant physiology and tropospheric chemistry. Keywords: disjunct eddy covariance, lag time determination, long-term flux measurements, proton transfer reaction mass spectrometry, Scots pine forests, volatile organic compounds

Assessment of In-House Natural Product and Synthetic Compound Libraries Based on In vitro Inhibition of Cholinesterases

The first line medication for mild to moderate Alzheimer s disease (AD) is based on cholinesterase inhibitors which prolong the effect of the neurotransmitter acetylcholine in cholinergic nerve synapses which relieves the symptoms of the disease. Implications of cholinesterases involvement in disease modifying processes has increased interest in this research area. The drug discovery and development process is a long and expensive process that takes on average 13.5 years and costs approximately 0.9 billion US dollars. Drug attritions in the clinical phases are common due to several reasons, e.g., poor bioavailability of compounds leading to low efficacy or toxic effects. Thus, improvements in the early drug discovery process are needed to create highly potent non-toxic compounds with predicted drug-like properties. Nature has been a good source for the discovery of new medicines accounting for around half of the new drugs approved to market during the last three decades. These compounds are direct isolates from the nature, their synthetic derivatives or natural mimics. Synthetic chemistry is an alternative way to produce compounds for drug discovery purposes. Both sources have pros and cons. The screening of new bioactive compounds in vitro is based on assaying compound libraries against targets. Assay set-up has to be adapted and validated for each screen to produce high quality data. Depending on the size of the library, miniaturization and automation are often requirements to reduce solvent and compound amounts and fasten the process. In this contribution, natural extract, natural pure compound and synthetic compound libraries were assessed as sources for new bioactive compounds. The libraries were screened primarily for acetylcholinesterase inhibitory effect and secondarily for butyrylcholinesterase inhibitory effect. To be able to screen the libraries, two assays were evaluated as screening tools and adapted to be compatible with special features of each library. The assays were validated to create high quality data. Cholinesterase inhibitors with various potencies and selectivity were found in natural product and synthetic compound libraries which indicates that the two sources complement each other. It is acknowledged that natural compounds differ structurally from compounds in synthetic compound libraries which further support the view of complementation especially if a high diversity of structures is the criterion for selection of compounds in a library.

The effects of organic environmental toxicants on hard tissue formation in developing tooth : An in vitro study in mice

Dioxins are organic toxicants that are known to impair tooth development, especially dental hard tissue formation. The most toxic dioxin congener is 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). Further, clinical studies suggest that maternal smoking during pregnancy can affect child s tooth development. One of the main components of tobacco smoke is the group of non-halogenated polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), a representative of which is 7,12-dimethylbenz[a]anthracene (DMBA). Tributyltin (TBT), an organic tin compound, has been shown to impair bone mineralization in experimental animals. In addition to exposure to organic toxicants, a well-established cause for enamel hypomineralization is excess fluoride intake. The principal aim of this thesis project was to examine in vitro if, in addition to dioxins, other organic environmental toxicants, like PAHs and organic tin compounds, have adverse effects on tooth development, specifically on formation and mineralization of the major dental hard tissues, the dentin and the enamel. The second aim was to investigate in vitro if fluoride could intensify the manifestation of the detrimental developmental dental effects elicited by TCDD. The study was conducted by culturing mandibular first and second molar tooth germs of E18 NMRI mouse embryos in a Trowell-type organ culture and exposing them to DMBA, TBT, and sodium fluoride (NaF) and/or TCDD at various concentrations during the secretory and mineralization stages of development. Specific methods used were HE-staining for studying cell and tissue morphology, BrdU-staining for cell proliferation, TUNEL-staining for apoptosis, and QPCR, in situ hybridization and immunohistochemistry for the expressions of selected genes associated with mineralization. This thesis work showed that DMBA, TBT, TCDD and NaF interfere with dentin and enamel formation of embryonic mouse tooth in vitro, and that fluoride can potentiate the harmful effect of TCDD. The results suggested that adverse effects of TBT involve altered expression of genes associated with mineralization, and that DMBA and TBT as well as NaF and TCDD together primarily affect dentin mineralization. Since amelogenesis does not start until mineralization of dentin begins, impaired enamel matrix secretion could be a secondary effect. Dioxins, PAHs and organotins are all liposoluble and can be transferred to the infant by breast-feeding. Since doses are usually very low, developmental toxicity on most of the organs is difficult to indentify clinically. However, tooth may act as an indicator of exposure, since the major dental hard tissues, the dentin and the enamel, are not replaced once they have been formed. Thus, disturbed dental hard tissue formation raises the question of more extensive developmental toxicity.

