Phenothiazine based polymers for energy and data storage application

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten. Phenothiazin und seine Derivate sind kleine Redoxeinheiten, deren reversibles Redoxverhalten mit electrochromen Eigenschaften verbunden ist. Das besondere an Phenothiazine ist die Bildung von stabilen Radikalkationen im oxidierten Zustand. Daher können Phenothiazine als bistabile Moleküle agieren und zwischen zwei stabilen Redoxzuständen wechseln. Dieser Schaltprozess geht gleichzeitig mit einer Farbveränderung an her.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger Phenothiazin-Polymere mittels radikalischer Polymerisation beschrieben. Phenothiazin-Derivate wurden kovalent an aliphatischen und aromatischen Polymerketten gebunden. Dies erfolgte über zwei unterschiedlichen synthetischen Routen. Die erste Route beinhaltet den Einsatz von Vinyl-Monomeren mit Phenothiazin Funktionalität zur direkten Polymerisation. Die zweite Route verwendet Amin modifizierte Phenothiazin-Derivate zur Funktionalisierung von Polymeren mit Aktivester-Seitenketten in einer polymeranalogen Reaktion. rnrnPolymere mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten sind aufgrund ihrer Elektron-Donor-Eigenschaften geeignete Kandidaten für die Verwendung als Kathodenmaterialien. Zur Überprüfung ihrer Eignung wurden Phenothiazin-Polymere als Elektrodenmaterialien in Lithium-Batteriezellen eingesetzt. Die verwendeten Polymere wiesen gute Kapazitätswerte von circa 50-90 Ah/kg sowie schnelle Aufladezeiten in der Batteriezelle auf. Besonders die Aufladezeiten sind 5-10 mal höher als konventionelle Lithium-Batterien. Im Hinblick auf Anzahl der Lade- und Entladezyklen, erzielten die Polymere gute Werte in den Langzeit-Stabilitätstests. Insgesamt überstehen die Polymere 500 Ladezyklen mit geringen Veränderungen der Anfangswerte bezüglich Ladezeiten und -kapazitäten. Die Langzeit-Stabilität hängt unmittelbar mit der Radikalstabilität zusammen. Eine Stabilisierung der Radikalkationen gelang durch die Verlängerung der Seitenkette am Stickstoffatom des Phenothiazins und der Polymerhauptkette. Eine derartige Alkyl-Substitution erhöht die Radikalstabilität durch verstärkte Wechselwirkung mit dem aromatischen Ring und verbessert somit die Batterieleistung hinsichtlich der Stabilität gegenüber Lade- und Entladezyklen. rnrnDes Weiteren wurde die praktische Anwendung von bistabilen Phenothiazin-Polymeren als Speichermedium für hohe Datendichten untersucht. Dazu wurden dünne Filme des Polymers auf leitfähigen Substraten elektrochemisch oxidiert. Die elektrochemische Oxidation erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie in Kombination mit leitfähigen Mikroskopspitzen. Mittels dieser Technik gelang es, die Oberfläche des Polymers im nanoskaligen Bereich zu oxidieren und somit die lokale Leitfähigkeit zu verändern. Damit konnten unterschiedlich große Muster lithographisch beschrieben und aufgrund der Veränderung ihrer Leitfähigkeit detektiert werden. Der Schreibprozess führte nur zu einer Veränderung der lokalen Leitfähigkeit ohne die topographische Beschaffenheit des Polymerfilms zu beeinflussen. Außerdem erwiesen sich die Muster als besonders stabil sowohl mechanisch als auch über die Zeit.rnrnZum Schluss wurden neue Synthesestrategien entwickelt um mechanisch stabile als auch redox-funktionale Oberflächen zu produzieren. Mit Hilfe der oberflächen-initiierten Atomtransfer-Radikalpolymerisation wurden gepfropfte Polymerbürsten mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten hergestellt und mittels Röntgenmethoden und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Eine der Synthesestrategien geht von gepfropften Aktivesterbürsten aus, die anschließend in einem nachfolgenden Schritt mit redox-funktionalen Gruppen modifiziert werden können. Diese Vorgehensweise ist besonders vielversprechend und erlaubt es unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Aktivesterbürsten zu verankern. Damit können durch Verwendung von vernetzenden Gruppen neben den Redoxeigenschaften, die mechanische Stabilität solcher Polymerfilme optimiert werden. rn rn

Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere

Intrinsisch leitfähige Polymere sind durch eine Reihe materialspezifischer Eigenschaften gekennzeichnet. In Abhängigkeit des angelegten Potenzials und der chemischen Umgebung zeigen sie elektrochromes Verhalten, Veränderungen der Masse, des Volumens und der elektronischen Leitfähigkeit. Basierend auf diesen Eigenschaften eignen sich halbleitende organische Polymere als funktionales Material für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie, insbesondere für miniaturisierte chemische Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Piezo-Aktoren operieren diese Aktoren z. B. bei Spannungen unterhalb 1 V. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemomechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere Polyanilin und Polypyrrol, d. h. mit den potenzialkontrollierten Veränderungen des Volumens, der Struktur und der mechanischen Eigenschaften. Bei diesem Prozess werden positive Ladungen innerhalb der Polymerphase generiert. Um die für den Ladungsausgleich benötigten Gegenionen bereitzustellen, werden alle Messungen in Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten durchgeführt. Der Ladungstransport und die Volumenänderungen werden mit den Methoden der zyklischen Voltammetrie, der elektrochemischen Quarzmikrowaage und der Rastersondenmikroskopie untersucht. Signifikante Ergebnisse können für dünne homogene Polymerschichten erhalten werden, wobei Schichtdicken oberhalb 150 nm aufgrund der insbesondere bei Polyanilin einsetzenden Bildung von Fadenstrukturen (Fibrillen) vermieden werden. Von besonderem Interesse im Rahmen dieser Arbeit ist die Kombination der funktionalen Polymere mit Strukturen auf Siliziumbasis, insbesondere mit mikrostrukturierten Cantilevern. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für das Design und die Dimensionierung der Mikroaktoren. Diese bestehen aus Siliziumcantilevern, die eine Elektrodenschicht aus Gold oder Platin tragen. Auf der Elektrode wird mittels Elektrodeposition eine homogene Schicht Polymer mit Schichtdicken bis zu 150 nm aufgebracht. Die Aktorcharakteristik, die Biegung des Cantilevers aufgrund des angelegten Potenzials, wird mit dem aus der Rastersondenmikroskopie bekannten Lichtzeigerverfahren gemessen. Das Aktorsystem wird hinsichtlich des angelegten Potenzials, des Elektrolyten und der Redox-Kinetik charakterisiert. Die verschiedenen Beiträge zum Aktorverhalten werden in situ während des Schichtwachstums untersucht. Das beobachtete Verhalten kann als Superposition verschiedener Effekte beschrieben werden. Darunter sind die Elektrodenaufladung (Elektrokapillarität), die Veränderungen der Elektrodenoberfläche durch dünne Oxidschichten und die Elektrochemomechanik des Polymers.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasenverhalten binärer Polymerbürsten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strukturbildung im schlechten Lösungsmittel bei ein- und zweikomponentigen Polymerbürsten, bei denen Polymerketten durch Pfropfung am Substrat verankert sind. Solche Systeme zeigen laterale Strukturbildungen, aus denen sich interessante Anwendungen ergeben. Die Bewegung der Polymere erfolgt durch Monte Carlo-Simulationen im Kontinuum, die auf CBMC-Algorithmen sowie lokalen Monomerverschiebungen basieren. Eine neu entwickelte Variante des CBMC-Algorithmus erlaubt die Bewegung innerer Kettenteile, da der bisherige Algorithmus die Monomere in Nähe des Pfropfmonomers nicht gut relaxiert. Zur Untersuchung des Phasenverhaltens werden mehrere Analysemethoden entwickelt und angepasst: Dazu gehören die Minkowski-Maße zur Strukturuntersuchung binären Bürsten und die Pfropfkorrelationen zur Untersuchung des Einflusses von Pfropfmustern. Bei einkomponentigen Bürsten tritt die Strukturbildung nur beim schwach gepfropften System auf, dichte Pfropfungen führen zu geschlossenen Bürsten ohne laterale Struktur. Für den graduellen Übergang zwischen geschlossener und aufgerissener Bürste wird ein Temperaturbereich bestimmt, in dem der Übergang stattfindet. Der Einfluss des Pfropfmusters (Störung der Ausbildung einer langreichweitigen Ordnung) auf die Bürstenkonfiguration wird mit den Pfropfkorrelationen ausgewertet. Bei unregelmäßiger Pfropfung sind die gebildeten Strukturen größer als bei regelmäßiger Pfropfung und auch stabiler gegen höhere Temperaturen. Bei binären Systemen bilden sich Strukturen auch bei dichter Pfropfung aus. Zu den Parametern Temperatur, Pfropfdichte und Pfropfmuster kommt die Zusammensetzung der beiden Komponenten hinzu. So sind weitere Strukturen möglich, bei gleicher Häufigkeit der beiden Komponenten bilden sich streifenförmige, lamellare Muster, bei ungleicher Häufigkeit formt die Minoritätskomponente Cluster, die in der Majoritätskomponente eingebettet sind. Selbst bei gleichmäßig gepfropften Systemen bildet sich keine langreichweitige Ordnung aus. Auch bei binären Bürsten hat das Pfropfmuster großen Einfluss auf die Strukturbildung. Unregelmäßige Pfropfmuster führen schon bei höheren Temperaturen zur Trennung der Komponenten, die gebildeten Strukturen sind aber ungleichmäßiger und etwas größer als bei gleichmäßig gepfropften Systemen. Im Gegensatz zur self consistent field-Theorie berücksichtigen die Simulationen Fluktuationen in der Pfropfung und zeigen daher bessere Übereinstimmungen mit dem Experiment.

