The formation of OH radicals from Criegee intermediates: a LIF-FAGE study from laboratory to ambient

Das Hydroxyl Radikal ist, auf globalem Maßstab, das bedeutendste Oxidant in der Atmosphäre. Es initiiert den Abbauprozess vieler, teilweise schädlicher, Spurengase und insbesondere den von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (VOC). Die OH Konzentration ist somit ein gutes Maß für die augenblickliche Selbstreinigungskapazität der Atmosphäre. Messungen zu nächtlicher Zeit mit LIF-FAGE-Instrumenten (engl.: laser-induced fluorescence - fluorescence assay by gas expansion) haben Konzentrationen des Hydroxylradikals (OH) ergeben, die signifikant höher waren, als sich mit der bekannten Chemie erklären ließ. Um herauszufinden, ob ein solches Signal wirklich atmosphärisches OH ist oder von einer störenden Spezies stammt, die im Messinstrument OH produziert, wurde das LIF-FAGE-Instrument des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) im Rahmen dieser Doktorarbeit modifiziert und getestet. Dazu wurde ein so genannter Inlet Pre-Injector (IPI) entwickelt, mit dem in regelmäßigen Abständen ein OH-Fänger in die Umgebungsluft abgegeben werden kann, bevor das OH vom Instrument erfasst wird. Mit dieser Technik ist es möglich, ein Hintergrund-OH (OHbg), d. h. ein im Instrument erzeugtes OH-Signal, vom gemessenen OH-Gesamtsignal (OHtot) zu trennen. Die Differenz zwischen OHtot und OHbg ist die atmosphärische OH-Konzentration (OHatm). Vergleichsmessungen mit der hier entwickelten Technik, dem IPI, in zwei verschiedenen Umgebungen mit Instrumenten basierend auf Massenspektrometrie mit chemischer Ionisation (CIMS, engl.: chemical ionization mass spectrometry) als alternativer Methode des OH-Nachweises, zeigten eine weitgehende Übereinstimmung. Eine umfassende Beschreibung des Systems zur Ermittlung der Ursache des OHbg hat ergeben, dass es weder von einem Artefakt des Instruments noch von hinlänglich bekannten und beschriebenen LIF-FAGE-Interferenzen stammt. Zur Bestimmung der Spezies, die das OHbg-Signal verursacht, wurden verschiedene Laborstudien durchgeführt. Die Arbeit im Rahmen dieser Doktorarbeit hat ergeben, dass das LIF-FAGE-Instrument leicht auf OH reagiert, das beim monomolekularen Zerfall stabilisierter Criegee-Intermediate (SCI) im Niederdruckbereich des Instruments gebildet wird. Criegee-Intermediate oder Carbonyloxide entstehen bei der Ozonolyse ungesättigter flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) und können daher in der Umgebungsluft vorkommen. Anhand von Tests mit verschiedenen Verweilzeiten der SCI im Niederdruckbereich des Instruments in Verbindung mit einem detaillierten Modell mit der neuesten SCI-Chemie wurde die monomolekulare Zerfallsgeschwindigkeit von 20  10 s-1 für den syn-Acetaldehyd-Oxykonformer bestimmt. Der in Feldkampagnen gemessene OHbg-Wert wurde dahingehend untersucht, ob SCI die Quelle des beobachteten Hintergrund-OH im Feld sein könnten. Das Budget für die SCI-Konzentration, das für die Kampagnen HUMPPA-COPEC 2010 und HOPE 2012 berechnet wurde, ergab eine SCI-Konzentration zwischen ca. 103 und 106 Molekülen pro cm3. In der Kampagne HUMPPA-COPEC 2010 ergab die Schwefelsäurekonzentration, dass die OH-Oxidation von SO2 allein die gemessene H2SO4-Konzentration nicht erklären konnte. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Hintergrund-OH mit dieser ungeklärten Produktionsrate von H2SO4 korreliert und somit die Oxidation von SO2 durch SCI als mögliche Erklärung in Frage kommt. Ferner korreliert das Hintergrund-OH in der Kampagne HOPE 2012 mit dem Produkt aus Ozon und VOC und konnte mit SO2 als SCI Fänger entfernt werden. Qualitativ zeigen wir somit, dass das in der Umgebungsluft gemessene Hintergrund-OH wahrscheinlich durch den monomolekularen Zerfall von SCI verursacht wird, doch sind weitere Studien notwendig, um die quantitativen Beziehung für diese Spezies und dem Hintergrund-OH in unserem Instrument zu bestimmen.

Synthesis in millireactor system and stability of intermediates for the functionalization of imidazole

This Master thesis presents the results obtained in the curricular traineeship, carried out within the laboratories of the Department of Chemistry of the University of Bergen, during the Erasmus period, and within the Department of Industrial Chemistry of the University of Bologna. The project followed in Bergen concerned the synthesis of key intermediates used for the functionalization of the backbone of imidazole, using N,N'- diiodo-5,5-dimethylhydantoin (“DIH”) as an iodinating agent, and employing an innovative kind of chemical reactor: the “Multijet Oscillating Disc Millireactor” (MJOD Reactor). Afterwards, the work performed in Bologna consisted in verifying the stability in solution of the above mentioned N,N'-diiodo-5,5-dimethylhydantoin utilising spectrophotometric techniques and High Performance Liquid Chromatography analyses (HPLC).

