Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

Tunnelkontakte mit Heusler-Elektrode: Spinpolarisation von Co 2Cr 0,6Fe 0,4Al und Einfluss der Barriere

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Spinpolarisation von der Heusler-Verbindung Co2Cr0,6Fe0,4Al. Dieses Ziel wurde durch die sorgfältige Präparation von Co2Cr0,6Fe0,4Al basierten Tunnelkontakten realisiert. Tunnelwiderstandsmessungen an Co2Cr0,6Fe0,4Al-basiertenrnTunnelkontakten ergaben einen Tunnelmagnetowiderstand von 101% bei 4 K. DieserrnTunnelmagnetowiderstand legt eine untere Grenze von 67% für die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al fest.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al ist eine Heusler-Verbindung, der die Eigenschaften eines halbmetallischen Ferromagneten zugeschrieben werden. Ein halbmetallischer Ferromagnet hat an der Fermikante nur Elektronenspinzustände mit einer Polarisation. Als Folge davon können bei einem spinerhaltenden Tunnelprozess nur Elektronen einer Spinrichtung in den halbmetallischen Ferromagneten tunneln. Mit einem magnetischen Feld und einer durch einen Antiferromagneten fixierten Gegenelektrode, können an einem Tunnelkontakt mit einem spinpolarisierten Ferromagneten deshalb zwei Zustände, eine hohe und eine niedrige Tunnelleitfähigkeit, erzeugt werden. Daher finden spinpolarisierte Tunnelkontakte in Form von MRAM in der Datenspeicherung Verwendung. Bislang wurde jedoch keine Verbindung gefunden, der eine Spinpolarisation von 100% experimentell eindeutig nachgewiesen werden konnte. Für Co2Cr0,6Fe0,4Al lagen die höchsten gemessenen Spinpolarisationen um 50%.rnrnTunnelspektroskopie ist eine zuverlässige und anwendungsnahe Methode zur Untersuchung der Spinpolarisation. Inelastische Tunnelprozesse und eine reduzierte Ordnung an Grenzflächen bewirken einen reduzierten Tunnelmagnetowiderstand. Eine symmetriebrechende Barriere, wie amorphes AlOx, ist Voraussetzung für die Anwendung des Jullière-Modells zur Bestimmung der Spinpolarisation. Das Jullière-Modell verknüpft die Spin-aufgespaltenenrnZustandsdichten der Elektroden mit dem Tunnelmagnetowiderstand. Ohne einernsymmetriebrechende Barriere, zum Beispiel mit MgO als Isolatorschicht, können höhere Tunnelmagnetowiderstände erzwungen werden. Ein eindeutiger Rückschluss auf die Spinpolarisation ist dann jedoch nicht mehr möglich. Mit Aluminiumoxid-basierten Barrieren liefert die Anwendung des einfachen Jullière-Modells eine Untergrenze der Spinpolarisation.rnrnUm die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al durch Tunnelspektroskopie zu bestimmen, musste die Präparation der Tunnelkontakte verbessert werden. Dies wurde ermöglicht durch den Anbau einer neuen Sputterkammer mit besseren UHV-Bedingungen an ein bestehendes Präparationscluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al wird mit Hilfe von Radiofrequenz-Kathodenzerstäuben deponiert. Die resultierenden Schichten verfügen nach ihrer Deposition über einen höheren Ordnungsgrad und über eine geordnete Oberfläche. Durch eine Magnesium-Pufferschicht war es möglich, auf diese Oberfläche eine homogene amorphe AlOx-Barriere zu deponieren. Als Gegenelektrode wurde CoFe als Ferromagnet mit MnFe als Antiferromagnet gewählt. Diese Gegenelektrode ermöglicht Tunnelmessungen bis hin zu Raumtemperatur.rnrnMit den in dieser Arbeit vorgestellten optimierten Analyse- und Präparationsmethoden ist es möglich, die Untergrenze der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al auf 67% anzuheben. Dies ist der bisher höchste veröffentlichte Wert der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al.rn

