Synthese und Reaktivität styrylsubstituierter p-Benzochinone

Synthese und Reaktivität styrylsubstituierter p-Benzochinone Oligo- und Poly(1,4-phenylenvinylene) (OPV, PPV) stellen eine für die Materialwissenschaft äußerst interessante Verbindungsklasse dar, die in Form von Halbleitern, Photoleitern, elektrolumineszierenden Systemen und negativen Photoresists breitgefächerte Anwendung findet. Allerdings stellt die Alterung dieser Materialien in Gegenwart von Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln ein signifikantes Problem dar. So wird z. B. die technische Anwendung von Leuchtdioden auf Polymerbasis durch ihre geringe Betriebsdauer eingeschränkt. Als Beitrag zur Untersuchung des oxidativen Abbaus von Poly- bzw. Oligo(p-phenylenvinylenen) [PPV, OPV] wurden verschiedene 2-Styryl-1,4-benzochinone - sowie höhere Oligomere - synthetisiert, die das Strukturelement einer hoch oxidierten Form von OPV's aufweisen. Durch Einführung einer Cyanogruppe an der olefinischen Doppelbindung wurde die Reaktivität der Modellsysteme gezielt beeinflußt. Die 2-Styryl-1,4-benzochinone mit unsubstituierter Doppelbindung dimerisieren in Lösung quantitativ im Sinne von Diels-Alder-Reaktionen zu den entsprechenden Cycloaddukten. Die Dimerisierungen verlaufen chemo-, regio- und stereoselektiv, was sich anhand von Grenzorbital-Betrachtungen erklären läßt.An der Oberfläche von Kieselgel erfolgt eine vollständige Umwandlung der Dimere, deren zwei Hauptprodukte identifiziert werden konnten: Neben Verbindungen, die durch eine intramolekulare [4+2]-Cycloaddition nach erfolgter Dehydrierung / Oxidation gebildet werden, entstehen verschiedene Additionsprodukte der Dimere mit Nucleophilen (Wasser, Ethanol). Cyanosubstitution führt bereits bei den als Vorstufe dienenden Stilbenen zu einer erleichterten (E/Z)-Photoisomerisierung in Lösung, die zu einem photostationären Gleichgewicht führt, welches sich durch einen hohen Anteil der (E)-Konfiguration auszeichnet. Nach erfolgter Oxidation kann ebenfalls eine Dimerisierung beobachtet werden. Bei direkter Nachbarschaft der Cyanogruppe zum Chinonring erfolgt stattdessen ein intramolekularer Ringschluß unter Ausbildung eines Benzofuranderivats.Die beobachtete Reaktivität der synthetisierten Chinonsysteme steht in Einklang mit einem möglichen sekundären Abbaumechanismus, der nach primärer Oxidation zu der Alterung von PPV's beitragen kann.

