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

Methodenentwicklung zur Charakterisierung von metallischen Nanopartikeln und deren potentieller Einsatz bei der Analyse von Biomolekülen mittels ICP-MS Kopplungstechniken

Die qualitative und quantitative Analyse von Biomolekülen hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Durch das Aufkommen und die kontinuierliche Weiterentwicklung neuer Separations- und Detektionsmethoden und deren Verbindung miteinander zu leistungsfähigen Einheiten, erlangte man Schritt für Schritt neue Erkenntnisse bei ihrer Untersuchung. Die Elementmassenspektrometrie als nachweisstarke Detektionsmethode wird von vielen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen bei der Trennung und Quantifizierung von Proteinen und Metalloproteinen mittels Detektion der in den Biomolekülen vorkommenden Metalle und Heteroatome angewendet. Heteroatome (z.B. Schwefel, Phosphor) haben im Plasma des ICP-MS (inductively coupled plasma - mass spectrometer) schlechte Ionisationseigenschaften und dementsprechend deutlich höhere Nachweisgrenzen als Metalle. Ein Ansatz, schlecht oder nicht detektierbare Verbindungen (also solche, die keine Metalle oder Heteroatome enthalten) mit dem ICP-MS sichtbar zu machen, ist die Markierung der selbigen mit Metallionen oder -cluster. rnIn dieser Arbeit ist es gelungen, der Analyse ganz unterschiedlicher Substanzklassen, zum einen metallische Nanopartikel und zum anderen Proteine, neue Impulse zu geben und zukünftiges Potential bei der Anwendung gekoppelter Techniken zur Separation und Detektion aufzuzeigen. Durch die Verwendung einer alten, aber neu konzipierten Trenntechnik, der Gelelektrophorese (GE), und deren Kopplung an einen modernen Detektor, dem ICP-MS, kann die für die Proteinanalytik weit verbreitete Gelelektrophorese ihr enormes Potential bei der Trennung verschiedenster Verbindungsklassen mit der exzellenten Nachweisstärke und Elementspezifität des ICP-MS verbinden und dadurch mit deutlich weniger Arbeitsaufwand als bisher qualitative und auch quantitative Ergebnisse produzieren. Bisher war dies nur mit großem präparativem Aufwand unter Verwendung der laser ablation möglich. Bei der Analyse von Nanopartikeln konnte aufgezeigt werden, dass durch die GE-ICP-MS-Kopplung aufgrund der guten Trenneigenschaften der GE vorhandene Spezies bzw. Fraktionen voneinander separiert werden und mit Hilfe des ICP-MS Informationen auf atomarem Niveau gewonnen werden können. Es war möglich, das atomare Verhältnis der Metallatome im Kern und der Schwefelatome in der Ligandenhülle eines Nanopartikels zu bestimmen und damit die Größe des Partikels abzuschätzen. Auch konnte die Anzahl der Goldatome in einem dem Schmid-Cluster ähnlichen Nanopartikel bestimmt werden, was vorher nur mit Hilfe von MALDI-TOF möglich war. Bei der Analyse von Biomolekülen konnte auf einfache Weise der Phosphorylierungsgrad verschiedener Proteine bestimmt werden. Auch bei kleinen Molekülen erzielt die Gelelektrophorese ausgezeichnete Trennergebnisse, wie z. B. bei der Analyse verschiedener Brom- und Iodspezies.rnDie stöchiometrische Kopplung eines Proteins an einen Nanopartikel, ohne eine der beiden Verbindungen in einem größeren Maße zu verändern, stellte jedoch eine Herausforderung dar, die im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig gelöst werden konnte. Verschiedene Ansätze zur Kopplung der beiden Substanzen wurden erprobt, jedoch führte keine zu dem gewünschten Ergebnis einer stöchiometrisch vollständigen und spezifischen Modifikation eines Proteins mit einem Nanopartikel. Durch das Potential der GE-ICP-MS-Kopplung bei der Analyse beider Substanz-klassen und dem Beweis der Praktikabilität und Zuverlässigkeit der Methode ist jedoch der Grundstein für weitere Forschungen auf diesem Gebiet gelegt worden. Ist eine geeignete chemische Kopplung der beiden Substanzklassen gefunden und beherrscht, steht auf analytischer Seite eine leistungsstarke Kombination aus Trennung und Detektion zur Verfügung, um die Quantifizierung von Proteinen entscheidend zu verbessern.rn