Computersimulationen zum Einfluss topologischer Beschränkungen auf Polymere

Topologische Beschränkungen beeinflussen die Eigenschaften von Polymeren. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit Hilfe von Computersimulationen im Detail untersucht, inwieweit sich die statischen Eigenschaften von kollabierten Polymerringen, Polymerringen in konzentrierten Lösungen und aus Polymerringen aufgebauten Bürsten mit topologischen Beschränkungen von solchen ohne topologische Beschränkungen unterscheiden. Des Weiteren wird analysiert, welchen Einfluss geometrische Beschränkungen auf die topologischen Eigenschaften von einzelnen Polymerketten besitzen. Im ersten Teil der Arbeit geht es um den Einfluss der Topologie auf die Eigenschaften einzelner Polymerketten in verschiedenen Situationen. Da allerdings gerade die effiziente Durchführung von Monte-Carlo-Simulationen von kollabierten Polymerketten eine große Herausforderung darstellt, werden zunächst drei Bridging-Monte-Carlo-Schritte für Gitter- auf Kontinuumsmodelle übertragen. Eine Messung der Effizienz dieser Schritte ergibt einen Beschleunigungsfaktor von bis zu 100 im Vergleich zum herkömmlichen Slithering-Snake-Algorithmus. Darauf folgt die Analyse einer einzelnen, vergröberten Polystyrolkette in sphärischer Geometrie hinsichtlich Verschlaufungen und Knoten. Es wird gezeigt, dass eine signifikante Verknotung der Polystrolkette erst eintritt, wenn der Radius des umgebenden Kapsids kleiner als der Gyrationsradius der Kette ist. Des Weiteren werden sowohl Monte-Carlo- als auch Molekulardynamiksimulationen sehr großer Ringe mit bis zu einer Million Monomeren im kollabierten Zustand durchgeführt. Während die Konfigurationen aus den Monte-Carlo-Simulationen aufgrund der Verwendung der Bridging-Schritte sehr stark verknotet sind, bleiben die Konfigurationen aus den Molekulardynamiksimulationen unverknotet. Hierbei zeigen sich signifikante Unterschiede sowohl in der lokalen als auch in der globalen Struktur der Ringpolymere. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Skalierungsverhalten des Gyrationsradius der einzelnen Polymerringe in einer konzentrierten Lösung aus völlig flexiblen Polymerringen im Kontinuum untersucht. Dabei wird der Anfang des asymptotischen Skalierungsverhaltens, welches mit dem Modell des “fractal globules“ konsistent ist, erreicht. Im abschließenden, dritten Teil dieser Arbeit wird das Verhalten von Bürsten aus linearen Polymeren mit dem von Ringpolymerbürsten verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Struktur und das Skalierungsverhalten beider Systeme mit identischem Dichteprofil parallel zum Substrat deutlich voneinander abweichen, obwohl die Eigenschaften beider Systeme in Richtung senkrecht zum Substrat übereinstimmen. Der Vergleich des Relaxationsverhaltens einzelner Ketten in herkömmlichen Polymerbürsten und Ringbürsten liefert keine gravierenden Unterschiede. Es stellt sich aber auch heraus, dass die bisher verwendeten Erklärungen zur Relaxationsverhalten von herkömmlichen Bürsten nicht ausreichen, da diese lediglich den anfänglichen Zerfall der Korrelationsfunktion berücksichtigen. Bei der Untersuchung der Dynamik einzelner Monomere in einer herkömmlichen Bürste aus offenen Ketten vom Substrat hin zum offenen Ende zeigt sich, dass die Monomere in der Mitte der Kette die langsamste Relaxation besitzen, obwohl ihre mittlere Verrückung deutlich kleiner als die der freien Endmonomere ist.