Endogene DNA-Schädigung als Ursache genetischer Instabilität

Zusammenfassung Diese Arbeit beschreibt Untersuchungen über die zellulären Mechanismen, die zur Bildung dieser DNA-Schäden führen, sowie über die biologischen Auswirkungen dieser Schäden. Die Untersuchungen zu Uracil in der DNA wurden in ung-knockout-MEFs und Mäusen durchgeführt, die es erlauben, die Konsequenzen eines Ausfalls der wichtigsten Reparaturglykosylase für Uracil zu beleuchten. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Akkumulation von Uracil in den ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zum Wildtyp. In frisch isolierten Leber- und Milzzellen der Mäuse konnte dieser genotypspezifische Unterschied, wenn auch weniger ausgeprägt, ebenso beobachtet werden, nicht jedoch in reifen Spermien. Dieser gewebespezifische Unterschied und die quantitativ stärker ausgeprägte Akkumulation in ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zu den Mäusegeweben gab Anlass zur Vermutung, dass die Proliferation der Zellen für den Haupteintrag an Uracil in die DNA verantwortlich ist. Erstmals konnte in Versuche mit konfluenten (nicht mehr proliferierenden) ung-/--Mausfibroblasten gezeigt werden, dass nicht die spontane hydrolytische Desaminierung von Cytosin, sondern der Fehleinbau von dUMP während der DNA-Replikation die Hauptquelle für Uracil in der DNA von Säugerzellen darstellt. Da der Uracilmetabolismus ein wichtiges Target in der Chemotherapie ist, lag es nahe, das zur Verfügung stehende ung-knockout-Modell der MEFs zur Untersuchung mit Fluorpyrimidinen, die als Zytostatika verwendet werden, einzusetzen. Da bisher die Ursachen der beobachteten Apoptose der Tumorzellen und aller anderen metabolisch hochaktiven Zellen eines behandelten Organismus noch nicht vollständig verstanden ist, wurden diese Zellen mit verschiedenen Fluorpyrimidinen behandelt, die als Thymidylatsynthasehemmer die de novo Synthese von Thymidin unterbinden. Es konnte gezeigt werden, dass ung-/- Mausfibroblasten, im Gegensatz zu ung+/+ Mausfibroblasten, verstärkt Uracil in der DNA akkumulieren. Obwohl die ung+/+ Mausfibroblasten keine erhöhten Uracil-Spiegel in der DNA aufwiesen, zeigten sie bei Inkubation mit einem der beiden Thymidylatsynthasehemmern, 5-Fluoruracil (5-FU), die gleiche Sensitivität in einem nachfolgenden Proliferationsversuch wie die ung-/- Mausfibroblasten. Dies lässt darauf schließen, dass weder Reparatur noch Einbau von Uracil in die DNA für die beobachtete Toxizität dieser Zytostatika notwendig sind. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung des DNA-schädigenden Potenzials endogener ROS, die aus dem Fremdstoffmetabolismus stammen. Dazu wurden V79-Zellen verwendet, die mit dem humanen Enzym Cytochrom 2E1 (CYP2E1) transfiziert wurden (V79 CYP2E1) sowie Zellen, die ebenfalls durch Transfektion das humane Enzym Cytochromreduktase (auch Oxidoreduktase genannt) überexprimieren (V79 hOR). Beide Enzyme sind zusammen an der Hydroxylierung von Fremdstoffen beteiligt, bei der die Reduktion von molekularem Sauerstoff durch Übertragung von zwei Elektronen notwendig ist. Wird anstatt zweier Elektronen in Folge nur eines auf den Sauerstoff übertragen, so führt dieser von der Substratoxygenierung enkoppelte Vorgang zur Bildung von Superoxid. Daher galt es zu klären, ob das so erzeugte Superoxid und daraus gebildete ROS in der Lage sind, die DNA zu schädigen. Es konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von CYP2E1 nicht zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer DNA-Schäden führt und die Metabolisierung von Ethanol durch dieses Enzym ebenfalls keine DNA-Modifikationen verursacht. Die Überexpression der Cytochromreduktase hingegen führte gegenüber dem Wildtyp zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer Basenmodifikationen nach Depletion von Glutathion, einem wichtigen zellulären Antioxidans. Im Mikrokerntest, der gentoxische Ereignisse wie Chromosomenbrüche in Zellen aufzeigt, zeigte sich schon ohne Glutathion-Depletion eine doppelt so hohe Mikrokernrate im Vergleich zum Wildtyp. In weiteren Versuchen wurden die V79-hOR-Zellen mit dem chinoiden Redoxcycler Durochinon inkubiert, um zu untersuchen, ob das vermutlich durch die Reduktase vermittelte Redoxcycling über Generierung von ROS in der Lage ist, einen oxidativen DNA-Schaden und Toxizität zu verursachen. Hier zeigte sich, dass die Überexpression der Reduktase Voraussetzung für Toxizität und den beobachteten DNA-Schaden ist. Die Wildtyp-Zellen zeigten weder einen DNA-Schaden noch Zytotoxizität, auch eine zusätzliche Glutathion-Depletion änderte nichts an dem Befund. Die V79-hOR-Zellen hingegen reagierten auf die Inkubation mit Durochinon mit einer konzentrationsabhängigen Zunahme der Einzelstrangbrüche und oxidativen Basenmodifikationen, wobei sich der DNA-Schaden durch vorherige Glutathion-Depletion verdoppeln ließ.

Mikrosomale Biotransformation von Benzo[ghi]perylen, einem mutagenen polyaromatischen Kohlenwasserstoff ohne das Strukturelement der Bay-Region des kanzerogenen Benzo[a]pyrens

