Progettazione e sintesi di nuovi derivati azetidinonici biologicamente attivi

In this PhD-thesis new synthetic approaches towards new azetidinone derivatives are described. In particular, 4-alkyliden-β-lactams were used as starting materials for the preparation of new biologically active compounds. The carbapenem Thienamycin has got a broad spectrum of activity as antibiotic. It has got 3 stereocenters and apart of one epimer, all isomers have been synthesized. Using the 4-alkyliden-β-lactam benzilyc ester as precursor, we developed a synthesis for this missing epimer, which is described in chapter II. Biological tests in order to establish its biological activity are under way. The Hunsdiecker-Borodine reaction was extensively studied for the preparation of the mono halogenated and – surprisingly – the dihalogenated derivative from the 4-alkyliden-azetidinone carboxylic acid. The herein described synthetic procedures allowed the preparation of chloro-, bromo- and iodo derivatives in good to excellent yield. Furthermore, the reaction mechanism was investigated by NMR-experiments and is described in detail in chapter III. In chapter IV, synthetic approaches towards new β-lactam derivatives for inhibition of the histone deacetylase enzymes (HDACs) are reported. In collaboration with the company Sigma-Tau (Rome), 14 new β-lactams were synthesized. The new β-lactams were evaluated for the activity showing a promising activityparticulary, 10 of the β-lactams synthesized were evaluated for the in vitro inhibitory activity against the 11 human HDACs isoforms and they showed a selective inhibition of HDAC6 or HDAC8 in micromolar range. Finally, preliminary studies were conducted for the employment of 4-alkyliden-β-lactams as precursors for the synthesis of chiral β-amino acids by an opening of the β-lactam ring. In chapter V is described the ring opening reaction catalyzed by the enzyme lipase Cal-B. Preliminary results have shown that the enzyme not only catalyzes the ring opening of the β-lactam precursor, moreover, it leads to the formation of a cyclic dimer by the reaction of two molecules of β-amino acid obtained.

Struktur- und Funktionsuntersuchungen des C 4-Dicarboxylat-Sensors DcuS von Escherichia coli

Das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert die Expression der Gene der anaeroben Fumaratatmung in E. coli in Abhängigkeit von externen C4-Dicarbonsäuren. Die membranständige Histidinkinase DcuS detektiert den Reiz und leitet ihn über die Membran an den Responseregulaor DcuR weiter, der die Aktivität der Zielgene reguliert. Das Substratspektrum von DcuS wurde näher untersucht und strukturelle Eigenschaften der Substrate sowie ihre Affinität zu DcuS bestimmt. Es wird vermutet, dass Histidinkinasen im aktiven Zustand als Dimere oder höhere Oligomere vorliegen. Der Oligomerisierungszustand von DcuS in der Membran wurde mittels EPR-Spektroskopie untersucht. Es wurden funktionelle Cysteinmutanten von DcuS hergestellt, die nur an bestimmten Positionen der periplasmatischen Domäne Cysteinreste, aber sonst keine weiteren Cysteinreste, enthielten. Die Proteine wurden isoliert, über die Cysteinreste mit Nitroxiden markiert und in Liposomen rekonstituiert. Erste EPR-Messungen zeigten, dass rekonstituiertes DcuS in einem geordneten Zustand in der Membran vorliegt, der diskrete Abstände zwischen den Monomeren aufweist. Die Struktur von rekonstituiertem DcuS in der Membran soll durch Festkörper-NMR aufgeklärt werden. Ein geeignetes C-terminal verkürztes Konstrukt, DcuS-PD/PAS wurde zu diesem Zweck hergestellt. Das Protein ließ sich in hoher Reinheit isolieren und konnte wieder in Liposomen rekonstituiert werden. Vorbereitende NMR-Messungen zeigten, dass eine Strukturaufklärung an diesem Protein möglich ist. Weitere Strukturuntersuchungen werden zur Zeit durchgeführt.