Pienten sokeriyhdisteiden eristäminen ja tunnistus kuusen solususpensioliuoksesta

Biologisesti aktiivisilla oligosakkarideilla on vaikutuksia kasvin kasvuun ja kehittymiseen. Tietyn tyyppiset oligosakkaridit voivat myös indusoida puolustusreaktion valikoivasti oligosakkaridista riippuen. Useat biologisesti aktiiviset oligosakkaridit on löydetty kasvien soluseinää keinotekoisesti hajottamalla. Pro gradu -tutkielman tarkoituksena oli karakterisoida kuusen (Picea abies) solukkolinjan A3/85 solususpensiokasvatukseen erittämiä oligosakkarideja. Kuusisolukko A3/85 on otollinen kandidaatti tutkimukseen, sillä sen on todettu erittävän solunulkoista ligniiniä suspensioliuokseen. Oligosakkarideja karakterisoitiin yhden ja neljän vuorokauden kasvatuksista. Alustan sokeripitoisuutta alennettiin neljän vuorokauden kasvatuksissa karakterisoinnin helpottamiseksi. Oligosakkaridien pitoisuudet voivat olla hyvin alhaisia, joten solujen tuottamia yhdisteitä seurattiin myös radioaktiivisen D-[U-14C]-glukoosin avulla. Kasvien soluseinässä yleiset glukuronihappo, galakturonihappo, ksyloosi, arabinoosi ja apioosi valmistetaan glukoosi-6-fosfaatista, joko myo-inositolihapetusreitin tai sokerihapetusreitin kautta. Lisäksi tutkittiin, muuttuuko radioaktiivisen leiman jakautuminen näytteissä, kun kasvatusliuoksessa on tai ei ole myo-inositolia. Kasvatusliuos fraktioitiin geelisuodatuskromatografialla. Fraktioiden sisältämät yhdisteet eroteltiin paperikromatografialla ja värjättiin hopeanitraatilla, aniliinivetyftalaatilla tai ninhydriinillä. Hopeanitraatti on hyödyllinen monosakkaridien, oligosakkaridien ja alditolien värjäyksessä. Radioaktiivisuuden kertymistä yhdisteisiin seurattiin nestetuikelaskimella ja autoradiografialla. Paperikromatografialla erotelluista yhdisteistä valittiin mielenkiintoiseksi koetut yhdisteet, jotka eristettiin preparatiivisella paperikromatografialla. Eristetyille yhdisteille tehtiin happohydrolysointi, borohydridikäsittely tai entsymaattinen Driselaasi -käsittely. Happohydrolysointi avaa sokeriyksiköiden väliset glykosidiset sidokset. Natriumborohydridipelkistys muuttaa oligosakkaridiketjun pelkistävän sokerin sokerialkoholiksi ja Driselaasi -käsittely avaa isoprimeveroosin Xyl-Į-(1ĺ6)-Glc -sidosta lukuun ottamatta muut glykosidiset sidokset. 14C-leima on jakautunut myo-inositolin kanssa kasvatetun näytteen fraktioinnissa vahvemmin suurimolekyylisiin yhdisteisiin, kun taas ilman myo-inositolia kasvatetussa näytteessä suurin aktiivisuus D-[U-14C]-glukoosin jälkeen on trisakkaridien alueella. Suspensioliuoksista analysoitiin useita oligosakkarideja polymerisaatioasteella 1-4. Analysoiduista yhdisteistä kolme sisälsivät ksyloosia, jota solut voivat syntetoida joko myo-inositolin hapetusreitin tai glukoosin hapetusreitin kautta. Myo-inositolin puuttuminen alustasta lisäsi näiden leimattujen yhdisteiden pitoisuutta. Alustan myo-inositoli ei ole radioaktiivista, joten myo-inositolihapetusreitin kautta valmistetut monosakkaridit eivät näy autoradiografiassa. Vaikuttaisi siis siltä, että myo-inositolihapetusreitti on aktiivinen ainakin, jos solukolle tarjotaan myo-inositolia. Lisätty myo-inositoli vähentää sokerihapetusreitin aktiivisuutta. Työn aikana onnistuttiin eristämään ja osittain tunnistamaan useita kuusen suspensioliuoksen yhdisteitä. Myo-inositolihapetusreitti todettiin aktiiviseksi solukkokasvatuksessa, kun ravintoalustassa on myo-inositolia.