Kanzerogene polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), wie Benzo[a]pyren, besitzen eine Bay-Region mit ortho-kondensiertem Benzoring. Dadurch ist die enzymatische Bildung von Bay-Region-Dihydrodiolepoxiden (Oxiranylring in der sterisch abgeschirmten Molekülbucht) möglich, die als ultimal kanzerogene Metaboliten der PAKs gelten. Diese lösen durch DNA-Modifikation Primärläsionen aus, die, sofern sie nicht enzymatisch repariert werden, bei der DNA-Replikation Fehler verursachen (Mu-tationen). Der Mehrstufenprozeß der Kanzerogenese (Promotion und Progression) führt schließlich zur neoplastischen Entartung der Zelle. Benzo[ghi]perylen (BghiP) repräsentiert eine Gruppe von PAKs, die keine „klassische“ Bay-Region besitzen und daher keine vicinalen Dihydrodiolepoxiden bilden können. Trotzdem ist BghiP mutagen, z. B. in den Stämmen TA98 und TA100 von Salmonella typhimurium (1,3- bzw. 4,3 his+-Revertanten/nmol) nach metabolischer Aktivierung mit der postmitochondrialen Fraktion von Ratten nach Behandlung mit 3-Methylcholanthren. Hemmung der mikrosomalen Epoxidhydrolase (mEH) mit 1,1,1-Trichlor-2-propenoxid (TCPO) steigert die bakterielle Mutagenität von BghiP im Stamm TA98 um das 4-fache, was Arenoxide als ultimale Mutagene wahrscheinlich macht. Dieses Ergebnis wird au-ßerdem durch Untersuchung der DNA-Bindung mit dem Verfahren des 32P-Postlabelings bestätigt (Dr. Fickler, Institut für Toxikologie, Universität Mainz). Danach bildete mikrosomal aktiviertes BghiP drei Addukte (ein Hauptaddukt, zwei Nebenaddukte), die durch Hemmung der mEH mit TCPO verstärkt wurden (das Hauptaddukt um 29%). Um den für die bakterielle Mutagenität von BghiP verantwortlichen Metaboliten zu identifizieren, wurde die mikrosomale Biotransformaton von BghiP aufgeklärt. Umsetzung von BghiP mit Lebermikrosomen von Ratten nach Behandlung mit Aroclor 1254 lieferte 17 mit Ethylacetat extrahierbare Metaboliten. Zwölf dieser Metaboliten konnten durch eine Kombination von chromatographischen, spektroskopi-schen und biochemischen Methoden identifiziert werden. Daraus ergeben sich zwei Biotransformati-onswege: Weg I beginnt mit einem Angriff von Cytochrom P450-abhängigen Monooxygenasen an Position 7 und der Bildung des 7-Phenols. Dieses wird dann in das 7,8- bzw. 7,10-Diphenol überführt, die schließlich zu den mehrkernigen Chinonen an der 7,8- bzw. 7,10-Position oxidiert werden. Im Bio-transformationsweg II werden die K-Regionen von BghiP durch Cytochrom P450 funktionalisiert. Zu-nächst entstehen das auf indirektem Weg identifizierte 3,4-Oxid und das 3,4,11,12-Bisoxid, die in mikrosomalen Umsetzungen von BghiP nur nach Hemmung der mEH gebildet werden. Enzymatische Hydrolyse des 3,4-Oxides ergibt das trans-3,4-Dihydrodiol, das zum 3,4-Chinon oxidiert wird. Ebenso entsteht aus dem 3,4,11,12-Bisoxid das trans-3,4-trans-11,12-Bisdihydrodiol, aus dem durch Oxidati-on das trans-3,4-Dihydrodiol-11,12-Chinon hervorgeht. Untersuchung der stereoselektiven enzymati-schen Bildung der K-Region-trans-Di¬hydrodiole ergaben eine präferentielle Entstehung der 3R,4R- bzw. 3R,4R,11R,12R-Enantiomere. Untersuchungen der bakteriellen Mutagenität der Hauptmetaboliten 3,4-Dihydrodiol und dem 7-Phenol machte deutlich, dass beide Biotransformationswege I und II von BghiP zur bakteriellen Mutagenität beitragen. Das 7-Phenol aus Weg I ist ein proximales Mutagen, was auch von Phenolen anderer PAKs bekannt ist. Das 3,4-Dihydrodiol aus Weg II wird so schwach zu Mutagenen aktiviert, dass dem vermutlich gebildete 3,4-Dihydrodiol-11,12-oxid keine große Bedeutung als ultimales Mutagen von BghiP zukommt. Die Bestimmung der direkten mutagenen Aktivität (ohne metabolische Aktivierung) der mutmaßlich ultimal mutagenen Arenoxide von BghiP ergab, dass die des 3,4,11,12-Bisarenoxides sehr gering war (1,3 his+-Revertanten/nmol im Stamm TA98). Das 3,4-Oxid hingegen bewirkte einen deutlichen gentoxischen Effekt in den Stämmen TA98 und TA100 (5,5 bzw. 10 his+-Revertanten/nmol). Dies wurde durch die Bestimmung der DNA-Bindung mit dem 32P-Postlabeling, in dem das 3,4-Oxid für das Hauptaddukt von BghiP verantwortlich gemacht werden konnte, bestätigt. Daher kommt dem 3,4-Oxid als ultimales Mutagen die größte Bedeutung für die Gentoxizität von BghiP zu. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen bei PAKs ohne Bay-Region auf Arenoxide schließen, die eine notwendige Voraussetzung für DNA-Bindung und Mutagenität sind.