Struktur-Dynamik-Beziehungen in amorphen festen Lösungen

Feste Lösungen homogen dispergierter Wirkstoffmoleküle in amorphen Polymermatrizen sind wichtige Materialien in vielen pharmazeutischen Anwendungen, bei denen eine kontrollierte Abgabe wasserunlöslicher Wirkstoffe in wässrige Systeme eine Rolle spielt. Die intermolekulare Bindungs-stärke zwischen Polymer- und Wirkstoffmolekülgruppen bestimmt die Stabilität der festen Lösung und steuert somit die biologische Aktivität der Wirkstoffmoleküle. In festen Lösungen, die aus acryl-säurehaltigen Copolymeren (Protonendonoren) und basischen Wirkstoffmolekülen (Protonenakzepto-ren) hergestellt werden, sind intermolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den Systemkomponenten Triebkraft für die Bildung einer stabilen homogenen Dispersion und für die Entstehung struktureller Merkmale zwischen den Molekülgruppen der Systemkomponenten. Zudem ist die Bindungsstärke der Wasserstoffbrücken im Hinblick auf die kontrollierte Abgabe der Wirkstoffe von Bedeutung. Da dynamische chemische Gleichgewichte bei der Bildung der Wasserstoffbrücken eine wichtige Rolle spielen müssen neben strukturellen Parametern auch dynamische Faktoren beleuchtet werden. Ziel dieser Arbeit ist neben der Ermittlung von intermolekularen Bindungsstärken vor allem die Identifika-tion struktureller Verhältnisse zwischen den Systemkomponenten auf molekularer Ebene. Die Be-stimmung der Abhängigkeit dieser Parameter von der Struktur der verwendeten Polymere und einer Vielzahl weiterer Einflüsse wie z.B. Feuchtigkeit, Lagerdauer oder Wirkstoffkonzentration soll ein kontrolliertes Design fester Lösungen mit definierten anwendungsspezifischen Eigenschaften ermögli-chen. Temperaturabhängige 1H-Festkörper-MAS-NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) Experimente an festen Lösungen mit unterschiedlichen Copolymer-Zusammensetzungen weisen die Existenz dynamischer chemischer Gleichgewichte in den komplexen Wasserstoffbrücken-netzwerken nach. Veränderungen in der chemischen Verschiebung und in der Linienform der Reso-nanzlinien acider Protonen erlauben einen tiefen Einblick in die Architektur dieser Netzwerke und legen die Bindungsverhältnisse unter Berücksichtigung der Polymerchemie und der Mobilität der Systemkomponenten dar, wobei die Befunde mithilfe quantenchemischer Rechnungen untermauert werden können. Die Gegenwart acider Protonen ermöglicht einen einfachen 1H-2H-Austausch, wor-aufhin mithilfe rotorsynchronisierter temperaturabhängiger 2H-MAS-NMR Experimente die Wasser-stoffbrückenbindungsstärke bestimmt werden kann. Mit 1H-1H-Korrelationsexperimenten (Doppelquantenspektroskopie) stehen Methoden für die Bestimmung homonuklearer dipolarer 1H-1H-Kopplungen zur Verfügung, die strukturelle Aussagen aufgrund von bevorzugten räumlichen Kontak-ten bestimmter Molekülgruppen ermöglichen. Weiterhin können diese Experimente verwendet werden, um Wasserstoffbrücken zwischen Polymergruppen von Polymer-Wirkstoff-Wasserstoffbrücken zu unterscheiden, wodurch eine quantitative Beschreibung des Bindungsnetzwerks und der Konkurrenz-prozesse zwischen den einzelnen wasserstoffverbrückten Spezies ermöglicht wird. Eine Kristallisation der Wirkstoffmoleküle ist in vielen Anwendungen unerwünscht, da sie die biologische Verfügbarkeit des Wirkstoffs reduzieren. Mit 1H-Festkörper-MAS-NMR Experimenten können kristalline von amorph dispergierten Wirkstoffmolekülen unterschieden werden, wodurch eine Quantifizierung der Destabilisierungsprozesse ermöglicht wird, die durch Exposition der festen Lösungen mit Wasserdampf ausgelöst werden können. Die Zeit- und Konzentrationsabhängigkeit der Wasseraufnahme kann mit NMR-Experimenten verfolgt werden, wobei unterschiedlich mobile Was-serspezies an unterschiedlichen Bindungsorten identifiziert werden können, was zum molekularen Verständnis der Destabilisierungsprozesse beiträgt. Zusätzlich wird die Mobilität der Wirkstoffmole-küle bestimmt, die sich – wie auch die Wirkstoffkonzentration - als wichtige Größe in der Beschrei-bung der Destabilisierung erweist. Aufbauend auf den Beobachtungen wird ein Zusammenhang zwischen der Copolymerzusammensetzung und einer kritischen Wirkstoffkonzentration hergestellt, der für die Anwendungen amorpher fester Lösungen in biologischen Systemen von großer Bedeutung ist.