Polymer surfaces on small length- and short time-scales

The behaviour of a polymer depends strongly on the length- and time scale as well as on the temperature rnat which it is probed. In this work, I describe investigations of polymer surfaces using scanning probe rnmicroscopy with heatable probes. With these probes, surfaces can be heated within seconds down to rnmicroseconds. I introduce experiments for the local and fast determination of glass transition and melting rntemperatures. I developed a method which allows the determination of glass transition and melting rntemperatures on films with thicknesses below 100 nm: A background measurement on the substrate was rnperformed. The resulting curve was subtracted from the measurement on the polymer film. The rndifferential measurement on polystyrene films with thicknesses between 35 nm and 160 nm showed rncharacteristic signals at 95 ± 1 °C, in accordance with the glass transition of polystyrene. Pressing heated rnprobes into polymer films causes plastic deformation. Nanometer sized deformations are currently rninvestigated in novel concepts for high density data storage. A suitable medium for such a storage system rnhas to be easily indentable on one hand, but on the other hand it also has to be very stable towards rnsurface induced wear. For developing such a medium I investigated a new approach: A comparably soft rnmaterial, namely polystyrene, was protected with a thin but very hard layer made of plasma polymerized rnnorbornene. The resulting bilayered media were tested for surface stability and deformability. I showed rnthat the bilayered material combines the deformability of polystyrene with the surface stability of the rnplasma polymer, and that the material therefore is a very good storage medium. In addition we rninvestigated the glass transition temperature of polystyrene at timescales of 10 µs and found it to be rnapprox. 220 °C. The increase of this characteristic temperature of the polymer results from the short time rnat which the polymer was probed and reflects the well-known time-temperature superposition principle. rnHeatable probes were also used for the characterization of silverazide filled nanocapsules. The use of rnheatable probes allowed determining the decomposition temperature of the capsules from few rnnanograms of material. The measured decomposition temperatures ranged from 180 °C to 225 °C, in rnaccordance with literature values. The investigation of small amounts of sample was necessary due to the rnlimited availability of the material. Furthermore, investigating larger amounts of the capsules using rnconventional thermal gravimetric analysis could lead to contamination or even damage of the instrument. rnBesides the analysis of material parameters I used the heatable probes for the local thermal rndecomposition of pentacene precursor material in order to form nanoscale conductive structures. Here, rnthe thickness of the precursor layer was important for complete thermal decomposition. rnAnother aspect of my work was the investigation of redox active polymers - Poly-10-(4-vinylbenzyl)-10H-rnphenothiazine (PVBPT)- for data storage. Data is stored by changing the local conductivity of the material rnby applying a voltage between tip and surface. The generated structures were stable for more than 16 h. It rnwas shown that the presence of water is essential for succesfull patterning.