Design and synthesis of multipotent drugs: application to Alzheimer's disease and benign prostatic hyperplasia

The aim of this thesis was to synthesize multipotent drugs for the treatment of Alzheimer’s disease (AD) and for benign prostatic hyperplasia (BPH), two diseases that affect the elderly. AD is a neurodegenerative disorder that is characterized, among other factors, by loss of cholinergic neurons. Selective activation of M1 receptors through an allosteric site could restore the cholinergic hypofunction, improving the cognition in AD patients. We describe here the discovery and SAR of a novel series of quinone derivatives. Among them, 1 was the most interesting, being a high M1 selective positive allosteric modulator. At 100 nM, 1 triplicated the production of cAMP induced by oxotremorine. Moreover, it inhibited AChE and it displayed antioxidant properties. Site-directed mutagenesis experiments indicated that 1 acts at an allosteric site involving residue F77. Thus, 1 is a promising drug because the M1 activation may offer disease-modifying properties that could address and reduce most of AD hallmarks. BPH is an enlargement of the prostate caused by increased cellular growth. Blockade of α1-ARs is the predominant form of medical therapy for the treatment of the symptoms associated with BPH. α1-ARs are classified into three subtypes. The α1A- and α1D-AR subtypes are predominant in the prostate, while α1B-ARs regulate the blood pressure. Herein, we report the synthesis of quinazoline-derivatives obtained replacing the piperazine ring of doxazosin and prazosin with (S)- or (R)-3-aminopiperidine. The presence of a chiral center in the 3-C position of the piperidine ring allowed us to exploit the importance of stereochemistry in the binding at α1-ARs. It turned out that the S configuration at the 3-C position of the piperidine increases the affinity of the compounds at all three α1-AR subtypes, whereas the configuration at the benzodioxole ring of doxazosin derivatives is not critical for the interaction with α1-ARs.

Studio degli effetti funzionali e tossici di derivati di Brassicaceae in modelli sperimentali

I vegetali appartenenti alla famiglia delle Brassicaceae, sono ricchi di molecole biologicamente attive note per le numerose proprietà salutari. L’effetto di un estratto di germogli di cavolo nero toscano (TBCSE) è stato investigato, in termini chemiopreventivi, sugli enzimi epatici del metabolismo degli xenobiotici e antiossidanti, in ratti trattati con TBCSE. I risultati hanno mostrato un complesso pattern di modulazione, con una prevalente inibizione, del sistema citocromo P450-dipendente, e induzioni significative degli enzimi di fase II (glutatione transferasi e glucuronosiltransferasi) e antiossidanti (catalasi, NAD(P)H:chinone reduttasi, glutatione reduttasi e perossidasi). Successivamente, l’effetto di TBCSE è stato studiato nei confronti delle alterazioni provocate da un’alimentazione iperlipidica nel ratto. Il trattamento si è dimostrato efficace nel contrastare gli effetti deleteri dei grassi presenti nella dieta, come l’iperlipidemia, l’aumento del peso corporeo e del fegato, l’indebolimento delle attività degli enzimi antiossidanti e del potenziale detossificante a livello epatico. Complessivamente, TBCSE emerge essere un promettente prodotto nutraceutico con potenziali effetti chemiopreventivi, e da impiegare come strategia alimentare per contrastare gli effetti correlati ad una dieta iperlipidica. Il consumo di dosi sovralimentari di molecole isolate dalle Brassicaceae, tramite per esempio integratori dietetici, come strategia alimentare preventiva, potrebbe tuttavia rappresentare un rischio per la salute. La potenziale tossicità del sulforafane, glucorafanina, indolo-3-carbinolo, e 3,3'-diindolimetano, è stata valutata in epatociti primari di ratto. La citotossicità e l’induzione di stress ossidativo, osservate a concentrazioni non lontane da quelle che potrebbero essere raggiunte in vivo, insieme ad una forte modulazione dell’espressione genica, riguardante principalmente il metabolismo degli xenobiotici, risposte ad alterazioni dello stato ossidoredutivo, eventi di riparazione del DNA e di proteine, induzione dell’apoptosi, e meccanismi (co)cancerogeni, sottolineano la potenzialità di queste molecole di determinare un rischio tossicologico, in seguito ad un’assunzione prolungata e ad alte dosi.

Der enzymatische und anti-oxidative Mechanismus des anti-atherogenen Enzyms Paraoxonase-2