Modellkomplexe zur Sauerstoffaktivierung auf Basis des 1,3,4-Thiadiazols

Das Ziel der vorliegenden Arbeit waren die Synthese und Untersuchung von Modellverbindungen zur Sauerstoffaktivierung auf der Basis neuer Ligandensysteme des 1,3,4-Thiadiazols unter Ausarbeitung einer Synthesestrategie zur Derivatisierung der heteroaromatischen 1,3,4-Thiadiazol-Liganden, deren Koordinationsverhalten in Abhängigkeit ihres 2,5-Substitutionsmusters untersucht wurde, sowie die fortführende Bearbeitung bereits bekannter Ligandensysteme zur Erzeugung von homo- und heterovalenten Übergangsmetallkomplexverbindungen.rnDie unter der Verwendung der modifizierten Liganden TPDE, H1TPDP und H1BPMP resultierenden dinuklearen Komplexverbindungen zeigen unterschiedlich starke antiferromagnetische Wechselwirkungen in Abhängigkeit der vorhandenen Brückenliganden. In der Verbindung [Fe6O2(OH)(L´)2(OOCMe3)9(OEt)2] trat eine Fragmentierung des Liganden H1TPDP auf. Das cisoide Ligandensubstitutionsmuster der entstandenen sechskernigen Verbindung ist verantwortlich für die interessanten magnetischen Eigenschaften des Komplexes. rnNeue Perspektiven zur Erzeugung von Modellverbindungen zur Sauerstoffaktivierung wurden mit dem Mono-Chelatliganden H1ETHP und den Bis-Chelatliganden HL2H, H2L2H und H2BATP aufgezeigt. Die Umsetzung von H1ETHP mit verschiedenen Übergangsmetallsalzen resultierte für die Metalle Cr(III), Fe(III), Co(III) und Ni(II) in mononuklearen Verbindungen des Typs [M(ETHP)2]X (X = ClO4, FeCl4, OMe, Cl, Br) sowie in zwei tetranuklearen Verbindungen mit Mn(II) und Cu(II). [Mn4(ETHP)6] besitzt ein propellerförmiges, planares [Mn4O6]2+-System mit einen Spingrundzustand von S = 5. In allen Verbindungen von H1ETHP konnte eine mono-κN-Koordination des 1,3,4-Thiadiazol-Rückgrates über eines seiner beiden endozyklischen Stickstoffdonoratome beobachtet werden. rnAus Umsetzungen der Bis-Chelatliganden wurden fast ausschließlich polynukleare Übergangsmetallkomplexe erhalten. Insbesondere der Ligand H2L2H zeigt eine ausgeprägte Tendenz zur Ausbildung trinuklearer, linearer Komplexe, welche auf Grund ihrer ungeraden Anzahl von Übergangsmetallionen einen Spingrundzustand S ≠ 0 aufweisen.rn Die mit dem Liganden HL2H erhaltenen Verbindungen unterstreichen die hohe Flexibilität dieser Systeme hinsichtlich der Erzeugung polynuklearer und heterovalenter Komplexverbindungen. So konnten in Abhängigkeit vom verwendeten Übergangsmetallsalz trinukleare, pentanukleare, aber auch hepta- und oktanukleare Verbindungen synthetisiert werden. Insbesondere die Komplexe des Mangans und des Cobalts zeigen ein heterovalentes [MnIIMnIII4]- bzw. [CoII2CoIII3]-Motiv, was sich in Spingrundzuständen von S ≠ 0 äußert. Der diamagnetische, achtkernige Fe8-Cluster besitzt eine pseudo C3-symmetrische Anordnung der Metall-Zentren, während für die heptanukleare Cu7-Kette durch ihre stark unterschiedlichen Kupfer-Koordinationsgeometrien interessante magnetische Austauschwechselwirkungen beobachtet werden konnten. Der dreikernige µ3-oxo-verbrückte Komplex des Liganden H2BATP zeigt als interessante strukturelle Eigenschaft ein ein µ3-Verbrückungsmuster des eingesetzten Sulfat-Anions. rnIn allen Komplexen der Bis-Chelatliganden HL2H, H2L2H und H2BATP konnte ein µ2-κN,κN-Koordiantionsmodus des 1,3,4-Thiadiazols und somit eine Abhängigkeit der Verbrückung vom Ligandensubstitutionsmuster beobachtet werden.rn

