Crystal structures and magnetic properties of CuX2(pdmp)2 complexes (X = Br, Cl)

We report the synthesis and the structural and magnetic characterization of two new compounds: dibromobis-(pdmp)copper(II), CuBr2C22H24N4 (1), and dichlorobis(pdmp)copper(II), CuCl2C22H24N4 (2), where pdmp = 1-phenyl-3,5-dimethylpyrazole. The structures were refined by full-matrix least-squares techniques to R1 = 0.0620 and 0.0777, respectively. Compound 1 belongs to the space group P21/n with a = 8.165(5) Å, b = 10.432(3) Å, c = 13.385(4) Å, β = 100.12(4)̊, and Z = 2. Compound 2 belongs to the space group P21/c with a = 8.379(2) Å, b = 22.630(2) Å, c = 12.256(2) Å, β= 98.43(3)°, and Z = 4. It has the same molecular formula as a compound reported previously but a different crystal structure. Detailed single-crystal EPR measurements were performed for single-crystal samples of 1 and 2 at 9 and 35 GHz and at room temperature. The positions and line widths of the EPR lines were measured as a function of the magnetic field orientation in three orthogonal planes. The data were used to study the electronic properties of the copper ions and to evaluate the exchange interactions between them. Our results are discussed in terms of the electronic pathways for superexchange between copper ions, which are provided by the stacking of pyrazole and phenyl rings of neighboring molecules and by hydrogen-halogen bonds. © 1999 American Chemical Society.

Caracterização de lodo gerado em estações de tratamento de água: perspectivas de aplicação agrícola

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento de um método de análise por injeção em fluxo (FIA) para determinação de dissulfeto de tetrametiltiuram (tiram) utilizando reagente imobilizado em reator de fase sólida (RFS)

Pós-graduação em Química - IBILCE

Interação entre as substâncias húmicas de sedimentos e metais potencialmente tóxicos: um estudo na Bacia Hidrográfica do Turvo/Grande

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Cassava root husks powder as green adsorbent for the removal of Cu(II) from natural river water

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Potencial biotecnológico de rizóbios como bioemulsificante e biossorvente de cobre e cromo

Pós-graduação em Microbiologia Agropecuária - FCAV

Untersuchungen zur rekombinanten Expression und Faltung pflanzlicher Tyrosinasen

In ihrer dualen Funktion als Monophenolhydroxylase (EC 1.14.18.1) und Diphenoloxidase (EC 1.10.3.1) ist die Tyrosinase das Schlüsselenzym der Melanogenese, der Synthese des Melanins, und übernimmt damit quer durch alle Organismenreiche Aufgaben von der Pigmentierung bis hin zu einer Beteiligung an der Immunantwort. Sie zählt, zusammen mit den Catecholoxidasen und Hämocyaninen, zu den Typ-3-Kupfer-Proteinen, die sich durch ein Aktives Zentrum auszeichnen, das in der Lage ist, Sauerstoff und phenolische Substrate reversibel zwischen zwei Kupfer-Ionen zu binden. Bisher konnte weder die Funktion der pflanzlichen Tyrosinase genau identifiziert, noch die Struktur eines solchen Enzyms aufgeklärt werden. Mit dem späteren Ziel, durch eine röntgenkristallographische Analyse die zugrunde liegende strukturelle Ursache der zusätzlichen Monophenolhydroxylase-Aktivität von Tyrosinasen gegenüber reinen Catecholoxidasen ermitteln zu können, wurde in dieser Arbeit ein bakterielles Expressionssystem entwickelt, das zur Herstellung einer rekombinanten Tyrosinase oder Polyphenoloxidase (PPO) aus Spinacia oleracea (Spinat) für die Kristallisation verwendet werden kann. Das rekombinante Protein wurde in Form von Inclusion Bodies isoliert, anhand einer Affinitätschromatographie aufgereinigt und in anschließende Rückfaltungsexperimente eingesetzt. In einer parallelen Versuchsreihe konnte Spinat, aufgrund seiner hohen Tyrosinaseaktivität, als geeignetes Objekt für die Isolation des nativen Enzyms identifiziert werden. Im Anschluss an eine Thylakoidpräparation, Solubilisierung der Thylakoidmembranen und Fällung des Proteins mit Ammoniumsulfat, wurden Experimente zur weiteren Anreicherung der Tyrosinase-Aktivität über eine Anionenaustausch-Chromatographie und zur Etablierung einiger nachfolgender Aufreinigungsschritte durchgeführt.

