TY  - THES
A1  - Arnold, Markus A.
T1  - Oxidative DNA-Schädigung durch elektronisch angeregte Carbonylverbindungen und daraus gebildete Radikalspezies
T1  - Oxidative DNA damage induced by electronically excited carbony compounds and radical species derived thereof
N2  - Mittels Laserblitz-Photolyse wurden die Triplettlebenszeiten sowie die Löschraten der Triplettzustände verschiedener Acetophenonderivate durch dG, 8-oxodG, DNA, molekularen Sauerstoff und die Ketone selbst bestimmt. Für AP-OAc, AP und BP wurden Triplettlebensdauern von 7-9 µs gemessen, während die Triplettzustände von AP-OH und AP-OtBu aufgrund alpha Spaltung deutlich kurzlebiger waren (ca. 1 µs); die alpha Spaltung konnte EPR-spektroskopisch durch Spinabfangexperimente mit DMPO und TEMPO belegt werden. Im Fall von AP-OMe wurde weder dessen Triplettzustand noch die Bildung von Radikalen detektiert, was auf einer schnell ablaufenden Norrish-Typ-II-Spaltung beruht. Aufgrund dieses photochemischen Verhaltens wurden die Ketone (mit Ausnahme von AP-OMe) in zwei Gruppen klassifiziert, nämlich die „Gruppe A“-Ketone (keine Radikalbildung) und die „Gruppe B“-Ketone (Radikalbildner). Während die „Gruppe A“-Ketone gegenüber niedrigen Konzentrationen von DNA (62.5 µM) inaktiv waren, verursachten die bei der Bestrahlung der „Gruppe B“-Ketone generierten Peroxylradikale, neben wenigen direkt induzierten Strangbrüchen, hauptsächlich die Guaninoxidationsprodukte 8-oxoGua und guanidinfreisetzende Produkte (GRP). Erst wenn die DNA-Konzentration zehnfach erhöht wird (625 µM), tritt bei der Photolyse der „Gruppe A“-Ketone auch DNA-Oxidation durch einen Elektronentransfer von der Guaninbase auf das angeregte Keton ein. Ein analoger Konzentrationseffekt wurde auch in der dG-Oxidation beobachtet, bei niedrigen Substratkonzentrationen sind nur die radikalbildenden „Gruppe B“-Ketone aktiv. Die Tatsache, dass in der dG-Oxidation durch die „Gruppe A“-Ketone kein 8-oxodG detektiert wurde, wurde auf dessen effiziente Oxidation durch dG•+-Radikalkationen zurückgeführt. Die „Gruppe B“-Ketone sind in Abwesenheit von O2 gegenüber dG und DNA oxidativ inaktiv, da die in der alpha Spaltung generierten kohlenstoffzentrierten Radikale keine Peroxylradikale bilden können. Die „Gruppe A“-Ketone sind gegenüber DNA in Abwesenheit wie auch in Anwesenheit von Sauerstoff genauso reaktiv, da der Elektronentransfer von DNA zum Keton unabhängig von Sauerstoff ist. Um mechanistische Einblicke in die oxidative DNA-Schädigung zu erlangen, wurden photochemische Modellstudien mit dem Nukleosid dG sowie 8-oxodG durchgeführt, wobei zusätzlich Spiroiminodihydantoin gebildet wird. Bis vor kurzem wurde die Struktur dieses Oxidationsproduktes als 4-HO-8-oxodG angenommen, dass zuerst in der dG Oxidation mit Singulettsauerstoff (1O2) beobachtet wurde. Weder Spiroiminodihydantoin noch 4 HO-8-oxodG sind als authentische Verbindungen bekannt, so dass eine zweifelsfreie Strukturaufklärung die Bestimmung der Konnektivität der markierten Positionen erforderte. Diese Zuordnung erfolgte mittels eines SELINQUATE-NMR Spektrums, mit dem schlüssig die 4 HO-8-oxodG-Struktur ausgeschlossen wurde. Wie alle „Gruppe B“-Ketone sind auch alle „Gruppe A“-Ketone in Abwesenheit von O2 mit Ausnahme von AP-OAc gegenüber dG inert. Dies ist ein Beleg dafür, dass der Elektronentransferschritt von dG zum Keton in Abwesenheit von Sauerstoff (im Gegensatz zur DNA-Oxidation) reversibel ist und daher keine Oxidation möglich ist, wenn die Ketylradikale nicht durch O2 abgefangen werden. Das aus AP-OAc gebildete Ketylradikal besitzt als einziges einen effektiven unimolekularen Deaktivierungsweg, nämlich die Acetation-abspaltung, so dass die Reversibilität nicht mehr möglich ist.