Multimethodological study of molecular recognition phenomena

The study of the bio-recognition phenomena behind a biological process is nowadays considered a useful tool to deeply understand physiological mechanisms allowing the discovery of novel biological target and the development of new lead candidates. Moreover, understanding this kind of phenomena can be helpful in characterizing absorption, distribution, metabolism, elimination and toxicity properties of a new drug (ADMET parameters). Recent estimations show that about half of all drugs in development fail to make it to the market because of ADMET deficiencies; thus a rapid determination of ADMET parameters in early stages of drug discovery would save money and time, allowing to choose the better compound and to eliminate any losers. The monitoring of drug binding to plasma proteins is becoming essential in the field of drug discovery to characterize the drug distribution in human body. Human serum albumin (HSA) is the most abundant protein in plasma playing a fundamental role in the transport of drugs, metabolites and endogenous factors; so the study of the binding mechanism to HSA has become crucial to the early characterization of the pharmacokinetic profile of new potential leads. Furthermore, most of the distribution experiments carried out in vivo are performed on animals. Hence it is interesting to determine the binding of new compounds to albumins from different species to evaluate the reliability of extrapolating the distribution data obtained in animals to humans. It is clear how the characterization of interactions between proteins and drugs determines a growing need of methodologies to study any specific molecular event. A wide variety of biochemical techniques have been applied to this purpose. High-performance liquid affinity chromatography, circular dichroism and optical biosensor represent three techniques that can be able to elucidate the interaction of a new drug with its target and with others proteins that could interfere with ADMET parameters.

Synthese neuer Farbstofftopologien durch Anellierungsreaktionen

Die vorliegende Dissertation behandelt die Anwendung Übergangsmetall-katalysierter Anellierungsreaktionen zur Synthese neuartiger Chromophore. Dabei konnten sowohl benzoide als auch nicht-benzoide Strukturen insbesondere durch den Einsatz ausgewählter Pd(0)-Komplexe dargestellt werden. Die Arbeit gliedert sich in fünf Teile: Zunächst werden innovative Pentanellierungsreaktionen mit Acetylenen an bromierten Polycyclischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) beschrieben, wodurch bislang unbekannte Cyclopenta-PAKs zugänglich werden. Die untersuchten neuen Verbindungen umfassen dabei sowohl einfach als auch doppelt pentanellierte Pyrene, Anthracene und Perylene mit variablem Substitutionsmuster. Auf diese Weise werden bathochrome Wellenlängenverschiebungen bis zu max = 780 nm erreicht. Im zweiten Teil wurde die Pentanellierungstechnik auf Perylenmonoimid-(PMI)-Derivate angewandt. Die resultierenden Arylcyclopenta-PMIs weisen in ihren optischen Eigenschaften starke Ähnlichkeiten zu den verwandten Perylendiimiden (PDI) auf, bieten jedoch die Möglichkeit zusätzlicher Funktionalisierungen. Die Vergrößerung des aromatischen Systems des PDI durch Hexanellierung dagegen wurde im darauffolgenden Kapitel untersucht. Analog zur bekannten homologen Reihe der Rylene (Perylen, Terrylen, Quaterrylen) konnten im Rahmen dieser Arbeit die verwandten 1,12:6,7-Coronendiimid-(CDI)-Derivate um das im Kern unsubstituierte CDI selbst und das 3,4:9,10-Dinaphtho-CDI vervollständigt werden. UV/Vis-Absorptionsmessungen zeigen auch hier eine stete bathochrome Verschiebung der Absorptionswellenlängen. Das Wissen um die Coronendiimid-Synthesen sollte im vierten Teil weiterführend zur Darstellung eines Tetraketo-CDIs genutzt werden. Die finalen Oxidationsversuche zur Einführung der Keto-Gruppen waren nicht erfolgreich, bieten jedoch Einblicke in die Reaktivität unterschiedlicher CDI-Derivate. Der letzte Teil illustriert die Anwendung der bereits zuvor beschriebenen Hexanellierungsreaktion auf Tetrabrom-Terrylendiimid (TDI) zur Darstellung eines Tetranaphtho-TDI. Letzteres bildet dabei drei Isomere aus, wobei zwei optische Aktivität zeigen. UV/Vis und Circulardichroismus-Messungen zeigen hierfür auch bei erhöhten Temperaturen bemerkenswert hohe Racemisierungsbarrieren.