Reactive oxygen intermediates contribute to necrotic and apoptotic neuronal injury in an infant rat model of bacterial meningitis due to group B streptococci.

Reactive oxygen intermediates (ROI) contribute to neuronal injury in cerebral ischemia and trauma. In this study we explored the role of ROI in bacterial meningitis. Meningitis caused by group B streptococci in infant rats led to two distinct forms of neuronal injury, areas of necrosis in the cortex and neuronal loss in the dentate gyrus of the hippocampus, the latter showing evidence for apoptosis. Staining of brain sections with diaminobenzidine after perfusion with manganese buffer and measurement of lipid peroxidation products in brain homogenates both provided evidence that meningitis led to the generation of ROI. Treatment with the radical scavenger alpha-phenyl-tert-butyl nitrone (PBN) (100 mg/kg q8h i.p.) beginning at the time of infection completely abolished ROI detection and the increase in lipidperoxidation. Cerebral cortical perfusion was reduced in animals with meningitis to 37.5+/-21.0% of uninfected controls (P < 0.05), and PBN restored cortical perfusion to 72.0+/-8.1% of controls (P < 0.05 vs meningitis). PBN also completely prevented neuronal injury in the cortex and hippocampus, when started at the time of infection (P < 0.02), and significantly reduced both forms of injury, when started 18 h after infection together with antibiotics (P < 0.004 for cortex and P < 0.001 for hippocampus). These data indicate that the generation of ROI is a major contributor to cerebral ischemia and necrotic and apoptotic neuronal injury in this model of neonatal meningitis.

Definition of amide protection factors for early kinetic intermediates in protein folding

Hydrogen–deuterium exchange experiments have been used previously to investigate the structures of well defined states of a given protein. These include the native state, the unfolded state, and any intermediates that can be stably populated at equilibrium. More recently, the hydrogen–deuterium exchange technique has been applied in kinetic labeling experiments to probe the structures of transiently formed intermediates on the kinetic folding pathway of a given protein. From these equilibrium and nonequilibrium studies, protection factors are usually obtained. These protection factors are defined as the ratio of the rate of exchange of a given backbone amide when it is in a fully solvent-exposed state (usually obtained from model peptides) to the rate of exchange of that amide in some state of the protein or in some intermediate on the folding pathway of the protein. This definition is straightforward for the case of equilibrium studies; however, it is less clear-cut for the case of transient kinetic intermediates. To clarify the concept for the case of burst-phase intermediates, we have introduced and mathematically defined two different types of protection factors: one is Pstruc, which is more related to the structure of the intermediate, and the other is Papp, which is more related to the stability of the intermediate. Kinetic hydrogen–deuterium exchange data from disulfide-intact ribonuclease A and from cytochrome c are discussed to explain the use and implications of these two definitions.

The high mobility group protein Abf2p influences the level of yeast mitochondrial DNA recombination intermediates in vivo

Abf2p is a high mobility group (HMG) protein found in yeast mitochondria that is required for the maintenance of wild-type (ρ+) mtDNA in cells grown on fermentable carbon sources, and for efficient recombination of mtDNA markers in crosses. Here, we show by two-dimensional gel electrophoresis that Abf2p promotes or stabilizes Holliday recombination junction intermediates in ρ+ mtDNA in vivo but does not influence the high levels of recombination intermediates readily detected in the mtDNA of petite mutants (ρ−). mtDNA recombination junctions are not observed in ρ+ mtDNA of wild-type cells but are elevated to detectable levels in cells with a null allele of the MGT1 gene (Δmgt1), which codes for a mitochondrial cruciform-cutting endonuclease. The level of recombination intermediates in ρ+ mtDNA of Δmgt1 cells is decreased about 10-fold if those cells contain a null allele of the ABF2 gene. Overproduction of Abf2p by ≥ 10-fold in wild-type ρ+ cells, which leads to mtDNA instability, results in a dramatic increase in mtDNA recombination intermediates. Specific mutations in the two Abf2p HMG boxes required for DNA binding diminishes these responses. We conclude that Abf2p functions in the recombination of ρ+ mtDNA.

Transgenic tobacco plants with reduced capability to detoxify reactive oxygen intermediates are hyperresponsive to pathogen infection

Reactive oxygen intermediates (ROI) play a critical role in the defense of plants against invading pathogens. Produced during the “oxidative burst,” they are thought to activate programmed cell death (PCD) and induce antimicrobial defenses such as pathogenesis-related proteins. It was shown recently that during the interaction of plants with pathogens, the expression of ROI-detoxifying enzymes such as ascorbate peroxidase (APX) and catalase (CAT) is suppressed. It was suggested that this suppression, occurring upon pathogen recognition and coinciding with an enhanced rate of ROI production, plays a key role in elevating cellular ROI levels, thereby potentiating the induction of PCD and other defenses. To examine the relationship between the suppression of antioxidative mechanisms and the induction of PCD and other defenses during pathogen attack, we studied the interaction between transgenic antisense tobacco plants with reduced APX or CAT and a bacterial pathogen that triggers the hypersensitive response. Transgenic plants with reduced capability to detoxify ROI (i.e., antisense APX or CAT) were found to be hyperresponsive to pathogen attack. They activated PCD in response to low amounts of pathogens that did not trigger the activation of PCD in control plants. Our findings support the hypothesis that suppression of ROI-scavenging enzymes during the hypersensitive response plays an important role in enhancing pathogen-induced PCD.