Modellkomplexe oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden und Spin-Crossover-Verbindungen als Chemosensoren

Der erste Teil der hier vorgestellten Arbeit verfolgt die Synthese potentieller Modellverbindungen oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden. Dazu wurden zwei Ligandensysteme mit unterschiedlich raumerfüllenden Alkyl-Substituenten modifiziert und auf ihre koordinativen Eigenschaften hin untersucht. Für das Ligandensystem auf Basis des Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ols konnten fünf Derivate (H3L1, H3L2A,H3L2B, H3L3, H3L4), für das zweite verwendete Ligandensystem auf Basis des 1H-3,5-Bis-(salicylidenaminomethyl)-pyrazols konnten zwei weitere Derivate (H3L5A, H3L5B) dargestellt und zu Koordinationsverbindungen umgesetzt werden.rnFür den hier verwendeten Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ol Liganden H3L1, welcher die geringsten sterischen Anforderungen stellt, konnten mono-, tri- und tetranukleare Koordinationsverbindungen synthetisiert werden. Dabei gelingt es dem Liganden, sich sowohl in planarer als auch in unterschiedlich stark gewinkelter Konformation um ein oder mehrere Metallzentren anzuordnen, wobei der Ligand ein N2O2- seines N2O3-Donorsets zur Koordination nutzt. Die Verbindung {[Ni7(HL1)2(L1)2(OBz)4(OMe)(H2O)]}n zeigt, dass eine Verkettung der so gestalteten dreikernigen Einheiten über das freie Propanol-Sauerstoffatomdes Ligandenrückgrats möglich ist. Mit zunehmendem sterischen Anspruch der angefügten Alkylsubstituenten nimmt die geometrische Flexibilität und somit das Potential des Liganden zur Ausbildung höhernuklearer Strukturen ab. So ist für Liganden mit mittlerem sterischen Anspruch neben mononuklearen Komplexen noch die Gestaltung dinuklearer Systeme möglich. Erhöht man den sterischen Anspruch des Liganden weiter, findet nur noch eine Reaktion zu mononuklearen Verbindungen statt.rnMit den Pyrazol-basierten Ligandensystemen H3L5A und H3L5B konnten dinukleare Kupfer- und Nickelverbindungen synthetisiert werden.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Gestaltung von Spin-Crossover Systemen (SCO). Dazu soll ein Spinübergang innerhalb des gestalteten schaltbaren Systems an die Anwesenheit eines Signalstoffs gekoppelt werden, so dass diese SCO-Verbindung als Sensor für den Signalstoff eingesetzt werden kann. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt und untersucht.rnDie erste Methode beruht auf der Kombination eines zum Spin-Crossover befähigten Metallzentrums, eines Capping-Liganden, eines zur Signalstofferkennung funktionalisierten Co-Liganden sowie eines entsprechenden Signalstoffs. Als Capping-Liganden wurden tetra- und pentadentateLigandensysteme eingesetzt und mit unterschiedlich Picolyl-substituierten Monoaza-[12]-krone-4-Derivaten umgesetzt, wobei die Monoazakrone zur Komplexierung des Signalstoffs,hier in Form eines Alkalimetallions, zur Verfügung steht. Nach dieser ersten Methode konnten im Zeitraum dieser Arbeit noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.rnEine vielversprechende zweite Möglichkeit beruht auf der Verwendung eines mehrzähnigen, etablierten Spin-Crossover Liganden,welcher in seiner Peripherie mit einer Bindungstasche zur Aufnahme des Signalstoffmodifiziert wird.Mit Hilfe des so gestalteten Liganden 4'-(4'''-Benzo-[15]-krone-5)-methyloxy-2,2':6',2''-terpyridin ([b15c5]-tpy) gelang die Umsetzung zu entsprechenden Eisen(II)- und Kobalt(II)komplexen der Zusammensetzung [M([b15c5]-tpy)2]2+. Alle synthetisierten Eisen(II)-Komplexe liegen aufgrund der hohen Ligandenfeldstärke des Terpyridins über einen Temperaturbereich von 300 – 400 K in ihrer diamagnetischen Low Spin Form vor. Die entsprechenden Kobalt(II)-Komplexe zeigen über einen Temperaturbereich von 2 – 350 K ein kontinuierliches, aber unvollständiges Spin-Crossover Verhalten.rnDer Einfluss von Signalstoffen auf das Spin-Crossover Verhalten der Kobalt(II)-Systeme wurde in einem ersten Versuch unter der Verwendung von Natriumionen als Signalstoff untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Natriumionen für dieses System zwar nicht als Auslöser eines SCO verwendet werden können, sie aber dennoch eine starke Auswirkung auf den Verlauf des Spin-Crossovers haben.