N2  - By using the laser-flash-photolysis technique, the triplet lifetimes of several acetophenone derivatives and their quenching rates by dG, 8-oxodG, DNA and molecular oxygen were determined. For AP-OAc, AP and BP, triplet lifetimes of 7-9 µs were obtained, while for AP OH and AP OtBu the lifetimes were significantly shorter (ca. 1 µs) due to alpha cleavage. The alpha cleavage was verified by spin-trapping experiments with TEMPO and DMPO by EPR-spectral detection. For AP-OMe, neither its triplet state nor radical formation was observed due to rapid Norrish-Type-II cleavage. On the basis of this photochemical behavior, the ketones (with the exception of AP-OMe) were divided into two groups, namely the “group A” ketones (no radical release) and the “group B” ketones (radical release). While the “group A” ketones were inactive at low (62.5 µM) DNA concentrations, the peroxyl radicals generated on irradiation of the “group B” ketones led to few directly induced strandbreaks; mainly the guanine oxidation product 8-oxoGua and guanidine-releasing products (GRP) were observed. Only when the DNA concentration was increased tenfold (625 µM), did the excited ketones oxidize DNA through electron transfer. An analogous concentration effect was observed with dG, since at low substrate concentrations only the radical-releasing “group B” ketones were oxidatively active. The fact that in the dG oxidation by the “group A” ketones no 8-oxodG was detected is attributed to the efficient oxidation of 8-oxodG by the dG•+ radical cation. In the absence of O2, the „group B“ ketones do not oxidize dG and DNA, because peroxyl radicals are not formed by trapping of the carbon-centered radicals produced upon alpha cleavage. Since electron transfer is independent of oxygen, the “group A” ketones display the same reactivity towards DNA, whether oxygen is present or not. To gain insight into the mechanism of the oxidative DNA damage, photochemical model studies with the nucleosides dG and 8-oxodG were performed, in which spiroiminodihydantoin was obtained as an additional oxidation product. Until recently, the supposed structure of this oxidation product was 4-HO-8-oxodG, which was first observed in the dG oxidation by singlet oxygen. Since neither spiroiminodihydantoin nor 4-HO-8-oxodG are available as authentic compounds, an unequivocal structural elucidation required to assess the connectivity of the marked atoms. This assignment was achieved by means of the SELINQUATE-NMR technique, which definetively allowed to exclude the 4-HO-8-oxodG structure. Analogous to the “group B“ ketones, in the absence of molecular oxygen also “group A“ ketones (except AP-OAc) are unreactive towards dG. Evidently, the electron-transfer step from dG to the triplet-excited ketone is reversible in the absence of oxygen, since no dG oxidation occurs when the ketyl radicals are not trapped by molecular oxygen. The ketyl radical derived from AP-OAc is unique in that it possesses a unimolecular deactivation pathway, namely the cleavage into an acetoxy ion and a benzoylmethyl radical, which provides irreversible electron transfer between triplet-excited AP-OAc and dG even in the absence of molecular oxygen.
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Oxidation
KW  - Carbonylverbindungen
KW  - Acetophenon
KW  - DNA
KW  - Oxidation
KW  - Schädigung
KW  - Carbonylverbindung
KW  - Acetophenon
KW  - Dioxetan
KW  - Peroxyl
KW  - Radikal
KW  - Guanin
KW  - dG
KW  - DNA
KW  - oxidation
KW  - damage
KW  - carbonyl
KW  - acetophenone
KW  - dioxetane
KW  - peroxyl
KW  - radical
KW  - guanine
KW  - dG
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1182038
ER  - 
TY  - THES
A1  - Marquardt, Stefan
T1  - DNA-Schädigung durch photochemische Alkoxylradikalquellen
T1  - DNA damage by photochemical alkoxyl-radical sources
N2  - Reaktive Sauerstoffspezies induzieren oxidative DNA-Schäden (Oxidativer Stress) und spielen daher eine entscheidende Rolle bei Mutagenese, Kanzerogenese und Alterung. Durch die zunehmende terrestrische UV-Strahlung, die die Generierung solcher Spezies fördert, ist dieses Thema von besonderer Aktualität. Während die Reaktivität von Hydroxylradikalen gegenüber DNA bereits intensiv erforscht worden ist, sind die photobiologischen Wirkungen von Alkoxylradikalen bisher kaum untersucht. Vor diesem Hintergrund sollten neue photochemische Alkoxylradikalquellen entwickelt und deren Reaktivität gegenüber Nukleinsäuren mit dem bereits etablierten System Perester I verglichen werden. Auf diese Weise sollte ein allgemeines DNA-Schadensprofil von Alkoxylradikalen aufgestellt und deren Wirkungsgrad ermittelt werden. 