Advances in hardware and molecular design of polarizing agents for dynamic nuclear polarization

Die Kernmagnetresonanz (NMR) ist eine vielseitige Technik, die auf spin-tragende Kerne angewiesen ist. Seit ihrer Entdeckung ist die Kernmagnetresonanz zu einem unverzichtbaren Werkzeug in unzähligen Anwendungen der Physik, Chemie, Biologie und Medizin geworden. Das größte Problem der NMR ist ihre geringe Sensitivtät auf Grund der sehr kleinen Energieaufspaltung bei Raumtemperatur. Für Protonenspins, die das größte magnetogyrische Verhältnis besitzen, ist der Polarisationsgrad selbst in den größten verfügbaren Magnetfeldern (24 T) nur ~7*10^(-5).rnDurch die geringe inhärente Polarisation ist folglich eine theoretische Sensitivitätssteigerung von mehr als 10^4 möglich. rnIn dieser Arbeit wurden verschiedene technische Aspekte und unterschiedliche Polarisationsagenzien für Dynamic Nuclear Polarization (DNP) untersucht.rnDie technische Entwicklung des mobilen Aufbaus umfasst die Verwendung eines neuen Halbach Magneten, die Konstruktion neuer Probenköpfe und den automatisierten Ablauf der Experimente mittels eines LabVIEW basierten Programms. Desweiteren wurden zwei neue Polarisationsagenzien mit besonderen Merkmalen für den Overhauser und den Tieftemperatur DNP getestet. Zusätzlich konnte die Durchführbarkeit von NMR Experimenten an Heterokernen (19F und 13C) im mobilen Aufbau bei 0,35 T gezeigt werden. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten der Polarisationstechnik DNP auf, wenn Heterokerne mit einem kleinen magnetogyrischen Verhältnis polarisiert werden müssen.rnDie Sensitivitätssteigerung sollte viele neue Anwendungen, speziell in der Medizin, ermöglichen.

Synthese von Sialyl-Lewis-X-Mimetika durch stereoselektive ortho-C-Glycosylierung von Phenolen

Ziel der Arbeit war es, Sialyl-LewisX-Mimetika auf Basis ortho-C-glycosylierter Phenole als Inhibitoren für die Selektin-Ligand-Wechselwirkungen zu synthetisieren. Dazu wurde zunächst die Stereoselektivität der ortho-C-Mannosylierung untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass bei der Umsetzung von Phenolen mit dem benzylgeschützten Mannosyl-trichloracetimidat in Gegenwart von TMSOTf selektiv das β-C-Mannosid erhalten wurde. Gleichzeitig konnte anhand der NMR-spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen werden, dass die in der Literatur beschriebenen α-C-Mannoside von Phenolen tatsächlich β-konfiguriert sind. Wenn Naphthole als Glycosylakzeptoren verwendet wurden, konnten durch Modifikation des Promotors auch die für die Synthese der Mimetika benötigten α-C-Mannoside erhalten werden, wobei ZnCl2 als Promotor die besten Ergebnisse lieferte. Allerdings zeigten die synthetisierten α-C-Mannoside und α-C-Galactoside eine Inversion des Pyranoseringes und lagen in der ungewöhnlichen 1C4-Konformation vor.rnAnschließend konnte auf diese Weise das durch Docking-Studien gefundene Mimetikum (2S)-3-Cyclohexyl-2-[7-hydroxy-8-(α-D-mannosyl)naphthalin-2-yloxy]propionsäure syntheti-siert werden. Es besaß jedoch in Zelladhäsionstests keine ausreichende Aktivität bei der Inhibierung der Selektin-Ligand-Wechselwirkung. Bei den ursprünglichen Dockingstudien war allerdings von der gewohnten 4C1-Konformation ausgegangen worden. Spätere NMR-Experimente und DFT-Berechnungen zeigten, dass das Mimetikum tatsächlich in der 1C4-Konformation vorlag und es deshalb nicht aktiv war. Die synthetisierten Stereo- und Regioisomere zeigten in Zelladhäsionstests ebenfalls keine Aktivität.rnVersuche, die α-1-C-Mannosylnaphthole zu den benötigten 1-C-2-O-Diglycosyl-naphthalinen umzusetzen waren nicht erfolgreich, da die phenolische OH-Gruppe sterisch zu sehr abgeschirmt war, um unter milden Reaktionsbedingungen glycosyliert zu werden, bzw. die α-1-C-Mannosylnaphthaline unter drastischeren Reaktionsbedingungen nicht stabil waren. Daher wurde 1-(2′,3′,4′,6′-Tetra-O-benzyl-β-D-galactopyranosyl)-2-naphthol mit 2,3,4,6-Tetra-O-acetyl-α-D-mannopyranosyl-trichloracetimidat in Gegenwart von TMSOTf zum ersten synthetischen 1-C-2-O-Diglycosyl-phenol umgesetzt. Nach Abspaltung der Schutzgruppen sollte das erhaltene 1-Galactosyl-2-O-mannosyl-naphthalin enzymatisch zum Sialyl-LewisX-Mimetikum verlängert werden. Es wurde vom Enzym jedoch nicht als Substrat erkannt. Versuche zur chemischen Anbindung des Säurebausteins stehen noch aus.rn