Das humane Enzym PON2 ist in eine Vielzahl pathophysiologischer Prozesse involviert und ist durch zwei Funktionen gekennzeichnet - eine enzymatische Laktonase-Aktivität und eine anti-oxidative Aktivität. Durch die Laktonase-Aktivität hydrolysiert PON2 vorwiegend das bakterielle Signalmolekül 3oxoC12. PON2 ist als Bestandteil des angeborenen Immunsystems anzusehen und trägt wahrscheinlich zur Immunabwehr gegen Infektionen mit den human-pathogenen Pseudomonas aeruginosa Bakterien bei. Durch die anti-oxidative Aktivität vermindert PON2 oxidative Schäden und verringert redox-abhängige pro-apoptotische Stimulation. Diese einzigartige Funktion von PON2 ist jedoch ambivalent zu betrachten, da hohe PON2-Spiegel zwar Arteriosklerose reduzieren können, aber im Verdacht stehen Tumorzellen zu stabilisieren.rnIn dieser Arbeit wurden die noch unbekannten Mechanismen und der Zusammenhang der enzymatischen und der anti-oxidativen Aktivität analysiert. In diesem Rahmen wurde gezeigt, dass PON2 spezifisch die Superoxidfreisetzung an Komplex I und III der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran reduzieren kann. PON2 veränderte dabei weder die Aktivitäten der Superoxiddismutasen noch die Cytochrom C-Expression. Weiterhin konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass PON2 O2- nicht direkt abbaut, sondern vielmehr dessen Bildung verhindert. Diese Erkenntnisse implizieren, dass PON2 die anti-oxidative Aktivität über eine Beeinflussung des Quinon-Pools vermittelt. Anhand von verschiedenen Punktmutationen konnte gezeigt werden, dass die Histidinreste-114 und -133 für die Laktonase-Aktivität essentiell sind. Weiterhin wurden die Glykosylierungsstellen von PON2 identifiziert und gezeigt, dass die Glykosylierung, nicht aber der natürliche Polymorphismus Ser/Cys311 für die Laktonase-Aktivität von Bedeutung ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass keine dieser Mutationen die anti-oxidative Aktivität beeinflusste, wodurch erstmals die Unabhängigkeit der beiden Funktionen von PON2 gezeigt werden konnte. rnEs war bekannt, dass PON2 gegen intrinsische und ER-Stress-induzierte Apoptose schützt. Die Spezifität der anti-oxidativen / anti-apoptotischen Wirkung wurde hier an einem weiteren pathophysiologischen Modell untersucht. 7-Ketocholesterol (7-KC) ist der Hauptbestandteil des pro-arteriosklerotischen oxLDL und verursacht in Zellen des Gefäßsystems ER-Stress, oxidativen Stress und Apoptose. Unerwarteterweise konnte PON2 Endothelzellen nicht gegen den 7-KC-induzierten Zelltod schützen. Mehrere unabhängige experimentelle Ansätze belegen, dass 7-KC in Endothelzellen im Gegensatz zu Gefäßmuskelzellen den Zelltod über Autophagie und nicht über ER-Stress oder intrinsische Apoptose bewirkt. Weiterhin führt 7-KC, wie auch 3oxoC12 und Thapsigargin zu einem Abbau der PON2-mRNA, die über die 5’UTR der PON2-mRNA vermittelt wird. Diese Arbeit vermittelt detaillierte mechanistische Einsichten in die Funktionen von PON2, die für ihre Rolle bei Arteriosklerose, in der körpereigenen Immunabwehr und bei Krebs entscheidend sind.rn

Oxygen-containing polycyclic aromatic hydrocarbons (OPAHs) and their parent-PAHs in soil