Phosphonate ligands in extended inorganic hybrids and as radical units in complexes

Phosphonatliganden in erweiterten anorganischen Hybridmaterialien undrnals Radikalträgern in KomplexenrnrnAnorganisch-organische Hybridmaterialien sind in der Regel extrem vielseitig. Die systematische Darstellung von niederdimensionalen Materialien (eindimensionale Kettenverbindungen oder zweidimensionalen Schichtverbindungen) mit einer Kontrolle über die Art der Verbindung,rnbietet neue Möglichkeiten im Bereich des molekularen Magnetismus. Hier im Fall von Metall-Phosphonat Verbindungen in erweiterten anorganischen Hybriden wurde der pH - Wert während der Reaktion eingestellt, wodurch der Grad der Protonierung des Phosphonatliganden kontrolliert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass alle erhaltenen Metall Phosphonatverbindungen neutral waren, konnte das Ligand zu Metallverhältnis erstmals vorhergesagt werden. So wurden mehrere neue Metall–Phosphonat Verbindungen im Bereich von Null-dimensionalen (I0O0, Co-Kristallisation von M(H2O)6 mitrndeprotonierten Phosphonatligand), über eindimensionalen (I1O0, Kettenstrukturen) bis hin zu zweidimensionalen (I2O0, Schichtstrukturen) ausführlich diskutiert in Bezug auf ihr magnetisches Verhalten. Im Allgemeinen sind die erwarteten Austauschwechselwirkungen in einem erweiterten anorganischen Hybridmaterial stark, weil oft ein Superaustausch durch ein einzelnes Sauerstoffatom möglich ist. Hier waren oft mehrere konkurrierende Austauschwechselwirkungen vorhanden, so dass kompliziertere magnetische Verhalten beobachtet wurden.rnrnDarüber hinaus wurden drei neue Beispiele von Nitronyl-Nitroxidradikale dargestellt, in denen eine zusätzliche saure Funktionalität eingeführt war. Die Auswirkungen des sauren Charakters der zusätzlich eingeführten Sulfonsäure oder Phosphonsäure-Gruppe auf das Nitronyl-Nitroxidradikal wurden im Detail zum ersten Mal untersucht. Die mit der Phosphonsäure-Gruppe versehenen Nitronyl-Nitroxidradikale sind perfekte Proben für die Untersuchung einer Spin-Verschiebung in Nitronyl-Nitroxidradikale durch EPR-Spektroskopie, aufgrund des eingeführten Phosphors. Auch der Protonierungsgrad der zusätzlich eingeführten Phosphonsäure-Gruppe wurde berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden die ersten Metallkomplexe der neuen substituierten sauren Nitronyl-Nitroxidradikale vorgestellt. Die Koordination von Nickel(II) Metallionen an die saure, zweite funktionelle Gruppe des Nitronyl–Nitroxid Radikal wurde beschrieben. Die magnetische Austauschwechselwirkung der Metallionen untereinander und die Metall-Radikal-Austauschwechselwirkungen wurden untersucht. rnrnIm Allgemeinen können interessante molekulare magnetische Materialien dadurch dargestellt werden, dass die Dimension der Metall-Phosphonat-Verbindungen als Beispiele für die erweiterten anorganischen Hybridmaterialien gesteuert werden kann. Mit Nitronyl-Nitroxidradikale als organische Liganden können in Zukunft noch mehr Spin-Träger in anorganisch-organischen Gerüstmaterialien integriert werden um die magnetischen Eigenschaften zu verbesseren.rn