1. Das wasserlösliche Pyridon IIb ist aus dem entsprechenden Hydroxyderivat IIa durch Alkylierung mit tert-Butylbromid unter SN1-Bedingungen synthetisiert worden (Schema I). Seine photolytische Zersetzung führt zu den Produkten 2-Pyridon IIIa (30 Prozent) und 3-tert-Butoxy-2-pyridon IIIb (27 Prozent). Bei Bestrahlung sowohl in organischen Lösungsmitteln (Benzol) als auch in wässrigem Medium erfolgt Freisetzung von tert-Butoxylradikalen, die EPR-spektroskopisch durch Spinabfang mit DMPO als DMPO-OtBu-Addukt nachgewiesen werden. In wässrigem Medium, unter Ausschluss von molekularem Sauerstoff werden zusätzlich DMPO-Addukte von Methylradikalen (DMPO-Me) detektiert. Mit abnehmender Konzentration an eingesetztem DMPO entsprechen diese den Hauptradikaladdukten. Auch bei Photolyse der bereits etablierten tert-Butoxylradikalquelle Perester I werden unter diesen Bedingungen hauptsächlich Methylradikale abgefangen. Letztere werden aus den tert-Butoxylradikalen durch β-Fragmentierung generiert. In Gegenwart von superhelikaler pBR 322 DNA induzieren die von tert-Butoxypyridon IIb photolytisch freigesetzten Radikale Einzelstrangbrüche. 2'-Desoxyguanosin (dG) wird durch Pyridon IIb bei Bestrahlung unter aeroben Bedingungen vorwiegend zu Guanidin-freisetzenden Produkten (z.B. Oxazolon) oxidiert, während 8-oxodG in nur vernachlässigbaren Mengen gebildet wird. Der Perester I zeigt ein analoges Schadensprofil. Die Reduktion der DNA- und dG-Schädigung durch den Zusatz von Radikalfängern manifestiert, dass die von Pyridon IIb freigesetzten Radikale die Oxidantien sind. Photosensibilisierte oxidative Schädigung durch die Photoprodukte der Radikalquelle werden durch zeitabhängige Studien ausgeschlossen. Diese ergeben, dass nach vollständiger photo-lytischer Zersetzung des Pyridons IIb keine Schadensbildung sowohl an dG als auch an pBR 322 DNA mehr erfolgt. Unter Ausschluss von molekularem Sauerstoff induziert die Photolyse von Pyridon IIb und Perester I die Bildung von 8-MedG (2.3 Prozent für Pyridon IIb, 2.0 Prozent für Perester I) in beachtlichen Ausbeuten. Auch N7-MedG (0.3 Prozent) konnte detektiert werden. Daraus wird auf eine erhebliche Schadensbildung durch Methylradikale geschlossen. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Geschwindigkeitskonstanten und der verwendeten dG-Konzentration wird ermittelt, dass weniger als 0.3 Prozent der aus Perester I oder Pyridon IIb freigesetzten tert-Butoxylradikale direkt mit dG reagieren, während mehr als 99 Prozent zu Methylradikale fragmentieren. Fazit 1: Das Pyridon IIb ist eine photochemische Quelle für tert-Butoxylradikale und zeigt das gleiche Schadensprofil gegenüber dG und DNA wie der Perester I. Die tert-Butoxylradikale können jedoch als schädigende Spezies ausgeschlossen werden, da sie viel effizienter zu Methylradikalen fragmentieren als mit dG reagieren. Die aus den Methylradikalen in Gegenwart von Sauerstoff gebildeten Methylperoxyl-radikale und deren Folgeradikale sind für die beobachteten Schäden verantwortlich. 2. Neben dem tert-Butoxypyridon IIb werden auch die Isopropoxylradikalquellen Pyridon IIc und Thiazolthion IV untersucht. Laserblitz-Studien ergeben, dass für beide Systeme die NO-Bindungsspaltung der dominierende erste photochemische Prozess ist [ФN-O = (75 ± 8)Prozent für Pyridon IIc und ФN-O = (65 ± 7)Prozent für Thiazolthion IV]. Im Falle des Thiazolthions IV zeigen sowohl Laserblitz-Experimente als auch Produktstudien auf, dass bei der Photolyse zunächst das Disulfid V gebildet wird, aus dem dann durch CS-Bindungsspaltung die Produkte VI-VIII hervorgehen. Das Isopropoxypyridon IIc liefert in Analogie zu dem tert-Butoxyderivat IIb die Photoprodukte 2-Pyridon IIIa und 3-Isopropoxy-2-pyridon IIIc. Die photolytische NO-Bindungsspaltung wird für beide Photo-Fenton-Reagenzien dadurch weiter bestätigt, dass in Gegenwart von DMPO in Benzol die Bildung von Isopropoxylradikal-Addukten EPR-spektroskopisch nachgewiesen wird. In wässrigem Medium (H2O : MeCN = 60 : 40) wird bei Bestrahlung von Pyridon IIc eine Mischung von Isopropoxyl- (DMPO-OiPr) und 2-Hydroxyprop-2-ylradikalen (DMPO-CMe2OH) mit DMPO abgefangen. Letztere Radikale gehen aus dem Isopropoxylradikal durch H-Shift hervor und werden bei Einsatz geringer Konzentrationen an DMPO EPR-spektroskopisch hauptsächlich detektiert (Schema II). Bei Bestrahlung in reinem Wasser sind diese die einzig abgefangenen Radikalspezies. Im Gegensatz dazu liefert das Thiazolthion IV unter jeglichen Bedingungen ausschließlich die DMPO-Addukte der Isopropoxylradikale. Kontrollexperimente ergeben, dass im Falle des Thiazolthions IV die 2-Hydroxyprop-2-ylradikale schneller von dem Photoprodukt Disulfid V als von DMPO abgefangen werden. Deshalb werden diese Kohlenstoffradikale nicht als DMPO-Addukte bei der Photolyse des Thiazolthions IV im EPR-Spektrum nachgewiesen, sondern ausschließlich die Isopropoxylradikaladdukte DMPO-OiPr. Fazit 2: Sowohl das Pyridon IIc als auch das Thiazolthion IV zerfallen durch photolytischen NO-Bindungsbruch unter Freisetzung von Isopropoxylradikalen, die in wässrigem Medium zu 2-Hydroxyprop-2-ylradikalen umlagern. Im Falle des Thiazolthions IV verhindert das Disulfid V, dass diese Spezies mit DMPO abgefangen werden, im Falle des Pyridons IIc sind sie die dominiernden DMPO-Radikalspezies im EPR-Spektrum. 