Synthesis and investigation of functional polymer materials

Funktionelle Materialien sind in einer Vielzahl von Materialklassen wie Polymeren, Biomaterialien, Gläsern, Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen anzutreffen. Sie besitzen eine spezifische, intrinsische Funktion, welche auf dem zu Grunde liegenden Design der Verbindung beruht. In dieser Dissertation wurden zwei funktionelle Materialien studiert: ein durch Phosphonatadditive mechanisch verstärktes Epoxidharz und protonenleitende Blockcopolymere, welche Potential für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzen. Die Materialien wurden vorranging mittels Festkörper Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht, welche sich besonders für die Untersuchung der lokalen Struktur und Dynamik amorpher Polymere eignet.rnrnPhosphonate sind eine neue Klasse sogenannter molekularer Verstärker, die die mechanischen und thermischen Kennzahlen geeigneter Epoxidharze erhöhen. Es wurde eine Reihe von Phosphonatderivaten synthetisiert um systematische den Effekt der chemischen Struktur und des Aushärteprozesses auf die Eigenschaften eines Modellepoxidharzes zu untersuchen. Die Aufklärung des Verstärkungsmechanismus ergab, dass die Phosphonate währen der thermischen Aushärtung des Epoxidharzes die Aminofunktionalitäten des Härters alkylieren. Dies führt zu der Bildung von homogen verteilten, positiven Ladungen auf der Polymerkette, während negative Phosphonatanionen als Gegenionen wirken. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Additivs einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des ausgehärteten Epoxidharzes sowie seine Alterung, d.h. den allmählichen Verlust der Verstärkung, hat.rnrnDes Weiteren wurde eine Serie von sulfonierten Blockcopolymeren synthetisiert. Es handelte sich hierbei um Multiblockcopolyimide, wobei die Polymerketten aus einer alternierenden Sequenz von sulfonierten (hydrophilen) und unsulfonierten (hydrophoben) Blöcken bestanden. Diese Polymere bilden nach einem ‚solvent cast‘ Prozess feste, duktile und transparente Membrane. Sulfonierte Blockcopolymermembrane zeigten im Vergleich mit statistisch sulfonierten Vergleichssubstanzen eine erhöhte Leitfähigkeit, sowie eine erhöhte Wasseraufnahme. Dies wurde auf eine bessere Phasenseparation im Festkörper zurückgeführt. Die Morphologie der Filme war eindeutig anisotrop und stark abhängig von der Blocklänge der Polymere. Durch diverse Festkörper-NMR Methoden konnte gezeigt werden, dass die Protonenmobilität in den Membranen von der betrachteten Längenskala abhängig ist und nicht notwendigerweise mit der makroskopisch beobachteten Leitfähigkeit korreliert.