Complessi tetrazolici di Re(I): design e preparazione di una nuova classe di probes luminescenti

In this experimental work we report the design, the synthesis and characterization of a new class of Re(I) complexes of the general formula fac-[Re(CO)3(N^N)(2-QTZ)], where N^N = 2,2’ bipyridine or 1,10 phenantroline, whereas 2-QTZ is the anion 2-quinolyl-tetrazolate. The complexes and, in particular, the tetrazolate ligand 2-QTZ were designed in order to investigate their specific interaction with biologically and toxicologically relevant metal ions, as Zn(II), Cd(II) e Cu(II). The addition of such ions led to substantial variations of the photophysical properties of these complexes, suggesting their application as luminescent sensors. The photophysical performance of the complexes proved to remain unchanged inside cellular substrates, as Yarrowia Lipolytica cultures. Within these yeasts, the complexes show unchanged ability to perform luminescent sensing towards Zn(II) and Cd(II) ions.

Iron(III)-Pivalate-Based Complexes with Tetranuclear {Fe-4(mu(3)-O)(2)}(8+) Cores and N-Donor Ligands: Formation of Cluster and Polymeric Architectures

Different synthetic routes have been used for the preparation of a new tetranuclear [Fe4O2(O2CCMe3)(8)(bpm)] cluster (1) and a one-dimensional coordination polymer [Fe4O2-(O2CCMe3)(8)(hmta)](n) (2) (bpm = 2,2'-bipyrimidine and hmta = hexamethylenetetramine). For cluster 1, two structural isomers, 1a and 1b center dot 3MeCN, have been found. X-ray crystallographic analysis showed that all complexes consist of a central {Fe-4(mu(3)-O)(2)}(8+) core. In 1a, metal ions in the core are additionally linked by six bridging pivalates as two other pivalates and a bpm ligand are chelated to Fe-III ions, whereas in cluster 1b, metal ions in the {Fe-4(mu(3)-O)(2)}(8+) core are linked by seven bridging pivalates and only one carboxylate as well as bpm are chelated to the iron centers. In coordination polymer 2, [Fe4O2(O2CCMe3)(8)] clusters are bridged by hmta ligands to form zigzag chains. Magnetic measurements have been carried out to characterize these complexes and revealed antiferromagnetic interactions between Fe-III ions with best-fit parameters of J(wb) = -72.2 (1a) and -88.7 cm(-1) (1b) for wing...body interactions.

Gene expression by human monocytes from peripheral blood in response to exposure to metals

With increasing life expectancy and active lifestyles, the longevity of arthroplasties has become an important problem in orthopaedic surgery and will remain so until novel approaches to joint preservation have been developed. The sensitivity of the recipient to the metal alloys may be one of the factors limiting the lifespan of implants. In the present study, the response of human monocytes from peripheral blood to an exposure to metal ions was investigated, using the method of real-time polymerase chain reaction (PCR)-based low-density arrays. Upon stimulation with bivalent (Co2+ and Ni2+) and trivalent (Ti3+) cations and with the calcium antagonist LaCl3, the strength of the elicited monocytic response was in the order of Co2+ > or = Ni2+ > Ti3+ > or = LaCl3. The transcriptional regulation of the majority of genes affected by the exposure of monocytes to Co2+ and Ni2+ was similar. Some genes critically involved in the processes of inflammation and bone resorption, however, were found to be differentially regulated by these bivalent cations. The data demonstrate that monocytic gene expression is adapted in response to metal ions and that this response is, in part, specific for the individual metals. It is suggested that metal alloys used in arthroplasties may affect the extent of inflammation and bone resorption in the peri-implant tissues in dependence of their chemical composition.

Acidification and Nutrient Cycling

Additions of acid anions can alter the cycling of other nutrients and elements within an ecosystem. As strong acid ions move through a forest, they may increase the concentrations of nitrogen (N) and sulfur (S) in the soil solution and stream water. Such treatments also may increase or decrease the availability of other anions, cations and metal ions in the soil. A number of studies in Europe and North America have documented increases in base cation concentrations such as calcium (Ca) and magnesium (Mg) with increased N and S deposition (Foster and Nicolson 1988, Feger 1992, Norton et al. 1994, Adams et al. 1997, Currie et al. 1999, Fernandez et al. 2003). Experiments in Europe also have evaluated the response of forested watersheds to decreased deposition (Tietema et al. 1998, Lamersdorf and Borken 2004). In this chapter, we evaluate the effects of the watershed acidification treatment on the cycling of N, S, Ca, Mg and potassium (K) on Fernow WS3.