Synthetic Modifications of Estrogens and Androgens

Estrogens the female sex hormones have numerous biological actions. Estradiol is the most abundant estrogen in women before menopause. It influences the development, maturation and function of the female reproductive tract. It also plays a role in mammary cancer. Accordingly determinations of estradiol level in body fluids assist in the evaluation of ovarian function and diagnosis for malignancies. Estriol is the primary estrogen in pregnant women and secreted from the fetoplacental unit. Measurement of estriol in maternal body fluids is the basis of fetoplacental monitoring test. Concentration of estrogens in body fluids is determined by immunoassay. Accuracy of this measurement depends on the availability of a specific antibody. As estrogens are not antigenic, their derivatives (haptens) are coupled with a carrier and this hapten-protein conjugate is used to generate antibodies. Specificity of the generated antibody largely depends on the structure of hapten. Therefore the synthesis of a hapten with a right structure is crucial for the accurate measurement of a steroid. We have synthesised new haptens for estradiol and estriol by adding an alkyl or alkoxy side chain at the C-7 of estrane skeleton. The side chains carry a terminal amino group, which can be used for conjugation with a carrier molecule. Estrogens and their biosynthetic precursor androgens both exist as fatty acid esters. They are known to act as hormone storage but their physiological role is not completely known yet. Our collaborator is studying their effect in cardiovascular diseases. We synthesised fatty acid ester derivatives of several steroids in high yield by a very rapid procedure (in 1 min) under microwave irradiation in an ionic liquid (IL). An expedient regioselective hydrolysis at C-3 of estradiol diesters is also reported. 8-Isoestrogens are compounds of pharmaceutical interests, their synthesis, structure, conformation and biological activity studies are ongoing. 7-Hydroxy-8-isoestradiol and 7-alkyl ether of it were synthesised as well. During this study we have developed a selective O-debenzylation method. A mild route for selective removal of benzylic protection on phenol in presence of benzyl protected alcohol was explored.

2,1,3-Bentsoksadiatsolirakenteiset molekyylit antibakteerisina ja antiparasiittisina yhdisteinä