3. Sowohl das Pyridon IIc (17 Prozent) als auch das Thiazolthion IV (12 Prozent) induzieren unter Bestrahlung in superhelikaler pBR 322 DNA in einem Lösungsmittelgemisch von H2O : MeCN = 60 : 40 nur geringe Mengen an offen-circularer DNA. In reinem Wasser hingegen, zeigt das Pyridon IIc eine viel höhere Reaktiviät zur Strangbruchbildung (32 Prozent offen-circulare DNA). Da in diesem Medium die 2-Hydroxyprop-2-ylradikale als einzige Spezies detektiert worden sind, sollten unter diesen Bedingungen Oxylradikale für die Strangbruchbildung verantwortlich sein, die aus den 2-Hydroxyprop-2-ylradikalen nach Addition von Luftsauerstoff hervorgehen. Die schwache Induktion von Strangbrüchen durch das Thiazolthion IV wird auf die Isopropoxylradikale zurückzuführen sein, da diese die einzigen Intermediate sind, die bei Bestrahlung dieses Photo-Fenton-Reagenzes detektiert werden. Fazit 3: Die von Pyridon IIc generierten 2-Hydroxyprop-2-ylradikale zeigen nach Addition von molekularem Sauerstoff eine höhere Aktivität zur Strangbruchbildung als die von Thiazolthion IV freigesetzten und ausschließlich detektierten Isopropoxylradikale.
N2  - Reactive oxygen species induce oxidative DNA damage (oxidative stress), and consequently, they play a key role in mutagenesis, cancerogenesis and aging. Due to the increasing terrestial UV radiation, which is generating such agressive species, this topic is of particular timeliness. The reactivity of hydroxyl radicals towards DNA has been intensively investigated, whereas relatively little is known on the photobiological effects of alkoxyl radicals. In this respect, the incentive of the present dissertation has been the development of new and effective photochemical alkoxyl-radical sources. Their reactivity towards DNA was to be assessed and compared with that of the perester I, which has previously been established as photochemical alkoxyl-radical source in our group. Such a photobiological model study should provide a general DNA-damaging profile for alkoxyl radicals. 1. The water-soluble pyridone IIb has been prepared from the corresponding hydroxy derivative IIa through alkylation with tert-butyl bromide under SN1 reaction conditions (Scheme I). Its photochemical decompositon affords 2-pyridone IIIa (30 per cent) and 3-tertbutoxy-2-pyridone (IIIb, 27 per cent). Upon irradiation in organic solvents (benzene) and aqueous medium, tert-butoxyl radicals are released which are trapped by DMPO and subsequently characterized as DMPO-OtBu adducts by means of EPR spectroscopy. In aqueous medium and under the exclusion of molecular oxygen, the DMPO adduct of the methyl radical is also detected and represents the dominant DMPO-radical adduct at low DMPO concentrations. The methyl radicals result from the β cleavage of the tert-butoxyl radicals, which is facilitated in aqueous media. The photochemically released radicals of the pyridone IIb induce strand breaks in supercoiled pBR 322 DNA and oxidize dG predominantly to guanidine-releasing products (e. g. oxazolone), whereas 8-oxodG is formed in negligible amounts. The perester I displays an analogous damaging profile. The addition of radical scavengers reduces strand-break formation and dG oxidation in the photolysis of the pyridone IIb, which manifests that the resulting radicals are the oxidizing agents. The oxidative damage by the photoproducts through photosensitization is excluded, since time-dependent photooxidations reveal that strand-break formation and dG oxidation level off once all of the pyridone IIb has been consumed. Under the exclusion of molecular oxygen, the photolysis of the pyridone IIb or the perester I afford appreciable amounts of 8-MedG (2.3 per cent for pyridone IIb, 2.0 per cent for perester I) and also N7-MedG is detected, which substantiates the involvement of methyl radicals. From the known rate constants for the reaction of tert-butoxyl radicals with the guanine base and for the  fragmentation of the tert-butoxyl radical into methyl radical, it may be estimated that not more than 0.3 per cent of the generated tert-butoxyl radicals react with dG(0.10 mM) and, consequently, more than 99 per cent undergo  cleavage to methyl radicals. Conclusion 1: Pyridone IIb represents a photochemical source of tert-butoxyl radicals and displays the same damaging profile towards DNA and dG like perester I. The tert-butoxyl radicals are ruled out as damaging species, since their  fragmentation into methyl radicals overwhelmingly dominates their reaction with dG. The methylperoxyl radicals formed through oxygen trapping by the methyl radicals are responsible for the observed damage. 