In spite of the higher toxicity of oxygen-containing polycyclic aromatic hydrocarbons (OPAHs) than of their parent-PAHs, there are only a few studies of the concentrations, composition pattern, sources and fate of OPAHs in soil, the presumably major environmental sink of OPAHs. This is related to the fact that there are only few available methods to measure OPAHs together with PAHs in soil. rnThe objectives of my thesis were to (i) develop a GC/MS-based method to measure OPAHs and their parent-PAHs in soils of different properties and pollution levels, (ii) apply the method to soils from Uzbekistan and Slovakia and (iii) investigate into the fate of OPAHs, particularly their vertical transport in soilrnI optimized and fully evaluated an analytical method based on pressurized liquid extraction, silica gel column chromatographic fractionation of extracted compounds into alkyl-/parent-PAH and OPAH fractions, silylation of hydroxyl-/carboxyl-OPAHs with N,O-bis(trimethylsilyl)trifluoracetamide and GC/MS quantification of the target compounds. The method was targeted at 34 alkyl-/parent-PAHs, 7 carbonyl-OPAHs and 19 hydroxyl-/carboxyl-OPAHs. I applied the method to 11 soils from each of the Angren industrial region (which hosts a coal mine, power plant, rubber factory and gold refinery) in Uzbekistan and in the city of Bratislava, the densely populated capital of Slovakia.rnRecoveries of five carbonyl-OPAHs in spike experiments ranged between 78-97% (relative standard deviation, RSD, 5-12%), while 1,2-acenaphthenequinone and 1,4-naphtho-quinone had recoveries between 34-44%% (RSD, 19-28%). Five spiked hydroxyl-/carboxyl-OPAHs showed recoveries between 36-70% (RSD, 13-46%), while others showed recoveries <10% or were completely lost. With the optimized method, I determined, on average, 103% of the alkyl-/parent-PAH concentrations in a certified reference material.rnThe ∑OPAHs concentrations in surface soil ranged 62-2692 ng g-1 and those of ∑alkyl-/parent-PAHs was 842-244870 ng g-1. The carbonyl-OPAHs had higher concentrations than the hydroxyl-/carboxyl-OPAHs. The most abundant carbonyl-OPAHs were consistently 9-fluorenone (9-FLO), 9,10-anthraquinone (9,10-ANQ), 1-indanone (1-INDA) and benzo[a]anthracene-7,12-dione (7,12-B(A)A) and the most abundant hydroxyl-/carboxyl-OPAH was 2-hydroxybenzaldehyde. The concentrations of carbonyl-OPAHs were frequently higher than those of their parent-PAHs (e.g., 9-FLO/fluorene >100 near a rubber factory in Angren). The concentrations of OPAHs like those of their alkyl-/parent-PAHs were higher at locations closer to point sources and the OPAH and PAH concentrations were correlated suggesting that both compound classes originated from the same sources. Only for 1-INDA and 2-biphenylcarboxaldehyde sources other than combustion seemed to dominate. Like those of the alkyl-/parent-PAHs, OPAH concentrations were higher in topsoils than subsoils. Evidence of higher mobility of OPAHs than their parent-PAHs was provided by greater subsoil:topsoil concentration ratios of carbonyl-OPAHs (0.41-0.82) than their parent-PAHs (0.41-0.63) in Uzbekistan. This was further backed by the consistently higher contribution of more soluble 9-FLO and 1-INDA to the ∑carbonyl-OPAHs in subsoil than topsoil at the expense of 9,10-ANQ, 7,12-B(A)A and higher OPAH/parent-PAH concentration ratios in subsoil than topsoil in Bratislava.rnWith this thesis, I contribute a suitable method to determine a large number of OPAHs and PAHs in soil. My results demonstrate that carbonyl-OPAHs are more abundant than hydroxyl-/carboxyl-OPAHs and OPAH concentrations are frequently higher than parent-PAH concentrations. Furthermore, there are indications that OPAHs are more mobile in soil than PAHs. This calls for appropriate legal regulation of OPAH concentrations in soil.

Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.

Identification of a host cell target for the thiazolide class of broad-spectrum anti-parasitic drugs

The thiazolide nitazoxanide (NTZ) and some derivatives exhibit considerable in vitro activities against a broad range of parasites, including the apicomplexans Neospora caninum and Toxoplasma gondii tachyzoites. In order to identify potential molecular targets for this compound in both parasites, RM4847 was coupled to epoxy-agarose and affinity chromatography was performed. A protein of approximately 35 kDa was eluted upon RM4847-affinity-chromatography from extracts of N. caninum-infected human foreskin fibroblasts (HFF) and non-infected HFF, but no protein was eluted when affinity chromatography was performed with T. gondii or N. caninum tachyzoite extracts. Mass spectrometry analysis identified the 35 kDa protein as human quinone reductase NQO1 (P15559; QR). Within 8h after infection of HFF with N. caninum tachyzoites, QR transcript expression levels were notably increased, but no such increase was observed upon infection with T. gondii tachyzoites. Treatment of non-infected HFF with RM4847 did also lead to an increase of QR transcript levels. The enzymatic activity of 6-histidine-tagged recombinant QR (recQR) was assayed using menadione as a substrate. The thiazolides NTZ, tizoxanide and RM4847 inhibited recQR activity on menadione in a concentration-dependent manner. Moreover, a small residual reducing activity was observed when these thiazolides were offered as substrates.

Staphylococcus rostri sp. nov., a haemolytic bacterium isolated from the noses of healthy pigs

Twenty coagulase-negative Staphylococcus strains displaying alpha-haemolysis (delta-haemolysin) on sheep-blood agar were isolated from the noses of different pigs in Switzerland. The strains were Gram-stain-positive, non-motile cocci, catalase-positive and coagulase-negative. Sequence analysis of the 16S rRNA gene, sodA, rpoB, dnaJ and hsp60 and phylogenetic characteristics revealed that the strains showed the closest relatedness to Staphylococcus microti CCM 4903(T) and Staphylococcus muscae DSM 7068(T). The strains can be differentiated from S. microti by the absence of mannose fermentation and arginine arylamidase and from S. muscae by the absence of beta-glucuronidase activity and production of alkaline phosphatase. The chosen type strain ARI 262(T) shared 20.1 and 31.9 % DNA relatedness with S. microti DSM 22147(T) and S. muscae CCM 4903(T), respectively, by DNA-DNA hybridization. iso-C(15 : 0), anteiso-C(15 : 0) and iso-C(17 : 0) were the most common fatty acids. Cell-wall structure analysis revealed the peptidoglycan type A3alpha l-Lys-Gly(2)-l-Ser-Gly (type A11.3). The presence of teichoic acid was determined by sequencing the N-acetyl-beta-d-mannosaminyltransferase gene tarA, which is involved in biosynthesis of ribitol teichoic acid. Menaquinone 7 (MK-7) was the predominant respiratory quinone. The G+C content of ARI 262(T) was 38.8 mol%. The isolated strains represent a novel species of the genus Staphylococcus, for which we propose the name Staphylococcus rostri sp. nov. The type strain is ARI 262(T) (=DSM 21968(T) =CCUG 57266(T)) and strain ARI 602 (=DSM 21969 =CCUG 57267) is a reference strain.