Probing chiral interfaces by infrared spectroscopic methods

Biological homochirality on earth and its tremendous consequences for pharmaceutical science and technology has led to an ever increasing interest in the selective production, the resolution and the detection of enantiomers of a chiral compound. Chiral surfaces and interfaces that can distinguish between enantiomers play a key role in this respect as enantioselective catalysts as well as for separation purposes. Despite the impressive progress in these areas in the last decade, molecular-level understanding of the interactions that are at the origin of enantiodiscrimination are lagging behind due to the lack of powerful experimental techniques to spot these interactions selectively with high sensitivity. In this article, techniques based on infrared spectroscopy are highlighted that are able to selectively target the chiral properties of interfaces. In particular, these methods are the combination of Attenuated Total Reflection InfraRed (ATR-IR) with Modulation Excitation Spectroscopy (MES) to probe enantiodiscriminating interactions at chiral solid-liquid interfaces and Vibrational Circular Dichroism (VCD), which is used to probe the structure of chirally-modified metal nanoparticles. The former technique aims at suppressing signals arising from non-selective interactions, which may completely hide the signals of interest due to enantiodiscriminating interactions. Recently, this method was successfully applied to investigate enantiodiscrimination at self-assembled monolayers of chiral thiols on gold surfaces. The nanometer size analogues of the latter--gold nanoparticles protected by a monolayer of a chiral thiol--are amenable to VCD spectroscopy. It is shown that this technique yields detailed structural information on the adsorption mode and the conformation of the adsorbed thiol. This may also turn out to be useful to clarify how chirality can be bestowed onto the metal core itself and the nature of the chirality of the latter, which is manifested in the metal-based circular dichroism activity of these nanoparticles.

Structural basis of an embryonically lethal single Ala → Thr mutation in the vnd/NK-2 homeodomain

The structural and DNA binding behavior is described for an analog of the vnd/NK-2 homeodomain, which contains a single amino acid residue alanine to threonine replacement in position 35 of the homeodomain. Multidimensional nuclear magnetic resonance, circular dichroism, and electrophoretic gel retardation assays were carried out on recombinant 80-aa residue proteins that encompass the wild-type and mutant homeodomains. The mutant A35T vnd/NK-2 homeodomain is unable to adopt a folded conformation free in solution at temperatures down to −5°C in contrast to the behavior of the corresponding wild-type vnd/NK-2 homeodomain, which is folded into a functional three-dimensional structure below 25°C. The A35T vnd/NK-2 binds specifically to the vnd/NK-2 target DNA sequence, but with an affinity that is 50-fold lower than that of the wild-type homeodomain. Although the three-dimensional structure of the mutant A35T vnd/NK-2 in the DNA bound state shows characteristic helix–turn–helix behavior similar to that of the wild-type homeodomain, a notable structural deviation in the mutant A35T analog is observed for the amide proton of leucine-40. The wild-type homeodomain forms an unusual i,i-5 hydrogen bond with the backbone amide oxygen of residue 35. In the A35T mutant this amide proton resonance is shifted upfield by 1.27 ppm relative to the resonance frequency for the wild-type analog, thereby indicating a significant alteration of this i,i-5 hydrogen bond.

Structural studies of p21Waf1/Cip1/Sdi1 in the free and Cdk2-bound state: conformational disorder mediates binding diversity.

The cyclin-dependent kinase (Cdk) inhibitor p21Waf1/Cip1/Sdi1, important for p53-dependent cell cycle control, mediates G1/S arrest through inhibition of Cdks and possibly through inhibition of DNA replication. Cdk inhibition requires a sequence of approximately 60 amino acids within the p21 NH2 terminus. We show, using proteolytic mapping, circular dichroism spectropolarimetry, and nuclear magnetic resonance spectroscopy, that p21 and NH2-terminal fragments that are active as Cdk inhibitors lack stable secondary or tertiary structure in the free solution state. In sharp contrast to the disordered free state, however, the p21 NH2 terminus adopts an ordered stable conformation when bound to Cdk2, as shown directly by NMR spectroscopy. We have, thus, identified a striking disorder-order transition for p21 upon binding to one of its biological targets, Cdk2. This structural transition has profound implications in light of the ability of p21 to bind and inhibit a diverse family of cyclin-Cdk complexes, including cyclin A-Cdk2, cyclin E-Cdk2, and cyclin D-Cdk4. Our findings suggest that the flexibility, or disorder, of free p21 is associated with binding diversity and offer insights into the role for structural disorder in mediating binding specificity in biological systems. Further, these observations challenge the generally accepted view of proteins that stable secondary and tertiary structure are prerequisites for biological activity and suggest that a broader view of protein structure should be considered in the context of structure-activity relationships.