2. In addition to the pyridone IIb, also the photochemical isopropoxyl-radical sources pyridone IIc and thiazolethione IV have been investigated. Transient spectroscopy establishes NO-bond scission (ΦN-O = 75 ± 8 per cent for IIc and 65 ± 7 per cent IV) as the dominating primary photochemical process for both reagents. Product studies and laser-flash experiments reveal that the thiazolethione IV leads primarily to the disulfide V, from which the products VI-VIII are derived through CS-bond breakage. The isopropoxypyridone IIc affords 2-pyridone IIIa and 3-isopropoxy-2-pyridone IIIc as photoproducts, analogous to the photochemistry of the tert-butoxy derivative. Further evidence for the NO-bond cleavage is provided by the fact that upon irradiation of both reagents in benzene in the presence of DMPO, the adducts of the isopropoxyl radicals have been EPR-spectrally detected. Upon photolysis of the pyridone IIc in aqueous media (H2O : MeCN = 60 : 40), a mixture of isopropoxyl and 2-hydroxyprop-2-yl radicals are trapped by DMPO. The latter radicals result from the isopropoxyl radicals through H shift and are predominantly detected when low concentrations of DMPO are used (Scheme II). Moreover, in pure water, exlusively the carbon-centered 2-hydroxyprop-2-ylradicals are trapped by DMPO. In contrast, the thiazolethione IV affords only the adducts of the isopropoxyl radicals, independent of what DMPO concentration is applied. Control experiments reveal that the disulfide V photoproduct of the thiazolethione IV scavenges the carbon-centered radicals in competition with trapping by DMPO. Conclusion 2: Both the pyridone IIc and the thiazolethione IV decompose through NO-bond cleavage under release of isopropoxyl radicals, which rearrange in aqueous media to the carbon-centered 2-hydroxyprop-2-yl radicals. In the case of the thiazolthione IV its disulfide photoproduct V prevents efficient DMPO trapping of the 2-hydroxyprop-2-yl radicals, whereas for the pyridone IIc, the DMPO adducts of the carbon-centered radicals dominate in the EPR spectrum. 3. In supercoiled pBR 322 DNA, pyridone IIc (17 per cent) and thiazolethione IV (12 per cent) induce only moderate amounts of open-circular DNA upon irradiation in a 60 : 40 mixture of H2O-MeCN. In pure water, however, the pyridone IIc photoinduces substantially more DNA cleavage (32 per cent open-circular DNA), which is attributed to the oxyl radicals generated from the 2-hydroxyprop-2-yl radicals by oxygen trapping. The lower strand-break activity of the thiazolethione IV derives presumably from isopropoxyl radicals, because only these are detected in the photolysis of this photo-Fenton reagent. Conclusion 3: The carbon-centered 2-hydroxyprop-2-yl radicals generated from pyridone IIc in aqueous media and in absence of molecular oxygen display a higher DNA photocleaving reactivity than the isopropoxyl radicals derived from the thiazolethione IV.
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Alkoxylierung
KW  - Sauerstoffradikal
KW  - DNA
KW  - organische Chemie
KW  - Radikale
KW  - Oxidativer Stress
KW  - DNA
KW  - organic chemistry
KW  - radicals
KW  - oxidative stress
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1182591
ER  - 
TY  - THES
A1  - Faulhaber, Katja
T1  - Untersuchungen der Wechselwirkungen von anellierten Chinoliziniumsalzen mit DNA
T1  - Investigation of the interactions of quinolizinium salts with DNA
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden anellierte Chinoliziniumsalze synthetisiert und auf ihre Wechselwirkung mit DNA hin untersucht. Hierbei wurde in Abhängigkeit vom Substitutionsmuster sowohl die Bindungsaffinität als auch der Mechanismus, der zur lichtinduzierten DNA-Schädigung führt, aufgeklärt.
N2  - In this thesis the interaction of quinolizinium salts with DNA was investigated. The studies were focussed on the influence of the quinolizinium substitution pattern on the binding mode and the binding affinity as well as on the mechanism of the photoinduced DNA-damage.