Additions- und Umlagerungsreaktionen des Lewis-aciden Dihypersilylplumbandiyls in Umsetzungen mit monodenten und ambidenten Lewis-Basen

Die chemische Reaktivität des Dihypersilylplumbylens Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 wird durch seine besondere elektronische Struktur bestimmt. Im Unterschied zu Carbenen (Triplett-Grundzustand) liegen Plumbylene im Grundzustand als Singulett vor, mit einem energetisch hochliegenden HOMO (freies Elektronenpaar mit hohem s-Charakter) und einem tiefliegenden LUMO (näherungsweise: freies p-Orbital des Pb-Atoms). Daraus resultiert das amphotere Lewis-Säure/Lewis-Base-Verhalten der Verbindung, mit der Besonderheit, dass sich die beiden Lewis-Zentren am selben Atom befinden. rnIn Umsetzungen mit monodenten und ambidenten Lewis-Basen wurden die Lewis-aciden Eigenschaften des Dihypersilylplumbandiyls Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 untersucht. Reaktionen mit den sterisch anspruchsvollen O-Nucleophilen KOtBu (Kalium-tert-Butanolat) und KOiPrPh (4-Kaliumisopropylphenolat) führten bei tiefen Temperaturen zur primären Adduktbildung. Die aus der Strukturanalyse erhaltenen Bindungsdaten zeigen die extreme sterische Überfrachtung des zentralen Blei-Atoms. Der Abbau der sterischen Spannung ist möglicherweise die Ursache für offensichtlich stattfindende Umlagerungsfolgereaktionen (bei Reaktionsführungen bei T>-60°C), die aufgrund spektroskopische Untersuchungen zu vermuten sind.rnEingehender wurden diese Umlagerungsreaktionen in Umsetzungen des Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 mit ambidenten Lewis-Basen untersucht. In Übereinstimmung und Erweiterung mit früheren Ergebnissen von Klinkhammer (K. Klinkhammer, Polyhedron, 2002, 21, 587) konnte beispielsweise die Migration einer (mit der ambidenten Lewis-Base tert-Butylisonitril) bzw. beider Hypersilylgruppen (mit p-Tolylisocyanat) unter Bildung hetero- bzw. homoleptischer Plumbylene nachgewiesen werden.rnReaktionen des Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 mit den anorganischen ambidenten Salz-Ionen CN-, OCN-, SCN-, N3-, NO2- führen zur Bildung salzartiger Plumbanide der Zusammensetzung Me{Pb[Si(Si(CH3)3)3]2}Nu (Me: Na bzw. K, Nu: CN, OCN, SCN, N3, NO2). Die Verbindungen liegen im Kristall monomer als Kontaktionenpaar vor. Auf diese Weise gelang erstmalig die gezielte Synthese eines Blei(II)cyanids sowie die Darstellung eines Blei(II)isocyanats. rn

Valorisation of organic waste: new developments from proton nuclear magnetic resonance characterization

The last half-century has seen a continuing population and consumption growth, increasing the competition for land, water and energy. The solution can be found in the new sustainability theories, such as the industrial symbiosis and the zero waste objective. Reducing, reusing and recycling are challenges that the whole world have to consider. This is especially important for organic waste, whose reusing gives interesting results in terms of energy release. Before reusing, organic waste needs a deeper characterization. The non-destructive and non-invasive features of both Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry and imaging (MRI) make them optimal candidates to reach such characterization. In this research, NMR techniques demonstrated to be innovative technologies, but an important work on the hardware and software of the NMR LAGIRN laboratory was initially done, creating new experimental procedures to analyse organic waste samples. The first results came from soil-organic matter interactions. Remediated soils properties were described in function of the organic carbon content, proving the importance of limiting the addition of further organic matter to not inhibit soil processes as nutrients transport. Moreover NMR relaxation times and the signal amplitude of a compost sample, over time, showed that the organic matter degradation of compost is a complex process that involves a number of degradation kinetics, as a function of the mix of waste. Local degradation processes were studied with enhanced quantitative relaxation technique that combines NMR and MRI. The development of this research has finally led to the study of waste before it becomes waste. Since a lot of food is lost when it is still edible, new NMR experiments studied the efficiency of conservation and valorisation processes: apple dehydration, meat preservation and bio-oils production. All these results proved the readiness of NMR for quality controls on a huge kind of organic residues and waste.