Stopped-flow NMR spectroscopy: real-time unfolding studies of 6-19F-tryptophan-labeled Escherichia coli dihydrofolate reductase.

Escherichia coli dihydrofolate reductase (DHFR; EC 1.5.1.3) contains five tryptophan residues that have been replaced with 6-19F-tryptophan. The 19F NMR assignments are known in the native, unliganded form and the unfolded form. We have used these assignments with stopped-flow 19F NMR spectroscopy to investigate the behavior of specific regions of the protein in real time during urea-induced unfolding. The NMR data show that within 1.5 sec most of the intensities of the native 19F resonances of the protein are lost but only a fraction (approximately 20%) of the intensities of the unfolded resonances appears. We postulate that the early disappearance of the native resonances indicates that most of the protein rapidly forms an intermediate in which the side chains have considerable mobility. Stopped-flow far-UV circular dichroism measurements indicate that this intermediate retains native-like secondary structure. Eighty percent of the intensities of the NMR resonances assigned to the individual tryptophans in the unfolded state appear with similar rate constants (k approximately 0.14 sec-1), consistent with the major phase of unfolding observed by stopped-flow circular dichroism (representing 80% of total amplitude). These data imply that after formation of the intermediate, which appears to represent an expanded structural form, all regions of the protein unfold at the same rate. Stopped-flow measurements of the fluorescence and circular dichroism changes associated with the urea-induced unfolding show a fast phase (half-time of about 1 sec) representing 20% of the total amplitude in addition to the slow phase mentioned above. The NMR data show that approximately 20% of the total intensity for each of the unfolded tryptophan resonances is present at 1.5 sec, indicating that these two phases may represent the complete unfolding of the two different populations of the native protein.

Influence of a uniform current on collective magnetization dynamics in a ferromagnetic metal

We discuss the influence of a uniform current j⃗ on the magnetization dynamics of a ferromagnetic metal. We find that the magnon energy ε(q⃗) has a current-induced contribution proportional to q⃗⋅J→, where J→ is the spin current, and predict that collective dynamics will be more strongly damped at finite j⃗. We obtain similar results for models with and without local moment participation in the magnetic order. For transition metal ferromagnets, we estimate that the uniform magnetic state will be destabilized for j≳109A cm-2. We discuss the relationship of this effect to the spin-torque effects that alter magnetization dynamics in inhomogeneous magnetic systems.

Spontaneous persistent currents in a quantum spin Hall insulator

We present a mechanism for persistent charge current. Quantum spin Hall insulators hold dissipationless spin currents in their edges so that, for a given spin orientation, a net charge current flows which is exactly compensated by the counterflow of the opposite spin. Here we show that ferromagnetic order in the edge upgrades the spin currents into persistent charge currents without applied fields. For that matter, we study the Hubbard model including Haldane-Kane-Mele spin-orbit coupling in a zigzag ribbon and consider the case of graphene. We find three electronic phases with magnetic edges that carry currents reaching 0.4 nA, comparable to persistent currents in metallic rings, for the small spin-orbit coupling in graphene. One of the phases is a valley half metal.

Studies of the interaction of Potassium(I), Calcium(II), Magnesium(II), and Copper(II) with Cyclosporin A

Metal ion binding properties of the immunosuppressant drug cyclosporin A have been investigated. Complexation studies in acetonitrile solution using H-1 NMR and CD spectroscopy yielded 1:1 metal-peptide binding constants (log(10)K) for potassium(l), < 1, magnesium(II), 4.8 +/- 0.2. and calcium(II), 5.0 +/- 1.0. The interaction of copper(II) with cyclosporin A in methanol was investigated with UV/visible and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. No complexation of copper(II) was observed in neutral solution. In the presence of base, monomeric copper(II) complexes were detected. These results support the possibility that cyclosporin A has ionophoric properties for biologically important essential metal ions. (C) 2003 Elsevier Inc. All rights reserved.