KW  - Chinolizinderivate
KW  - Kondensiertes Ringsystem
KW  - DNS
KW  - Wechselwirkung
KW  - Chinoliziniumsalze
KW  - Acridiziniumsalze
KW  - DNA
KW  - quinolizinium salts
KW  - acridizinium salts
KW  - DNA
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-6791
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gershberg, Jana
T1  - Self-assembled Perylene Bisimide Dimers and their Interaction with Double-stranded DNA
T1  - Selbst-assemblierte Perylenbisimid-Dimere und ihre Wechselwirkung mit DNA
N2  - The self-assembly of molecules based on π-π-interactions and hydrogen bonding is of significant importance in nature. These processes enable the formation of complex supramolecular structures with diverse functions. For the transfer of the concepts from nature to artificial supramolecular structures, a basic understanding of those processes is needed. For this purpose, π-conjugated aromatic molecules with an easy synthetic access are suitable as their functionalities can be changed effortless. Perylene bisimide (PBIs) dyes are attractive candidates since they fulfill these requirements owing to their tendency to self-assemble in solution due to their large aromatic π-surfaces. Furthermore, the changes of the optical properties (for instance absorption, emission or circular dichroism) of PBI dyes, caused by their self-assembly, are easy to study experimentally. Structural variations of PBI dyes including additional non-covalent interactions, such as hydro-gen bonding, enable to direct their self-assembly process. Thus, the formation of interesting su-pramolecular structures of PBI dyes could be realized, although, often of undefined size. The aim of this thesis was to develop strategies to restrict the aggregate size of PBI dyes. Therefore, de-fined structural features of PBI molecules were combined and a variation of external influences such as solvent and concentration included. Furthermore, DNA was utilized as a template for the limitation of the aggregate size of PBI dyes.
Chapters 1 and 2 provide general information and describe examples from literature which are necessary to understand the following experimental work. The first chapter is based on the inter-actions of various molecules with DNA. Therefore, DNA is considered as a supramolecular biom-acromolecule containing specific structural and functional features to interact with small mole-cules. Afterwards, the main interaction modes of small molecules with DNA such as electrostatic interaction, intercalation and groove binding with corresponding examples are discussed. Among all techniques applied to study the interaction of ligands with DNA, UV/Vis absorption, fluores-cence and circular dichroism spectroscopy were described in detail. At the end of this chapter, examples of already pre-associated systems showing interactions with DNA are presented. 
The second chapter is focused on the determination and mathematic evaluation of the self-assembly processes. The simplest models such as monomer-dimer and isodesmic model are de-scribed and supplemented by examples. Furthermore, the simplest modification of the isodesmic model, the K2-K model, is presented. Additionally, experimental problems, which may arise dur-ing the investigations of the self-assembly processes, are addressed. For the description of the entire self-assembly process, a sufficiently large concentration range and an appropriate measure-ment method that is sensitive in this concentration range is necessary. Furthermore, the full transi-tion from the monomeric to the aggregated species has to be spectroscopically ascertainable. This enables an accurate mathematic evaluation of the self-assembly process and provides meaningful binding constants. The self-assembly pathway can be controlled by the variation of solvent, con-centration or temperature. However, this pathway can also be directed by a rational design of the molecular structure of the considered system. For example, a specific interplay of π-π-interactions and hydrogen bonding may promote isodesmic as well as cooperative growth into large struc-tures. 
The main focus of this thesis is to develop strategies to control the aggregate size of PBI dyes (Chapter 3). For this purpose, a PBI scaffold was designed which contains hydrogen bonding amide functions at the imide positions derived from the amino acid L-alanine and solubilizing side groups in the periphery (Figure 81). The variations of the residues R/R’ range from didodecylox-yphenyl, didodecylphenyl, dioligo(ethylene glycol)phenyl to branched and linear alkyl chains.
The most extensive study of the aggregation behavior was performed for the PBI dye 5. Concen-tration-dependent 1H NMR and UV/Vis absorption measurements clearly revealed the formation of dimers in chloroform. Further investigations by means of 2D NMR, VPO and ITC confirmed the exclusive presence of dimer aggregates of PBI 5 in the investigated concentration range. Mo-lecular modelling studies, supported by NMR and FT-IR experiments, provided structural reasons for the absence of further growth into larger aggregates. The specific combination of π-π interac-tions and hydrogen bonds between the NH groups of the amide groups and the carbonyl oxygen atoms of the PBI core are decisive for the formation of the discrete dimer stack (see Figure 82). The investigations of the aggregation behavior of PBIs 6-9 were less extensive but consistent with the results obtained for PBI 5. However, the determined binding constants vary over a considera-ble range of 1.1 x 102 M-1 (PBI 8) to 1.4 x 104 M-1 (PBI 5). These differences could be attributed to structural variations of the dyes. The electron-rich phenyl substituent promoted the aggregation tendency of PBIs 5-7 compared with 8 and 9 that carry only alkyl side chains. Thus, the π-π in-teractions of bay-unsubstituted PBI cores in combination with hydrogen bonding of the amide functions control the formation of discrete dimers of these PBI dyes.
The variation of conditions, such as solvent, change the aggregation behavior of PBI dyes. In the solvents toluene and/or methylcyclohexane, anti-cooperative growth into larger aggregates of PBI 5 was observed (Chapter 4). The important feature of this self-assembly process is the absence of isosbestic points over the whole concentration range in the UV/Vis absorption measurements. The preference for the dimeric species of PBI 5 remained in both solvents as well as in mixtures of them, but upon increasing the concentration these dimers self-assemble into larger aggregates. 