Multiple pathways of neuroprotection against oxidative stress and excitotoxic injury in immature primary hippocampal neurons

In the immature brain hydrogen peroxide accumulates after excitotoxic hypoxia-ischemia and is neurotoxic. Immature hippocampal neurons were exposed to N-methyl-D-aspartate (NMDA), a glutamate agonist, and hydrogen peroxide (H(2)O(2)) and the effects of free radical scavenging and transition metal chelation on neurotoxicity were studied. alpha-Phenyl-N-tert.-butylnitrone (PBN), a known superoxide scavenger, attenuated both H(2)O(2) and NMDA mediated toxicity. Treatment with desferrioxamine (DFX), an iron chelator, at the time of exposure to H(2)O(2) was ineffective, but pretreatment was protective. DFX also protected against NMDA toxicity. TPEN, a metal chelator with higher affinities for a broad spectrum of transition metal ions, also protected against H(2)O(2) toxicity but was ineffective against NMDA induced toxicity. These data suggest that during exposure to free radical and glutamate agonists, the presence of iron and other free metal ions contribute to neuronal cell death. In the immature nervous system this neuronal injury can be attenuated by free radical scavengers and metal chelators.

Comparison of the receptor FGFRL1 from sea urchins and humans illustrates evolution of a zinc binding motif in the intracellular domain

BACKGROUND: FGFRL1, the gene for the fifth member of the fibroblast growth factor receptor (FGFR) family, is found in all vertebrates from fish to man and in the cephalochordate amphioxus. Since it does not occur in more distantly related invertebrates such as insects and nematodes, we have speculated that FGFRL1 might have evolved just before branching of the vertebrate lineage from the other invertebrates (Beyeler and Trueb, 2006). RESULTS: We identified the gene for FGFRL1 also in the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus and cloned its mRNA. The deduced amino acid sequence shares 62% sequence similarity with the human protein and shows conservation of all disulfides and N-linked carbohydrate attachment sites. Similar to the human protein, the S. purpuratus protein contains a histidine-rich motif at the C-terminus, but this motif is much shorter than the human counterpart. To analyze the function of the novel motif, recombinant fusion proteins were prepared in a bacterial expression system. The human fusion protein bound to nickel and zinc affinity columns, whereas the sea urchin protein barely interacted with such columns. Direct determination of metal ions by atomic absorption revealed 2.6 mole zinc/mole protein for human FGFRL1 and 1.7 mole zinc/mole protein for sea urchin FGFRL1. CONCLUSION: The FGFRL1 gene has evolved much earlier than previously assumed. A comparison of the intracellular domain between sea urchin and human FGFRL1 provides interesting insights into the shaping of a novel zinc binding domain.

OMA and OPA—Software-Supported Mass Spectra Analysis of Native and Modified Nucleic Acids

The platform-independent software package consisting of the oligonucleotide mass assembler (OMA) and the oligonucleotide peak analyzer (OPA) was created to support the analysis of oligonucleotide mass spectra. It calculates all theoretically possible fragments of a given input sequence and annotates it to an experimental spectrum, thus, saving a large amount of manual processing time. The software performs analysis of precursor and product ion spectra of oligonucleotides and their analogues comprising user-defined modifications of the backbone, the nucleobases, or the sugar moiety, as well as adducts with metal ions or drugs. The ability to expand the library of building blocks and to implement individual structural variations makes it extremely useful for supporting the analysis of therapeutically active compounds. The functionality of the software tool is demonstrated on the examples of a platinated doublestranded oligonucleotide and a modified RNA sequence. Experiments also reveal the unique dissociation behavior of platinated higher-order DNA structures.