Biochemische, strukturelle und funktionelle Untersuchungen der Tyrosinase aus Streptomyces castaneoglobisporus HUT6202

Die Tyrosinase aus Streptomyces castaneoglobisporus HUT6202 ist für biochemische und strukturelle Untersuchungen besonders gut geeignet, da sie als globuläres binäres Protein vorliegt. Als bakterielles Protein lässt sich die Tyrosinase aus Streptomyces in einen E.coli Expressionsstamm klonieren und exprimieren.rnIn dieser Arbeit wurde die Tyrosinase zusammen mit seinem Hilfsprotein (ORF378) polycistronisch in Escherichia coli BL21 (DE3)-Zellen heterolog exprimiert. Das Produkt der Expression ergab einen funktionellen binären Proteinkomplex, welcher mit einer Ausbeute von bis zu 0,8 mg/L über einen C-terminalen His-Tag sowie eine anschließende Größenausschlusschromatographie auf bis 95 % gereinigt werden konnte.rnDer gereinigte binäre Komplex aus Tyrosinase und Hilfsprotein wurde mit Hilfe isoelektrischer Fokussierung untersucht um die jeweiligen isoelektrischen Punkte der beiden Proteine zu bestimmen (pI 4,8 für die Tyrosinase sowie 4,9 für das Hilfsprotein), welche stark von den anhand der Aminosäuresequenz errechneten pIs abweichen (6,2 und 6,4). Des Weiteren wurde die Tyrosinase auf ihre Substratspezifität getestet, wobei sich ein bevorzugter Umsatz von Kaffeesäure (Km 1,4 mM; Vmax 21.5 µM min-1) und p-Cumarsäure zeigte. Es erfolgte keine Katalyse von Tyrosin und Tyramin sowie nur in geringem Maß von L-Dopa. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass ein enzymatischer Umsatz nur stattfindet, nachdem die Tyrosinase mit CuSO4 aktiviert wurde. Eine Aktivierung mit SDS konnte nicht beobachtet werden.rnZur Untersuchung der Aktivierung des binären Komplexes lässt sich mit Hilfe dynamischer Lichtstreuung und analytischer Ultrazentrifugation eine Dissoziation des Komplexes in seine monomeren Komponenten nach Aktivierung mit CuSO4 vermuten. Dies würde den bislang hypothetisch angenommenen Mechanismus der Aktivierung der Tyrosinase aus S.castaneoglobisporus bestätigen.rnIn silico-Arbeiten wurden durchgeführt um ein tieferes Verständnis der Substratspezifität zu bekommen. Substrat-Docking-Experimente bestätigten die im Labor erhaltenen Ergebnisse. Eine Strukturanalyse deutet auf eine sterische Hinderung der Substrataufnahme für Substrate mit sekundären Aminogruppen hin. rnAnalysen des Protein-Interface von Tyrosinase und Hilfsprotein konnten kupferfixierende Faltungsmotive an der Oberfläche des Hilfsproteins aufzeigen. Bei diesen handelt es meist um 3-4 polare Aminosäuren, welche in der Lage sind, ein Kupferatom zu fixieren. Durch die Bindung der Kupferatome an die fixierenden Motive werden wahrscheinlich zahlreiche Wasserstoff-brückenbindungen getrennt, welche den Komplex in seiner inaktiven Form stabilisieren.rn

Magnetische Wechselwirkung Spin-Austauschgekoppelter Systeme mit Nitroxid und Nitronyl-Nitroxid Radikalen