PAMM: A Redox Regulatory Protein That Modulates Osteoclast Differentiation

The central role of reactive oxygen species (ROS) in osteoclast differentiation and in bone homeostasis prompted us to characterize the redox regulatory system of osteoclasts. In this report, we describe the expression and functional characterization of PAMM, a CXXC motif-containing peroxiredoxin 2-like protein expressed in bone marrow monocytes on stimulation with M-CSF and RANKL. Expression of wild-type (but not C to G mutants of the CXXC domain) PAMM in HEK293 cells results in an increased GSH/GSSG ratio, indicating a shift toward a more reduced environment. Expression of PAMM in RAW264.7 monocytes protected cells from hydrogen peroxide-induced oxidative stress, indicating that PAMM regulates cellular redox status. RANKL stimulation of RAW 264.7 cells caused a decrease in the GSH/GSSG ratio (reflecting a complementary increase in ROS). In addition, RANKL-induced osteoclast formation requires phosphorylation and translocation of NF-kappa B and c-Jun. In stably transfected RAW 264.7 cells, PAMM overexpression prevented the reduction of GSH/GSSG induced by RANKL. Concurrently, PAMM expression completely abolished RANKL-induced p100 NF-kappa B and c-Jun activation, as well as osteoclast formation. We conclude that PAMM is a redox regulatory protein that modulates osteoclast differentiation in vitro. PAMM expression may affect bone resorption in vivo and help to maintain bone mass. Antioxid. Redox Signal. 13, 27-37.

Control of the Intracellular Redox State by Glucose Participates in the Insulin Secretion Mechanism

Background: Production of reactive oxygen species (ROS) due to chronic exposure to glucose has been associated with impaired beta cell function and diabetes. However, physiologically, beta cells are well equipped to deal with episodic glucose loads, to which they respond with a fine tuned glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). In the present study, a systematic investigation in rat pancreatic islets about the changes in the redox environment induced by acute exposure to glucose was carried out. Methodology/Principal Findings: Short term incubations were performed in isolated rat pancreatic islets. Glucose dose- and time-dependently reduced the intracellular ROS content in pancreatic islets as assayed by fluorescence in a confocal microscope. This decrease was due to activation of pentose-phosphate pathway (PPP). Inhibition of PPP blunted the redox control as well as GSIS in a dose-dependent manner. The addition of low doses of ROS scavengers at high glucose concentration acutely improved beta cell function. The ROS scavenger N-acetyl-L-cysteine increased the intracellular calcium response to glucose that was associated with a small decrease in ROS content. Additionally, the presence of the hydrogen peroxide-specific scavenger catalase, in its membrane-permeable form, nearly doubled glucose metabolism. Interestingly, though an increase in GSIS was also observed, this did not match the effect on glucose metabolism. Conclusions: The control of ROS content via PPP activation by glucose importantly contributes to the mechanisms that couple the glucose stimulus to insulin secretion. Moreover, we identified intracellular hydrogen peroxide as an inhibitor of glucose metabolism intrinsic to rat pancreatic islets. These findings suggest that the intracellular adjustment of the redox environment by glucose plays an important role in the mechanism of GSIS.