A pterocarpan from the seeds of Bituminaria morisiana

A new prenylated pterocarpan, named morisianine, was isolated together with the known secondary metabolites erybraedin C, psoralen and angelicin from the seeds of Bituminaria morisiana. The structures of the compounds were elucidated mainly by 1D and 2D NMR experiments as well as mass spectrometry. The new compound was subjected to cytotoxicity screening against a panel of human cancer cells.

Distamycin-NA: A DNA Analog with an Aromatic Heterocyclic Polyamide Backbone. Part 1. Synthesis and structural analysis of monomers and dimers containing the nucleobase uracil

The synthesis of the monomeric building block 13 and its constitutional isomer 12 of a new type of DNA analog, distamycin-NA, is presented (Schemes 1 and 2). This building block consists of a uracil base attached to a thiophene core unit via a biaryl-like axis. Next to the biaryl-like axis on the thiophene chromophore, a carboxy and an amino substituent are located allowing for oligomerization via peptide coupling. The proof of constitution and the conformational preferences about the biaryl-like axis were established by means of X-ray analyses of the corresponding nitro derivatives 10 and 11. Thus, the uracil bases are propeller-twisted relative to the thiophene core, and bidentate H-bonds occur between two uracil bases in the crystals. The two amino-acid building blocks 12 and 13 were coupled to give the dimers 15 and 16 using dicyclohexylcarbodiimide (DCC) in THF/LiCl and DMF, respectively. While the dimer 15 showed no atropisomerism on the NMR time scale at room temperature, its isomer 16 occurred as distinct diastereoisomers due to the hindered rotation around its biaryl-like axis. Variable-temperature 1H-NMR experiments allowed to determine a rotational barrier of 19 ± 1 kcal/mol in 16. The experimental data were complemented by AM1 calculations.

Molecular mechanisms of prostacyclin receptor signaling: The intracellular domains in G protein coupling

To better understand the mechanisms of how the human prostacyclin receptor (1P) mediates vasodilation and platelet anti-aggregation through Gs protein coupling, a strategy integrating multiple approaches including high resolution NMR experiments, synthetic peptide, fluorescence spectroscopy, molecular modeling, and recombinant protein was developed and used to characterize the structure/function relationship of important segments and residues of the IP receptor and the α-subunit of the Gs protein (Gαs). The first (iLP1) and third (iLP3) intracellular loops of the IP receptor, as well as the Gαs C-terminal domain, relevant to the Gs-mediated IP receptor signaling, were first identified by observation of the effects of the mini gene-expressed corresponding protein segments in HEK293 cells which co-expressed the receptor and Gαs. Evidence of the IP iLP1 domain interacted with the Gαs C-terminal domain was observed by fluorescence and NMR spectroscopic studies using a constrained synthetic peptide, which mimicked the IP iLP1 domain, and the synthetic peptide, which mimicked Gαs C-terminal domain. The solution structural models and the peptide-peptide interaction of the two synthetic protein segments were determined by high resolution NMR spectroscopy. The important residues in the corresponding domains of the IP receptor and the Gαs predicted by NMR chemical shift mapping were used to guide the identification of their protein-protein interaction in cells. A profile of the residues Arg42 - Ala48 of the IP iLP1 domain and the three residues Glu392 ∼ Leu394 of the Gαs C-terminal domain involved in the IP/Gs protein coupling were confirmed by recombinant proteins. The data revealed an intriguing speculation on the mechanisms of how the signal of the ligand-activated IP receptor is transmitted to the Gs protein in regulating vascular functions and homeostasis, and also provided substantial insights into other prostanoid receptor signaling. ^

MRI and Bidimensional relaxometry sequences for macro and microstructure assessment in food models.