Bei der Untersuchung molekularer magnetischer Materialien spielen Metall-Radikal Verbindungen eine bedeutende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt stützt sich auf die Familie der Nitronyl-Nitroxid (NIT) Radikale, die sich durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Im sogenannten „Metall-Radikal Ansatz“ wurden die starken Austauschwechselwirkungen zwischen stabilen Radikalen und Übergangsmetallionen in mehrdimensionalen Netzwerken ausgiebig untersucht. Um diese Netzwerke mit NIT Radikalen aufzubauen, müssen zusätzliche funktionelle Gruppen, mit einem Abstand zur spintragenden Einheit, in das Molekül eingebaut werden. Dies kann zu einer zusätzlichen schwachen Spinaustauschwechselwirkung führen. Um diese Wechselwirkung zwischen Metalldimeren mit einem einzelnen Benzoat annalogen NIT-Radikal zu untersuchen, wurden dimere Mangan(II), Kobalt(II) und Zink(II) Komplexe mit dem Chelatliganden N,N,N',N'-Tetrakis(2-benzimid-azolylalkyl)-2-hydroxy-1,3-diamino-propan synthetisiert und zusätzlich über eine periphere Carboxylat Gruppe eines NIT Radikals verbrückt.rnDie Messungen der magnetischen Suszeptibilität weisen auf eine dominante antiferromagnetische Wechselwirkung in der Metall-Radikal Verbindung hin, bei der es sich um die Spin-Austauschwechselwirkung innerhalb des Metalldimers handelt. Durch den Vergleich mit analogen Nitrobenzoat- verbrückten Mangan(II) und Kobalt(II) Verbindungen konnte gezeigt werden, dass keine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachtet wird, obwohl eine Wechselwirkung der pi*-orbitale mit den delokalisierten pi-System des Phenylrings durch Spin-Polarisation grundsätzlich möglich ist. Auch ESR - Messungen bestätigen dies, da der Spingrundzustand das anisotrope Signal des freien NIT Radikals aufweist. Das Radikal verhält sich somit wie ein isoliertes S=1/2 Spin-Zentrum, was zusätzlich durch DFT-Rechnungen bekräftigt werden konnte. Zusammenfassend führt also die Koordination eines NIT-Benzoats an ein antiferromagnetisch gekoppeltes Metalldimer nur zur Anhebung des Spingrundzustandes und hat keinen signifikanten Effekt auf die Austauschwechselwirkung. Um trotzdem eine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachten zu können, ist es notwendig Koordinationsverbindungen zu synthetisieren in denen hohe Spingrundzustände besetzt werden. Dies trifft auf das analoge Kupferdimer zu, wofür eine ferromagnetische Wechselwirkung zu beobachten ist.rnNach den Regeln der Spin-Polarisation müsste die Verkürzung des Austauschpfades um eine Bindung zu einer Umkehrung des Vorzeichens der magnetischen Wechselwirkung führen. Diese Verkürzung kann man durch die Verwendung des alternativen stabilen NOA-Radikals (tert-Butyl Nitroxid) erreichen. Sowohl das NIT als auch das NOA-Radikal werden an ein Kupfer(II)-dimer koordiniert, das durch die Verwendung des oben erwähnten N6O-Liganden gebildet wurde. In der Modellverbindung, ohne einen paramagnetischen Substituenten am Benzoat, zeigen die Kupferionen eine ferromagnetische Wechselwirkung mit einem Triplett Grundzustand, dessen Existenz durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität und ESR-Spektroskopie belegt werden kann. Aufgrund der nahezu identischen Koordinationsumgebung bleibt bei allen synthetisierten Verbindungen die Kupfer-Kupfer Wechselwirkung dabei gleich. Die Daten von ESR und magnetischen Messungen zeigen weiterhin auf eine signifikante zusätzliche Metall-Radikal Wechselwirkung hin. Bei der NIT-Verbindung ist diese Austauschwechselwirkung schwach antiferromagnetisch, während die NOA-Verbindung eine schwache ferromagnetische Kopplung aufzeigt. Diese Resultate können durch DFT Rechnungen bekräftigt werden. Der Vorzeichenwechsel des Kopplungsparameters kann durch die Verkürzung des Austauschpfades vom NIT zum NOA-Benzoat um eine Bindung erklärt werden. Durch die Wahl von geeigneten Radikal- Liganden und Metallionen, zeigt sich die Möglichkeit, Systeme zu erzeugen, in denen die Radikal-Metall Wechselwirkung auch über größere Distanzen den Spin-Grundzustand des gesamten Systems signifikant beeinflussen kann. die Anwendung dieses Konzeptes auf Metall-Radikal Cluster System sollte Von großem Interesse sein.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

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.

Conversion of agonist site to metal-ion chelator site in the β2-adrenergic receptor

Previously metal-ion sites have been used as structural and functional probes in seven transmembrane receptors (7TM), but as yet all the engineered sites have been inactivating. Based on presumed agonist interaction points in transmembrane III (TM-III) and -VII of the β2-adrenergic receptor, in this paper we construct an activating metal-ion site between the amine-binding Asp-113 in TM-III—or a His residue introduced at this position—and a Cys residue substituted for Asn-312 in TM-VII. No increase in constitutive activity was observed in the mutant receptors. Signal transduction was activated in the mutant receptors not by normal catecholamine ligands but instead either by free zinc ions or by zinc or copper ions in complex with small hydrophobic metal-ion chelators. Chelation of the metal ions by small hydrophobic chelators such as phenanthroline or bipyridine protected the cells from the toxic effect of, for example Cu2+, and in several cases increased the affinity of the ions for the agonistic site. Wash-out experiments and structure–activity analysis indicated, that the high-affinity chelators and the metal ions bind and activate the mutant receptor as metal ion guided ligand complexes. Because of the well-understood binding geometry of the small metal ions, an important distance constraint has here been imposed between TM-III and -VII in the active, signaling conformation of 7TM receptors. It is suggested that atoxic metal-ion chelator complexes could possibly in the future be used as generic, pharmacologic tools to switch 7TM receptors with engineered metal-ion sites on or off at will.