Aikaisemman tutkimuksen perusteella tiedettiin tiettyjen 2,1,3-bentsoksadiatsolirakenteisten molekyylien olevan aktiivisia Chlamydia pneumoniae –bakteeria vastaan. Tutkimusta lähdettiin jatkamaan ja 2,1,3-bentsoksadiatsolimolekyylien rakenne-aktiivisuusuhteista haluttiin saada lisätietoa. Tarkoituksena oli kehittää 2,1,3-bentsoksadiatsolimolekyyleille ja sen avulla muodostaa molekyylikirjasto. Syntetisoidut molekyylit haluttiin testata sekä Chlamydia pneumoniae -bakteeria että Leishmania donovani –parasiittia vastaan. Chlamydia pneumoniae –bakteeri aiheuttaa akuutteja ylä- ja alahengitystieinfektiota, kuten keuhkoputkentulehdusta. Akuutissa tulehduksessa oireet vaihtelevat huomattavasti. Chlamydia pneumoniae –bakteerilla on myös taipumus aiheuttaa kroonisia tulehduksia. Nämä ovat useissa tutkimuksissa yhdistetty kansantaloudellisesti merkittäviin sairauksiin, kuten ateroskleroosiin ja astmaan. Leishmanioosi on toiseksi yleisin loissairaus ihmisellä malarian jälkeen. Leishmania donovani –parasiitti voi aiheuttaa tappavaa viskeraalista leishmanioosia. Vuodessa leishmanioosiin kuolee yli 50 000 ihmistä. Viime vuosina leishmanioosin lääkehoidossa on esiintynyt monenlaisia ongelmia. Osat lääkkeistä ovat menettäneet tehonsa ja osalla esiintyy vakavia haittavaikutuksia. 2,1,3-Bentsoksadiatsolirakenteisille yhdisteille saatiin kehitettyä toimiva synteesireitti. Lähtöaineena käytettiin 4-amino-2-nitrobentsoehappoa, josta saatiin hapettavalla renkaansulkeutumisreaktiolla 2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karboksyylihappoa. Karboksyylihaposta syntetisoitiin amidi-välituotteen kautta 2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karbonitriiliä. Hydroksyyliamiini hydrokloridin avulla 2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karbonitriilistä muodostettiin vastaavaa karboksimidamidia, joka oli synteesireitin yhteinen välituote kaikille molekyyleille. Viimeisessä vaiheessa N´-hydroksidi-2,1,3-bentsoksadiatsoli-5-karboksimidamidin annettiin reagoida joko fenyyli-isosyanaatin tai fenyyli-isotiosyanaatin kanssa, jolloin saatiin lopputuotetta. Synteesireitin kehittäminen osoittautui haastavaksi ja loppujen lopuksi saatiin ainoastaan kolme lopputuotetta syntetisoitua. Yksi lopputuotteista testattiin C. pneumoniae –bakteeria vastaan Åbo akademissa Turussa. Testattavaa yhdiste ei sisältänyt 2,1,3-bentsoksadiatsoliarengasta ja bioaktiivisuuskokeen tulos oli odotusten mukainen. Yhdiste ei ollut aktiivinen C. pneumoniae –bakteeria vastaan alhaisilla konsentraatioilla ja tuloksesta voitiin todeta 2,1,3-bentsoksadiatsolirengaan olevan tärkeä aktiivisuuden kannalta. Kaksi lopputuotetta saatiin testaukseen Leishamania donovani –parasiittia vastaan Israeliin. Ainoastaan toinen molekyyleistä sisälsi 2,1,3-bentsoksadiatsolirakenteen. Bioaktiivisuuskokeiden tulokset olivat erittäin rohkaisevia. Yhdisteet olivat aktiivisia parasiittia vastaan jo alhaisilla konsentraatioilla. Kuitenkin 2,1,3-bentsoksadiatsolirakenteinen molekyyli oli aktiivisempi, joten tämäkin aktiivisuuskokeen perusteella huomattiin rengasrakenteen olevan tärkeä aktiivisuuden kannalta.

Makrodomeeni-inhibiittorit antiviraalisina yhdisteinä

Alfavirukset ovat positiivissäkeisiä RNA-viruksia, jotka kuuluvat Togaviridea –heimoon. Alfaviruksia levittävät Aedes –suvun hyttyset ja niitä esiintyy Etelämanteretta lukuunottamatta kaikilla mantereilla. Alfaviruksia on tähän mennessä löydetty 29 lajia ja ne voidaan jakaa uuden ja vanhan maailman viruksiin niiden maantieteellisen esiintyvyyden ja taudinaiheuttamiskyvyn mukaan. Chikunkunyavirus (CHIKV) on yksi vanhan maailman alfaviruksista, jota esiintyy muun muassa Afrikassa ja Aasiassa. Ilmaston lämmettyä se on leviämässä myös eteläiseen Eurooppaan. Ihmisessä se aiheuttaa muun muassa kuumetta, päänsärkyä, ihottumaa ja niveltulehdusta, joka voi kestää useita vuosia ja ne voivat olla hyvinkin kivuliaita. Pienillä lapsilla chikungunya on todettu aiheuttavan myös neurologisia oireita kuten aivotulehdusta. Alfaviruksen genomi koodaa neljää rakenneproteiinia ja neljää replikaatioproteiinia. Replikaatioproteiineista nsP3 sisältää makrodomeeniosan. Makrodomeeniproteiinit ovat eliökunnassa konservoituneita, mutta makrodomeeniproteiinien tarkkaa merkitystä ei vielä tunneta. Makrodomeenien on osoitettu sitovan ADP-riboosia ja sen johdannaisia ja alfaviruksen nsP3-proteiinin on osoitettu olevan tärkeä osa viruksen replikaatiossa. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia makrodomeeniproteiiniin sitoutuvien yhdisteiden käyttöä antiviraalisena yhdisteinä. Tietokonemallinnuksella valittiin antiviraalitutkimuksiin 45 yhdistettä, joiden oletettiin sitoutuvan makrodomeeniproteiiniin. Kilpailevassa sitoutumiskokeessa viisi yhdistettä esti yli 50 % poly-ADP-riboosia (PAR) sitoutumasta MDO1-makrodomeeniproteiiniin, jolla tietokonemallinnus oli tehty. SFV-makrodomeeniproteiinilla tehdyssä kokeessa vain yksi yhdiste esti yli 50 % poly-ADP-riboosin sitoutumisen. SFV-antiviraalikokeessa seitsemällä yhdisteellä inhibitioprosentti oli yli 50 %. Näillä yhdisteillä ei kuitenkaan ollut merkittävää vaikutusta poly-ADP-riboosin sitoutumisen estossa. CHIKV-replikonikokeessa yli 50 % inhibitioprosentti oli viidellä yhdisteellä. Muiden mahdollisia vaikutusmekanismeja tutkittiin selvittämällä estävätkö yhdisteet virusta pääsemästä solun sisään. Tässä kokeessa tutkituista yhdisteistä lähes kaikilla oli vaikutusta viruksen soluun pääsyn estossa. Yleisesti ottaen kyky estää PAR:n sitoutuminen makrodomeeniproteiineihin ja antiviraaliset vaikutukset eivät korreloineet keskenään tutkittavilla yhdisteillä. Vaikka antiviraalista vaikutusta omaavat yhdisteet eivät osoittaneetkaan makrodomeeni-inhibiitiota, työssä löydettiin potentiaalisia antiviraalisia yhdisteitä joiden käyttö viruksen soluun pääsyn estäjinä antaa aihetta jatkotutkimuksille.