Aging and calorie restriction modulate yeast redox state, oxidized protein removal, and the ubiquitin-proteasome system

The ubiquitin-proteasome system governs the half-life of most cellular proteins. Calorie restriction (CR) extends the maximum life span of a variety of species and prevents oxidized protein accumulation. We studied the effects of CR on the ubiquitin-proteasome system and protein turnover in aging Saccharomyces cerevisiae. CR increased chronological life span as well as proteasome activity compared to control cells. The levels of protein carbonyls, a marker of protein oxidation, and those of polyubiquitinated proteins were modulated by CR. Controls, but not CR cells, exhibited a significant increase in oxidized proteins. In keeping with decreased proteasome activity, polyubiquitinated proteins were increased in young control cells compared to time-matched CR cells, but were profoundly decreased in aged control cells despite decreased proteasomal activity. This finding is related to a decreased polyubiquitination ability due to the impairment of the ubiquitin-activating enzyme in aged control cells, probably related to a more oxidative microenvironment. CR preserves the ubiquitin-proteasome system activity. Overall, we found that aging and CR modulate many aspects of protein modification and turnover. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Aerobic exercise training improves Ca(2+) handling and redox status of skeletal muscle in mice

Exercise training is known to promote relevant changes in the properties of skeletal muscle contractility toward powerful fibers. However, there are few studies showing the effect of a well-established exercise training protocol on Ca(2+) handling and redox status in skeletal muscles with different fiber-type compositions. We have previously standardized a valid and reliable protocol to improve endurance exercise capacity in mice based on maximal lactate steady-state workload (MLSSw). The aim of this study was to investigate the effect of exercise training, performed at MLSSw, on the skeletal muscle Ca(2+) handling-related protein levels and cellular redox status in soleus and plantaris. Male C57BL/6J mice performed treadmill training at MLSSw over a period of eight weeks. Muscle fiber-typing was determined by myosin ATPase histochemistry, citrate synthase activity by spectrophotometric assay, Ca(2+) handling-related protein levels by Western blot and reduced to oxidized glutathione ratio (GSH:GSSG) by high-performance liquid chromatography. Trained mice displayed higher running performance and citrate synthase activity compared with untrained mice. Improved running performance in trained mice was paralleled by fast-to-slow fiber-type shift and increased capillary density in both plantaris and soleus. Exercise training increased dihydropyridine receptor (DHPR) alpha 2 subunit, ryanodine receptor and Na(+)/Ca(2+) exchanger levels in plantaris and soleus. Moreover, exercise training elevated DHPR beta 1 subunit and sarcoplasmic reticulum Ca(2+)-ATPase (SERCA) 1 levels in plantaris and SERCA2 levels in soleus of trained mice. Skeletal muscle GSH content and GSH:GSSG ratio was increased in plantaris and soleus of trained mice. Taken together, our findings indicate that MLSSw exercise-induced better running performance is, in part, due to increased levels of proteins involved in skeletal muscle Ca(2+) handling, whereas this response is partially dependent on specificity of skeletal muscle fiber-type composition. Finally, we demonstrated an augmented cellular redox status and GSH antioxidant capacity in trained mice.

Ethanol-induced vasoconstriction is mediated via redox-sensitive cyclo-oxygenase-dependent mechanisms