Physico-chemical and organoleptic characteristics of food depend largely on the microscopic level distribution of gases and water, and connectivity and mobility through the pores. Microstructural characterization of food can be accomplished by Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Nuclear Magnetic Spectroscopy (NMR) combined with the application of methods of dissemination and multidimensional relaxometry. In this work, funded by the EC Project InsideFood, several artificial food models, based on foams and gels were studied using MRI and 2D relaxometry. Two different kinds of foams were used: a sugarless and a sugar foam. Then, a half of a syringe was filled with the sugarless foam and the other half with the sugar foam. Then, MRI and NMR experiments were performed and the sample evolution was observed along 3 days in order to quantify macrostructural changes through proton density images and microstructural ones using T1T2 maps, using an inversion CPMG sequence. On the proton density images it may be seen that after 16 hours it was possible to differentiate the macrostructural changes, as the apparition of free water due to a syneresis phenomenon. On the interface it can be seen a brighter area after 16 hours, due to the occurrence of free water. Moreover, thanks to the bidimensional relaxometry (T1-T2) it was possible to differentiate among microscopic changes. Differences between the pores size can be observed as well as the microstructure evolution after 30.5 hours, as a consequence differences are shown on free water redistribution through larger pores and capillarity phenomena between both foams.

Correlation of the structural and functional domains in the membrane protein Vpu from HIV-1

Vpu is an 81-residue membrane protein encoded by the HIV-1 genome. NMR experiments show that the protein folds into two distinct domains, a transmembrane hydrophobic helix and a cytoplasmic domain with two in-plane amphipathic α-helices separated by a linker region. Resonances in one-dimensional solid-state NMR spectra of uniformly 15N labeled Vpu are clearly segregated into two bands at chemical shift frequencies associated with NH bonds in a transmembrane α-helix, perpendicular to the membrane surface, and with NH bonds in the cytoplasmic helices parallel to the membrane surface. Solid-state NMR spectra of truncated Vpu2–51 (residues 2–51), which contains the transmembrane α-helix and the first amphipathic helix of the cytoplasmic domain, and of a construct Vpu28–81 (residues 28–81), which contains only the cytoplasmic domain, support this structural model of Vpu in the membrane. Full-length Vpu (residues 2–81) forms discrete ion-conducting channels of heterogeneous conductance in lipid bilayers. The most frequent conductances were 22 ± 3 pS and 12 ± 3 pS in 0.5 M KCl and 29 ± 3 pS and 12 ± 3 pS in 0.5 M NaCl. In agreement with the structural model, truncated Vpu2–51, which has the transmembrane helix, forms discrete channels in lipid bilayers, whereas the cytoplasmic domain Vpu28–81, which lacks the transmembrane helix, does not. This finding shows that the channel activity is associated with the transmembrane helical domain. The pattern of channel activity is characteristic of the self-assembly of conductive oligomers in the membrane and is compatible with the structural and functional findings.

Role of the J-domain in the cooperation of Hsp40 with Hsp70

The Escherichia coli Hsp40 DnaJ and Hsp70 DnaK cooperate in the binding of proteins at intermediate stages of folding, assembly, and translocation across membranes. Binding of protein substrates to the DnaK C-terminal domain is controlled by ATP binding and hydrolysis in the N-terminal ATPase domain. The interaction of DnaJ with DnaK is mediated at least in part by the highly conserved N-terminal J-domain of DnaJ that includes residues 2–75. Heteronuclear NMR experiments with uniformly 15N-enriched DnaJ2–75 indicate that the chemical environment of residues located in helix II and the flanking loops is perturbed on interaction with DnaK or a truncated DnaK molecule, DnaK2–388. NMR signals corresponding to these residues broaden and exhibit changes in chemical shifts in the presence of DnaK(MgADP). Addition of MgATP largely reversed the broadening, indicating that NMR signals of DnaJ2–75 respond to ATP-dependent changes in DnaK. The J-domain interaction is localized to the ATPase domain of DnaK and is likely to be dominated by electrostatic interactions. The results suggest that the J-domain tethers DnaK to DnaJ-bound substrates, which DnaK then binds with its C-terminal peptide-binding domain.

Protein folding from a highly disordered denatured state: The folding pathway of chymotrypsin inhibitor 2 at atomic resolution

Previous experimental and theoretical studies have produced high-resolution descriptions of the native and folding transition states of chymotrypsin inhibitor 2 (CI2). In similar fashion, here we use a combination of NMR experiments and molecular dynamics simulations to examine the conformations populated by CI2 in the denatured state. The denatured state is highly unfolded, but there is some residual native helical structure along with hydrophobic clustering in the center of the chain. The lack of persistent nonnative structure in the denatured state reduces barriers that must be overcome, leading to fast folding through a nucleation–condensation mechanism. With the characterization of the denatured state, we have now completed our description of the folding/unfolding pathway of CI2 at atomic resolution.