Nano-mechanical transduction of polymer micro-cantilevers to detect bio-molecular interactions

Using variothermal polymer micro-injection molding, disposable arrays of eight polymer micro-cantilevers each 500 μm long, 100 μm wide and 25 μm thick were fabricated. The present study took advantage of an easy flow grade polypropylene. After gold coating for optical read-out and asymmetrical sensitization, the arrays were introduced into the Cantisens(®) Research system to perform mechanical and functional testing. We demonstrate that polypropylene cantilevers can be used as biosensors for medical purposes in the same manner as the established silicon ones to detect single-stranded DNA sequences and metal ions in real-time. A differential signal of 7 nm was detected for the hybridization of 1 μM complementary DNA sequences. For 100 nM copper ions the differential signal was found to be (36 ± 5) nm. Nano-mechanical sensing of medically relevant, nanometer-size species is essential for fast and efficient diagnosis.

Chiral Templating Activity of Tris(bipyridine)ruthenium(II) Cation in the Design of Three-Dimensional (3D) Optically Active Oxalate-Bridged {[Ru(bpy) 3 ][Cu 2 x Ni 2(1 - x ) (C 2 O 4 ) 3 ]} n (0 ≤ x ≤ 1; bpy = 2,2‘-bipyridine): Structural, Optical, and Magnetic Studies

Three-dimensional oxalate-based {[Ru(bpy)3][Cu2xNi2(1-x)(ox)3]}n (0≤ x ≤ 1, ox = C2O42-, bpy = 2,2‘bipyridine) were synthesized. The structure was determined for x = 1 by X-ray diffraction on single crystal. The compound crystallizes in the cubic space group P4132. It shows a three-dimensional 10-gon 3-connected (10,3) anionic network where copper(II) has an unusual tris(bischelated) environment. X-ray powder diffraction patterns and their Rietveld refinement show that all the compounds along the series are isostructural and single-phased. According to X-ray absorption spectroscopy, copper(II) and nickel(II) have an octahedral environment, respectively elongated and trigonally distorted. As shown by natural circular dichroism, the optically active forms of {[Ru(bpy)3][CuxNi2(1-x)(ox)3]}n are obtained starting from resolved Δ- or Λ-[Ru(bpy)3]2+. The Curie−Weiss temperatures range between −55 (x = 1) and −150 K (x = 0). The antiferromagnetic exchange interaction thus decreases when the copper contents increases in agreement with the crystallographic structure of the compounds and the electronic structure of the metal ions. At low temperature, the compounds exhibit complex long-range ordered magnetic behavior.

Iron-Promoted Nucleophilic Additions to Diimine-Type Ligands: A Synthetic and Structural Study

We report here three examples of the reactivity of protic nucleophiles with diimine-type ligands in the presence of FeII salts. In the first case, the iron-promoted alcoholysis reaction of one nitrile group of the ligand 2,3-dicyano-5,6-bis(2-pyridyl)-pyrazine (L1) permitted the isolation of an stable E-imido−ester, [Fe(L1‘)2](CF3SO3)2 (1), which has been characterized by spectroscopic studies (IR, ES-MS, Mössbauer), elemental analysis, and crystallographically. Compound 1 consists of mononuclear octahedrally coordinated FeII complexes where the FeII ion is in its low-spin state. The iron-mediated nucleophilic attack of water to the asymmetric ligand 2,3-bis(2-pyridyl)pyrido[3,4-b]pyrazine (L2) has also been studied. In this context, the crystal structures of two hydration−oxidation FeIII products, [Fe(L2‘)2](ClO4)3·3CH3CN (2) and trans-[FeL2‘‘Cl2] (3), are described. Compounds 2 and 3 are both mononuclear FeIII complexes where the metals occupy octahedral positions. In principle, L2 is expected to coordinate to metal ions through its bipyridine-type units to form a five-membered ring; however, this is not the case in compounds 2 and 3. In 2, the ligand coordinates through its pyridines and through the hydroxyl group attached to the pyrazine imino carbon after hydration, that is, in an N,O,N tridentate manner. In compound 3, the ligand has suffered further transformations leading to a very stable diamido complex. In this case, the metal ion achieves its octahedral geometry by means of two pyridines, two amido N atoms, and two axial chlorine atoms. Magnetic susceptibility measurements confirmed the spin state of these two FeIII species:  compounds 2 and 3 are low-spin and high-spin, respectively.