The present study investigated the role of ROS (reactive oxygen species) and COX (cyclooxygenase) in ethanol-induced contraction and elevation of [Ca(2+)](i) (intracellular [Ca(2+)]). Vascular reactivity experiments, using standard muscle bath procedures, showed that ethanol (1-800 mmol/l) induced contraction in endothelium-intact (EC(50): 306 +/- 34 mmol/l) and endothelium-denuded (EC(50): 180 +/- 40 mmol/l) rat aortic rings. Endothelial removal enhanced ethanol-induced contraction. Preincubation of intact rings with L-NAME [N(G)-nitro-L-arginine methyl ester; non-selective NOS (NO synthase) inhibitor, 100 mu mol/l], 7-nitroindazole [selective nNOS (neuronal NOS) inhibitor, 100 mu mol/l], oxyhaemoglobin (NO scavenger, 10 mu mol/l) and ODQ (selective inhibitor of guanylate cyclase enzyme, 1 mu mol/l) increased ethanol-induced contraction. Tiron [O(2)(-) (superoxide anion) scavenger, 1 mmol/l] and catalase (H(2)O(2) scavenger, 300 units/ml) reduced ethanol-induced contraction to a similar extent in both endothelium-intact and denuded rings. Similarly, indomethacin (non-selective COX inhibitor, 10 mu mol/l), SC560 (selective COX- I inhibitor, 1 mu mol/l), AH6809 [PGF(2 alpha) (prostaglandin F(2 alpha))] receptor antagonist, 10 mu mol/l] or SQ29584 [PGH(2)(prostaglandin H(2))/TXA(2) (thromboxane A(2)) receptor antagonist, 3 mu mol/l] inhibited ethanol-induced contraction in aortic rings with and without intact endothelium. In cultured aortic VSMCs (vascular smooth muscle cells), ethanol stimulated generation of O(2)(-) and H(2)O(2). Ethanol induced a transient increase in [Ca(2+)](i), which was significantly inhibited in VSMCs pre-exposed to tiron or indomethacin. Our data suggest that ethanol induces vasoconstriction via redox-sensitive and COX-dependent pathways, probably through direct effects on ROS production and Ca(2+) signalling. These findings identify putative molecular mechanisms whereby ethanol, at high concentrations, influences vascular reactivity. Whether similar phenomena occur in vivo at lower concentrations of ethanol remains unclear.

Influence of Redox Environments on the Solubility of Arsenic in Soils

Arsenic (As) is a semimetallic element that is notorious for its toxicity and carcinogenicity. Arsenic can be removed by some ferns. The objectives of this study were to investigate the ability of Pteris vittata L. (Pteridophyta) and Phlebodium aureum (L.) J. Sm. (Polypodiaceae) to absorb inorganic As, in the form of arsenate and arsenite. The removal of As by ferns was observed at varying anion concentrations and As solubility in the absorbing plant. Results obtained with ferns on As-contaminated soil indicate that redox potential and iron (Fe) presence affected the solubility of As and the absorption capacity of ferns. Upon reduction to -200mV, the soluble As content increased to 400mV. The results indicate that Fe oxides and the influence of redox potential strongly affect As absorption. Under nonreducing conditions, Phlebodium aureum did not remove As as well as Pteris vittata. Under more reducing conditions (-200 to 0mV) and under similar soil conditions, the results show that the both ferns remove As.

Redox properties of the adenoside triphosphate-sensitive K+ channel in brain mitochondria

Brain mitochondrial ATP-sensitive K+ channel (mito-K-ATP) opening by diazoxide protects against ischemic damage and excitotoxic cell death. Here we studied the redox properties of brain mito-K-ATP. Mito-K-ATP activation during excitotoxicity in cultured cerebellar granule neurons prevented the accumulation of reactive oxygen species (ROS) and cell death. Furthermore, mito-K-ATP activation in isolated brain mitochondria significantly prevented H2O2 release by these organelles but did not change Ca2+ accumulation capacity. Interestingly, the activity of mito-K-ATP was highly dependent on redox state. The thiol reductant mercaptopropionylglycine prevented mito-K-ATP activity, whereas exogenous ROS activated the channel. In addition, the use of mitochondrial substrates that led to higher levels of endogenous mitochondrial ROS release closely correlated with enhanced K+ transport activity through mito-K-ATP. Altogether, our results indicate that brain mito-K-ATP is a redox-sensitive channel that controls mitochondrial ROS release. (c) 2008 Wiley-Liss, Inc.