An important feature of the self-assembly process is the preferred formation of even-numbered aggregates compared to the odd-numbered ones (see Figure 83). Although, the conventional K2-K model provides plausible binding constants, it is not capable to describe the aggregation behavior adequately, since it considers a continuous size distribution. The gradual aggregation process over dimers, tetramers, hexamers, etc. was therefore analyzed with a newly developed K2-K model for anti-cooperative supramolecular polymerization. By the global analysis of the UV/Vis absorption spectra a very good agreement between the experimental and simulated spectra, which were based on the new K2-K model, was obtained. Furthermore, the calculated UV/Vis absorption spectra of a dimer and an aggregate highlighted the most important structural differences. The absorption spectrum of the dimer still has a pronounced vibronic structure which gets lost in the spectrum of the aggregate.
In another part of this work, a series of water soluble PBI dyes were described which contain similar PBI scaffolds as PBIs 5-8 (Chapter 5). These PBI dyes self-assemble into similar dimer aggregates in water due to their positively charged side chains causing electrostatic repulsion be-tween the molecules (see Figure 84). Here, however, the self-assembly behavior has not been studied thoroughly in water due to the similarities of already reported PBI dyes. 
Instead, the focus here is on the characterization of the interactions of these dyes with DNA/RNA. The comprehensive studies using thermal denaturation experiments showed the high stability of these PBI/polynucleotide complexes. The spermine-functionalized PBI dyes having six positive charges showed strong interactions with DNA/RNA which was expressed in a signif-icant increase of the melting temperatures of DNA/RNA (ΔTm values between 7 and > 35 ° C). The dioxa analogues containing only two positive charges had lower enhancement of the melting temperature of DNA/RNA (ΔTm values between 3 and 30 ° C). A similar trend has been observed in the fluorimetric titrations. The spermine-functionalized PBI dyes showed high binding con-stants (log Ks = 9.2 - 9.8), independently of the used polynucleotides. In contrast, the dioxa ana-logues displayed smaller binding constants (log Ks = 6.5 - 7.9) without any correlation between binding affinity and binding strength of the PBI dyes and the applied polynucleotides. The CD-spectroscopic measurements revealed significant differences in the binding properties of the dyes with DNA/RNA. They were dependent on the steric hindrance of the amino acid residues at the imide position and their configuration on one side and the grooves properties of ds-DNA/RNA on the other side. The spectroscopic results confirmed the formation of excitonically coupled PBI dimers in the minor groove of ds-DNA and the major groove of ds-RNA. Depending on the se-quence, the grooves of the polynucleotides provide different amount of space for embedding molecules. The guanine amino groups protrude into the minor groove of the polynucleotide poly(dG-dC)2 increasing the steric hindrance, which is not the case for poly(dA-dT)2. Molecular modeling studies showed that the PBI dimers penetrate deeper into the groove of poly(dA-dT)2 due to the absence of the steric hindrance, in comparison to the groove of poly(dG-dC)2 (see Figure 85).
N2  - Die Selbstassemblierung von Molekülen, die auf π-π-Wechselwirkungen und Wasenstoffbrücken-bindungen basiert, ist von entscheidender Bedeutung in der Natur. Selbstassemblierungsprozesse ermöglichen den Aufbau von komplexen supramolekularen Strukturen mit vielfältigen Funktio-nen. Um Konzepte aus der Natur für künstliche supramolekulare Systeme nutzen zu können, müs-sen die wesentlichen Abläufe der Selbstassemblierungsprozesse verstanden werden. Dazu eignen sich π-konjugierte aromatische Moleküle, die einen relativ einfachen synthetischen Zugang bieten und vielfältig funktionalisiert werden können. Perylenbisimid-Farbstoffe (PBI) stellen für diesen Zweck eine attraktive Substanzklasse dar, da sie aufgrund von großen aromatischen π-Flächen zur Selbstassemblierung tendieren. Zusätzlich können durch die Selbstassemblierung einhergehenden Änderungen der optischen Eigenschaften (beispielsweise Absorption, Emission oder Circulardich-roismus) von PBI-Farbstoffen einfach experimentell studiert werden. Die vielen strukturellen Va-riationsmöglichkeiten von PBI-Farbstoffen erlauben das Einbeziehen von weiteren nichtkovalen-ten Wechselwirkungen zwischen den Molekülen, beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, sodass der Selbstassemblierungsprozess dirigiert werden kann. Mit diesem Ansatz gelang es bis-her interessante supramolekulare Strukturen von PBI-Farbstoffen aufzubauen, allerdings waren diese oft von undefinierter Größe. Daher war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Kon-zepten um die Aggregatgröße von PBI-Farbstoffen zu begrenzen. Hierzu wurden definierte Strukturmerkmale von PBI Molekülen kombiniert, der äußere Einfluss wie Lösungsmittel und Konzentration variiert und DNA als Templat für die größenlimitierte Aggregatstruktur der PBI-Farbstoffe eingesetzt.