Electron transport through catechol-functionalized molecular rods

The charge transport properties of a catechol-type dithiol-terminated oligo-phenylene-ethynylene was investigated by cyclic voltammetry (CV) and by the scanning tunnelling microscopy break junction technique (STM-BJ). Single molecule charge transport experiments demonstrated the existence of high and low conductance regions. The junction conductance is rather weakly dependent on the redox state of the bridging molecule. However, a distinct dependence of junction formation probability and of relative stretching distances of the catechol- and quinone-type molecular junctions is observed. Substitution of the central catechol ring with alkoxy-moieties and the combination with a topological analysis of possible π-electron pathways through the respective molecular skeletons lead to a working hypothesis, which could rationalize the experimentally observed conductance characteristics of the redox-active nanojunctions.

Activation of heat shock and antioxidant responses by the natural product celastrol: transcriptional signatures of a thiol-targeted molecule.

Stress response pathways allow cells to sense and respond to environmental changes and adverse pathophysiological states. Pharmacological modulation of cellular stress pathways has implications in the treatment of human diseases, including neurodegenerative disorders, cardiovascular disease, and cancer. The quinone methide triterpene celastrol, derived from a traditional Chinese medicinal herb, has numerous pharmacological properties, and it is a potent activator of the mammalian heat shock transcription factor HSF1. However, its mode of action and spectrum of cellular targets are poorly understood. We show here that celastrol activates Hsf1 in Saccharomyces cerevisiae at a similar effective concentration seen in mammalian cells. Transcriptional profiling revealed that celastrol treatment induces a battery of oxidant defense genes in addition to heat shock genes. Celastrol activated the yeast Yap1 oxidant defense transcription factor via the carboxy-terminal redox center that responds to electrophilic compounds. Antioxidant response genes were likewise induced in mammalian cells, demonstrating that the activation of two major cell stress pathways by celastrol is conserved. We report that celastrol's biological effects, including inhibition of glucocorticoid receptor activity, can be blocked by the addition of excess free thiol, suggesting a chemical mechanism for biological activity based on modification of key reactive thiols by this natural product.

Studies of the mechanism of daunorubicin carcinogenesis: Modulation by vitamin E

Daunorubicin (DNR) is an anthracycline antibiotic used as a cancer chemotherapeutic agent. However, it causes mammary adenocarcinomas in female Sprague-Dawley (SD) rats. Vitamin E (E) has been found to reduce DNR carcinogenicity. I investigated the mechanism of DNR carcinogenicity and its interaction with E in SD rats by studying DNR-DNA adduct formation and the influence of E status on DNR clearance and free radical producing and detoxifying enzymes.^ The hypothesis was that DNR exerts its tumorigenic effect via free radicals generated during redox cycling and production of reactive intermediates capable of forming DNA adducts. E was postulated to act as a protective agent through a combination of its antioxidant property, modulation of drug clearance and levels of free radical producing and detoxifying enzymes.^ DNA adduct formation was measured by the nuclease P1 $\sp{32}$P-post labeling assay. In vitro, DNR was activated by rat liver microsomes and either NADPH or cumene hydrogen peroxide (CuOOH). Rat liver DNA incubated with this mixture formed two adducts when the cofactor was NADPH and three adducts when CuOOH was used. In vivo, SD rats were treated with i.v. doses of DNR. No detectable DNR-DNA adducts were formed in liver or mammary DNA in vivo, although there was an intensification of endogenous DNA adducts.^ Groups, 1, 2, 3 and 4 of weanling female SD rats were fed 0, 100, 1,000 and 10,000 mg $\alpha$-tocopheryl acetate/kg diet respectively. A comparison of Groups 1 and 4 showed no effect of E status on clearance of 10 mg tritiated DNR/kg body weight over 72 hours. However, liver cleared DNR at a faster rate than mammary epithelial cells (MEC).^ Xanthine oxidase, which catalyzes DNR redox cycling, was significantly decreased in liver and MEC of rats in group 4 compared to groups 1, 2, and 3. Detoxifying enzymes were not dramatically affected by E supplementation. Quinone reductase in MEC was significantly increased in group 4 compared to other groups. Overall, the liver had higher levels of free radical detoxifying enzymes compared to MEC.^ These data support a role of free radicals in DNR carcinogenicity because (1) endogenous DNA adducts formed due to free radical insult are further intensified by DNR treatment in vivo, (2) MEC, the specific target of DNR carcinogenicity, cannot rapidly clear DNR and have a lower free radical detoxifying capability than liver, (3) E supplementation caused lowering of free radical generating potential via xanthine oxidase, and increased DNR detoxification due to elevation of quinone reductase in MEC. ^