Chemical synthesis and structure elucidation of bovine kappa-casein (1-44)

The caseins (alpha(s1), alpha(s2), beta, and kappa) are phosphoproteins present in bovine milk that have been studied for over a century and whose structures remain obscure. Here we describe the chemical synthesis and structure elucidation of the N-terminal segment (1-44) of bovine K-casein, the protein which maintains the micellar structure of the caseins. K-Casein (1-44) was synthesised by highly optimised Boc solid-phase peptide chemistry and characterised by mass spectrometry. Structure elucidation was carried out by circular dichroism and nuclear magnetic resonance spectroscopy. CD analysis demonstrated that the segment was ill defined in aqueous medium but in 30% trifluoroethanol it exhibited considerable helical structure. Further, NMR analysis showed the presence of a helical segment containing 26 residues which extends from Pro(8) to Arg(34). This is the first report which demonstrates extensive secondary structure within the casein class of proteins. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Asymmetric reactions of organosilicon compounds and properties of novel optically active organosilanes

Partial reduction of racemic methoxysilanes by 1:1 complexes of lithium aluminium hydride with optically active cinchona and ephedra alkaloids give optically active silanes and methoxysilanes. Optical yields depend on the groups attached to silicon and the alkaloid used but in some cases approach 50%, The method has been used to prepare novel optically active organosilanes, possessing an asymmetric silicon centre, which are either inaccessible by any of the other available routes or would require a time consuming preparation. Such compounds are of use in the study of the mechanism of substitutions at silicon. Attempts have been made to rationalize the results of the asymmetric reductions in terms of differences in sterio and electronic interactions in diastereoisomeric transition states. Circular dichroism and optical rotatory dispersion spectra have been obtained for the optically active products in an attempt to elucidate the absolute configurations of the novel asymmetric organosilanes. The results from these studies provide a useful addition to the data so far accumulated for asymmetrically perturbed aromatic chromophores. Nuclear magnetic resonanoe studies of diastereoisomaric (-)-menthoxysilanes show that these compounds possess resonances extremely useful in the determination of optical purities for asymmetric organosilanes which possess an aromatic group. The effect of variable temperature on the spectra has revealed evidence for the conformational preferences in these compounds. Other diastereoisomeric alkoxysilanes have been prepared and their n.m.r.spectra studied in the hope of establishing trends. Exploratory studies for other asymmetric reactions proceeding at silicon have proved unfruitful.

Synthesis and Biological Evaluation of Novel Folic Acid Receptor-Targeted, β-Cyclodextrin-Based Drug Complexes for Cancer Treatment

Drug targeting is an active area of research and nano-scaled drug delivery systems hold tremendous potential for the treatment of neoplasms. In this study, a novel cyclodextrin (CD)-based nanoparticle drug delivery system has been assembled and characterized for the therapy of folate receptor-positive [FR(+)] cancer. Water-soluble folic acid (FA)-conjugated CD carriers (FACDs) were successfully synthesized and their structures were confirmed by 1D/2D nuclear magnetic resonance (NMR), matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometer (MALDI-TOF-MS), high performance liquid chromatography (HPLC), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and circular dichroism. Drug complexes of adamatane (Ada) and cytotoxic doxorubicin (Dox) with FACD were readily obtained by mixed solvent precipitation. The average size of FACD-Ada-Dox was 1.5–2.5 nm. The host-guest association constant Ka was 1,639 M−1 as determined by induced circular dichroism and the hydrophilicity of the FACDs was greatly enhanced compared to unmodified CD. Cellular uptake and FR binding competitive experiments demonstrated an efficient and preferentially targeted delivery of Dox into FR-positive tumor cells and a sustained drug release profile was seen in vitro. The delivery of Dox into FR(+) cancer cells via endocytosis was observed by confocal microscopy and drug uptake of the targeted nanoparticles was 8-fold greater than that of non-targeted drug complexes. Our docking results suggest that FA, FACD and FACD-Ada-Dox could bind human hedgehog interacting protein that contains a FR domain. Mouse cardiomyocytes as well as fibroblast treated with FACD-Ada-Dox had significantly lower levels of reactive oxygen species, with increased content of glutathione and glutathione peroxidase activity, indicating a reduced potential for Dox-induced cardiotoxicity. These results indicate that the targeted drug complex possesses high drug association and sustained drug release properties with good biocompatibility and physiological stability. The novel FA-conjugated β-CD based drug complex might be promising as an anti-tumor treatment for FR(+) cancer.