Berry phenolics: isolation, analysis, identification, and antioxidant properties

The main objectives in this thesis were to isolate and identify the phenolic compounds in wild (Sorbus aucuparia) and cultivated rowanberries, European cranberries (Vaccinium microcarpon), lingonberries (Vaccinium vitis-idaea), and cloudberries (Rubus chamaemorus), as well as to investigate the antioxidant activity of phenolics occurring in berries in food oxidation models. In addition, the storage stability of cloudberry ellagitannin isolate was studied. In wild and cultivated rowanberries, the main phenolic compounds were chlorogenic acids and neochlorogenic acids with increasing anthocyanin content depending on the crossing partners. The proanthocyanidin contents of cranberries and lingonberries were investigated, revealing that the lingonberry contained more rare A-type dimers than the European cranberry. The liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS) analysis of cloudberry ellagitannins showed that trimeric lambertianin C and sanguiin H-10 were the main ellagitannins. The berries, rich in different types of phenolic compounds including hydroxycinnamic acids, proanthocyanidins, and ellagitannins, showed antioxidant activity toward lipid oxidation in liposome and emulsion oxidation models. All the different rowanberry cultivars prevented lipid oxidation in the same way, in spite of the differences in their phenolic composition. In terms of liposomes, rowanberries were slightly more effective antioxidants than cranberry and lingonberry phenolics. Greater differences were found when comparing proanthocyanidin fractions. Proanthocyanidin dimers and trimers of both cranberries and lingonberries were most potent in inhibiting lipid oxidation. Antioxidant activities and antiradical capacities were also studied with hydroxycinnamic acid glycosides. The sinapic acid derivatives of the hydroxycinnamic acid glycosides were the most effective at preventing lipid oxidation in emulsions and liposomes and scavenging radicals in DPPH assay. In liposomes and emulsions, the formation of the secondary oxidation product, hexanal, was inhibited more than that of the primary oxidation product, conjugated diene hydroperoxides, by hydroxycinnamic acid derivatives. This indicates that they are principally chain-breaking antioxidants rather than metal chelators, although they possess chelating activity as well. The storage stability test of cloudberry ellagitannins was performed by storing ellagitannin isolate and ellagitannins encapsulated with maltodextrin at different relative vapor pressures. The storage stability was enhanced by the encapsulation when higher molecular weight maltodextrin was used. The best preservation was achieved when the capsules were stored at 0 or 33% relative vapor pressures. In addition, the antioxidant activities of encapsulated cloudberry extracts were followed during the storage period. Different storage conditions did not alter the antioxidant activity, even though changes in the ellagitannin contents were seen. The current results may be of use in improving the oxidative stability of food products by using berries as natural antioxidants.

Tutkimus kalojen makuvirheistä ja Oulun edustan merialueen tilasta.

Suomenkielinen yhteenveto: Kalojen makuvirheistä, erityisesti Oulun merialueella. English summary: On flavour tainting of fish, with special reference to the Oulu Sea Area (Bothnian Bay).