The role of menaquinone in the nitrate reductase complex

Membrane bound, respiratory nitrate reductase in Escherichia coli is composed of three subunits, αβγ. The active complex is anchored to the membrane by membrane-integrated γ subunit and can reduce nitrate to nitrite with membrane quinones, (ubiquinone or menaquinone) as physiological electron donors. The transfer of electrons through the complex is thought to involve the sequence: membrane quinols → b-type hemes (γ subunit) → Fe-S centers (β subunit) → molybdopterin (α subunit) → nitrate. The enzyme can be assayed with the artificial electron donor reduced methyl viologen (MVH) which transfers electrons directly to the molybdopterin cofactor. These studies have focused on the possible role of protein-bound menaquinone in the structure and function of this multisubunit complex. ^ Nitrate reductase was purified as two distinct forms; after solubilization of membrane proteins with detergents, purification rendered an αβγ complex (holoenzyme) which catalyzes nitrate reduction with MVH or the quinols analogs, menadiol and duroquinol, as electron donors. Alternatively, heat-treatment of the membranes in the absence of detergents and subsequent purification of the active enzyme produced an αβ complex, which reduces nitrate only with MVH as electron donor. The active αβ dimer was also separated from γ subunit by heat treatment of the holoenzyme. ^ Menaquinone-9 was isolated directly from the purified αβ complex, and identified by mass spectrometry. Based on the composition of the membrane quinone pool, it was concluded that menaquinone-9 is sequestered from the membrane pool in a specifically protein-bound form. ^ The role of the bound menaquinone in the structure-function of nitrate reductase was also investigated, along with its participation in UV-light inactivation of the enzyme. Menaquinone-depleted nitrate reductase from a menaquinone deficient mutant retained activity with all electron donors and it remained sensitive to UV inactivation. However, the MVH-nitrate reductase activity and the rate of UV inactivation of the enzyme were significantly reduced and the optical properties of the enzyme were modified by the absence of the bound menaquinone-9. ^ Menaquinone-9 is not absolutely required for electron transfer in nitrate reductase but it appears to be specifically-bound during assembly of the complex and to enhance the transfer of electrons through the complex. The possible plasticity of the functional electron transfer pathway in nitrate reductase is discussed. ^

Comparative characterisation of two nitroreductases from Giardia lamblia as potential activators of nitro compounds

Giardia lamblia is a protozoan parasite that causes giardiasis, a diarrhoeal disease affecting humans and various animal species. Nitro drugs such as the nitroimidazole metronidazole and the nitrothiazolide nitazoxanide are used for treatment of giardiasis. Nitroreductases such as GlNR1 and GlNR2 may play a role in activation or inactivation of these drugs. The aim of this work is to characterise these two enzymes using functional assays. For respective analyses recombinant analogues from GlNR1 and GlNR2 were produced in Escherichia coli. E. coli expressing GlNR1 and GlNR2 alone or together were grown in the presence of nitro compounds. Furthermore, pull-down assays were performed using HA-tagged GlNR1 and GlNR2 as baits. As expected, E. coli expressing GlNR1 were more susceptible to metronidazole under aerobic and semi-aerobic and to nitazoxanide under semi-aerobic growth conditions whereas E. coli expressing GlNR2 were susceptible to neither drug. Interestingly, expression of both nitroreductases gave the same results as expression of GlNR2 alone. In functional assays, both nitroreductases had their strongest activities on the quinone menadione (vitamin K3) and FAD, but reduction of nitro compounds including the nitro drugs metronidazole and nitazoxanidewas clearly detected. Full reduction of 7-nitrocoumarin to 7-aminocoumarin was preferentially achieved with GlNR2. Pull-down assays revealed that GlNR1 and GlNR2 interacted in vivo forming a multienzyme complex. These findings suggest that both nitroreductases are multifunctional. Their main biological role may reside in the reduction of vitamin K analogues and FAD. Activation by GlNR1 or inactivation by GlNR2 of nitro drugs may be the consequence of a secondary enzymatic activity either yielding (GlNR1) or eliminating (GlNR2) toxic intermediates after reduction of these compounds. © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd on behalf of Australian Society for Parasitology. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license