The extended environment of mononuclear metal centers in protein structures

The objectives of this and the following paper are to identify commonalities and disparities of the extended environment of mononuclear metal sites centering on Cu, Fe, Mn, and Zn. The extended environment of a metal site within a protein embodies at least three layers: the metal core, the ligand group, and the second shell, which is defined here to consist of all residues distant less than 3.5 Å from some ligand of the metal core. The ligands and second-shell residues can be characterized in terms of polarity, hydrophobicity, secondary structures, solvent accessibility, hydrogen-bonding interactions, and membership in statistically significant residue clusters of different kinds. Findings include the following: (i) Both histidine ligands of type I copper ions exclusively attach the Nδ1 nitrogen of the histidine imidazole ring to the metal, whereas histidine ligands for all mononuclear iron ions and nearly all type II copper ions are ligated via the Nɛ2 nitrogen. By contrast, multinuclear copper centers are coordinated predominantly by histidine Nɛ2, whereas diiron histidine contacts are predominantly Nδ1. Explanations in terms of steric differences between Nδ1 and Nɛ2 are considered. (ii) Except for blue copper (type I), the second-shell composition favors polar residues. (iii) For blue copper, the second shell generally contains multiple methionine residues, which are elements of a statistically significant histidine–cysteine–methionine cluster. Almost half of the second shell of blue copper consists of solvent-accessible residues, putatively facilitating electron transfer. (iv) Mononuclear copper atoms are never found with acidic carboxylate ligands, whereas single Mn2+ ion ligands are predominantly acidic and the second shell tends to be mostly buried. (v) The extended environment of mononuclear Fe sites often is associated with histidine–tyrosine or histidine–acidic clusters.

The release of nitric oxide from S-nitrosothiols promotes angiogenesis

Free nitric oxide (NO) reacts with sulphydryl residues to form S-nitrosothiols, which act as NO reservoirs. We sought to determine whether thiol-preserving agents and antioxidants, such as dithiothreitol (DTT) and vitamin C, induce NO release from S-nitrosylated proteins in endothelial cell cultures to promote angiogenesis. NO release was measured directly in cell supernatants using a Sievers NO Analyser, and in vitro angiogenesis was assessed by quantifying capillary-like tube network formation of porcine aortic endothelial cells (PAEC) on growth factor-reduced Matrigel. Incubation of PAEC with DTT or vitamin C significantly increased NO release in a concentration-dependent manner. However, the nitric oxide synthase (NOS) inhibitors, L-NNA and L-NIO, had no effect on DTT- or vitamin C-induced NO release, and there was no concomitant increase in the phosphorylation of endothelial NOS at serine-1177 following DTT or vitamin C treatment. DTT and vitamin C increased capillary-like tube network formation by nine- and two-fold, respectively, and the addition of copper ions doubled the effect of vitamin C. Surprisingly, DTT maintained endothelial tube networks for up to one month under serum-free conditions, and selective inhibitors of guanylyl cyclase (ODQ) and PKG (KT-5823) blocked this, demonstrating the requirement of cyclic GMP and PKG in this process. Both DTT and vitamin C are capable of releasing sufficient NO from S-nitrosothiols to induce capillary morphogenesis. This study provides the first evidence that increased denitrosylation leads to increased bioavailability of NO, independent of NOS activity, to promote sustained angiogenesis.

Remoção de metais utilizando o hexadecanoato de sódio

Industrial activities like mining, electroplating and the oil extraction process, are increasing the levels of heavy metals such as Cu, Fe, Mg and Cd in aquatic ecosystems. This increase is related to the discharge of effluents containing trace of this elements above the maximum allowed by law. Methods such as ion exchange, membrane filtration and chemical precipitation have been studied as a means of treatment of these metals contamination. The precipitation of metals using anionic surfactants derived from carboxylic acids emerged as an alternative for the removal of metals from industrial effluents. The reaction between bivalent ions and these types of surfactants in aqueous solution leads to the formation of metal carboxylates, which can precipitate in the form of flakes and are subsequently removed by a process of decantation or simple filtration. In this work the metals extraction is performed by using the surfactant sodium hexadecanoate as extracting agent. The main purpose was to study the effect of temperature, solution pH, and concentration of surfactant in the metal removal process. The statistical design of the process showed that the process is directly dependent to changes in pH and concentration of surfactant, but inversely proportional and somewhat dependent to temperature variation, with the latter effect being considered negligible in most cases. The individual study of the effect of temperature showed a strong dependence of the process with the Kraft point, both for the surfactant used as extracting agent, as for the surfactant obtained after the reaction of this surfactant with the metal. From data of temperatures and concentrations of the surfactant was possible to calculate the equilibrium constant for the reaction between sodium hexadecanoate and copper ions. Later, thermodynamic parameters were determined, showing that the process is exothermic and spontaneous.