Mitochondrial energy metabolism and redox responses to hypertriglyceridemia

In this work we review recent findings that explain how mitochondrial bioenergetic functions and redox state respond to a hyperlipidemic in vivo environment and may contribute to the maintenance of a normal metabolic phenotype. The experimental model utilized to evidence these adaptive mechanisms is especially useful for these studies since it exhibits genetic hypertriglyceridemia and avoids complications introduced by high fat diets. Liver from hypertrigliceridemic (HTG) mice have a greater content of glycerolipids together with increased mitochondrial free fatty acid oxidation. HTG liver mitochondria have a higher resting respiration rate but normal oxidative phosphorylation efficiency. This is achieved by higher activity of the mitochondrial potassium channel sensitive to ATP (mitoK(ATP)). The mild uncoupling mediated by mitoK(ATP) accelerates respiration rates and reduces reactive oxygen species generation. Although this response is not sufficient to inhibit lipid induced extra-mitochondrial oxidative stress in whole liver cells it avoids amplification of this redox imbalance. Furthermore, higher mitoK(ATP) activity increases liver, brain and whole body metabolic rates. These mitochondrial adaptations may explain why these HTG mice do not develop insulin resistance and obesity even under a severe hyperlipidemic state. On the contrary, when long term high fat diets are employed, insulin resistance, fatty liver and obesity develop and mitochondrial adaptations are inefficient to counteract energy and redox imbalances.

Spectroelectrochemistry and investigation of charge transport mechanisms of iron poly(pyridyl) redox polymers

In this work, we describe the characterization of the complex [Fe(tpy-NH2)(2)](PF6)(2) (tpy-NH2 = bis[4`-(3-aminophenyl)-2, 2`:6`,2 ``-terpyridine]. The complex was oxidatively electropolymerized on glassy.-carbon electrodes in CH3CN/0.1 M tetraethylammonium perchlorate (TEAP) to generate polymer films that exhibit reversible oxidative electrochemical behavior in a wide potential range (0.0-1.6 V), as well as high conductivity and stability/durability. In situ spectrocyclic voltammetry of this modified electrode was carried out on a photodiode array spectrophotometer attached to a potentiostat, which provided UV-Vis absorption spectra of the redox species during the potential sweep. We determined charge transport parameters as a function of time and thickness of the modified electrode, and the results showed that poly-[[Fe(tpy-NH2)(2)](2+)](n) can be made to exhibit three regimes of charge transport behavior by manipulation of the film thickness and the experimental time-scale. Morphological characterization of the film was provided by atomic force microscopy. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Protein disulfide isomerase redox-dependent association with p47(phox): evidence for an organizer role in leukocyte NADPH oxidase activation

Mechanisms of leukocyte NADPH oxidase regulation remain actively investigated. We showed previously that vascular and macrophage oxidase complexes are regulated by the associated redox chaperone PDI. Here, we investigated the occurrence and possible underlying mechanisms of PDI-mediated regulation of neutrophil NADPH oxidase. In a semirecombinant cell-free system, PDI inhibitors scrRNase (100 mu g/mL) or bacitracin (1 mM) near totally suppressed superoxide generation. Exogenously incubated, oxidized PDI increased (by similar to 40%), whereas PDIred diminished (by similar to 60%) superoxide generation. No change occurred after incubation with PDI serine-mutated in all four redox cysteines. Moreover, a mimetic CxxC PDI inhibited superoxide production by similar to 70%. Thus, oxidized PDI supports, whereas reduced PDI down-regulates, intrinsic membrane NADPH oxidase complex activity. In whole neutrophils, immunoprecipitation and colocalization experiments demonstrated PDI association with membrane complex subunits and prominent thiol-mediated interaction with p47(phox) in the cytosol fraction. Upon PMA stimulation, PDI was mobilized from azurophilic granules to cytosol but did not further accumulate in membranes, contrarily to p47(phox). PDI-p47(phox) association in cytosol increased concomitantly to opposite redox switches of both proteins; there was marked reductive shift of cytosol PDI and maintainance of predominantly oxidized PDI in the membrane. Pulldown assays further indicated predominant association between PDIred and p47(phox) in cytosol. Incubation of purified PDI (> 80% reduced) and p47(phox) in vitro promoted their arachidonate-dependent association. Such PDI behavior is consistent with a novel cytosolic regulatory loop for oxidase complex (re) cycling. Altogether, PDI seems to exhibit a supportive effect on NADPH oxidase activity by acting as a redox-dependent enzyme complex organizer. J. Leukoc. Biol. 90: 799-810; 2011.