Die Kapitel 1 und 2 geben allgemeine Informationen und diskutieren Beispiele aus der Literatur, die nötig sind, um die nachfolgend diskutierten experimentellen Arbeiten zu verstehen. Das erste Kapitel diskutiert die Wechselwirkungen verschiedener Molekülen mit DNA. Hierbei wird DNA als ein supramolekulares Biomakromolekül betrachtet und seine spezifischen strukturellen und funktionalen Eigenschaften beschrieben, die für die Interaktionen mit kleinen Molekülen aus-schlaggebend sind. Die wichtigsten Interaktionsformen wie elektrostatische Wechselwirkungen mit dem Phosphatrückgrat, Interkalation durch π-π-Wechselwirkungen mit den Basenpaaren und Furchenbindung durch Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals-Wechselwirkungen werden anhand ausgewählter Beispiele diskutiert. Von der Vielzahl möglicher Techniken, die angewendet werden, um Wechselwirkungen zwischen Liganden und DNA zu untersuchen, wer-den UV/Vis-, Fluoreszenz- und Circulardichroismus-Spektroskopie in Detail erläutert. Am Ende des Kapitels werden Beispiele von Wechselwirkungen von bereits prä-assoziierten supramolekula-ren Systemen mit DNA vorgestellt. 
Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der Bestimmung und mathematischen Beschreibung von Selbstassemblierungsprozessen. Die einfachsten Modelle, wie das Monomer-Dimer und das iso-desmische Modell, werden beschrieben und mit Beispielen ergänzt. Des Weiteren wird die ein-fachste Modifikation des isodesmischen Modells, das K2-K Modell vorgestellt. Anschließend wird auf experimentelle Probleme eingegangen, die bei der Untersuchung von Selbstassemblie-rungsprozessen auftreten können. Um den Assemblierungsprozess vollständig beschreiben zu können, wird ein ausreichend großer Konzentrationsbereich und eine entsprechende Messtechnik, die für diesen Konzentrationsbereich empfindlich genug ist, benötigt. Des Weiteren sollte der vollständige Übergang vom Monomer zum assemblierten System spektroskopisch erfassbar sein. Dies ermöglicht eine akkurate mathematische Auswertung des Selbstassemblierungsprozesses und liefert sinnvolle Bindungskonstanten. Der Selbstassemblierungspfad kann oft durch Variation des Lösungsmittels, Konzentration und Temperatur kontrolliert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Selbstassemblierungspfad mit Hilfe eines spezifischen Designs der molekularen Struktur von dem untersuchten System zu dirigieren. Es konnte gezeigt werden, dass ein beson-deres Zusammenspiel von π-π-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen sowohl zum isodesmischen als auch kooperativen Wachstum von großen Strukturen führen kann.
Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt in der Entwicklung von Strategien für die Kontrolle der Aggregatgröße von PBI Farbstoffen. (Kapitel 3). Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein PBI Gerüst entworfen, das Amidfunktionen in den Imidpositionen für die Ausbildung von Wasser-stoffbrückenbindungen enthält, die von der Aminosäure L-Alanin abgeleitet wurden. Zusätzlich wurden in der Peripherie des Farbstoffgerüsts jeweils löslichkeitsfördernde Seitengruppen R/R‘ wie Didodecyloxyphenyl, Didodecylphenyl, Dioligo(ethyleneglykol)phenyl sowie verzweigte oder lineare Alkylketten eingeführt (siehe Abbildung 81). Der PBI-Farbstoff 5 wurde ausführlich im Hinblick auf sein Aggregationsverhalten untersucht. Konzentrationsabhängige 1H NMR- und UV/Vis Absorptionsmessungen haben klar gezeigt, dass im Lösungsmittel Chloroform dimere Strukturen ausgebildet werden.
Begleitende Untersuchungen (2D NMR, VPO und ITC) bestätigten die ausschließliche Präsenz von Dimeren von 5 im experimentell zugänglichen Konzentrationsbereich. Molekulare Modellie-rungs-Studien, die durch NMR und FT-IR Untersuchungen unterstützt werden, illustrieren sehr gut die Ursachen für das Ausbleiben einer weiteren Aggregation zu größeren Strukturen. Die be-sondere Kombination aus den π-π-Wechselwirkungen und den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den NH-Gruppen der Amidfunktionen und den Carbonylsauerstoffen des PBI-Kerns sind demzufolge entscheidend für die Bildung des diskreten Dimer-Stapels (siehe Abbildung 82). 
Die Untersuchungen zum Aggregationsverhalten der PBI-Farbstoffe 6-9 waren weniger ausführ-lich, stehen aber im Einklang mit den für PBI 5 gefundenen Ergebnissen. Die ermittelten Bin-dungskonstanten variieren jedoch über einen beachtlichen Bereich von 1.1 x 102 M-1 (PBI 8) bis 1.4 x 104 M-1 (PBI 5). Diese Unterschiede konnten auf strukturelle Variationen der Farbstoffe zurückgeführt werden. Der elektronenreiche Phenylsubstituent förderte die Assemblierungsten-denz von PBIs 5-7 im Vergleich zu 8 und 9, die nur Alkylseitenkennten tragen. Die π-π-Wechselwirkungen der in den Buchpositionen unsubstituierten PBI-Kerne in Kombination mit wasserstoffbrückenbildenden Amidfunktionen steuern somit die Ausbildung diskreter Dimere dieser PBI-Farbstoffe. 
Durch die Variation der Bedingungen, beispielsweise des Lösungsmittels, ändert sich das Aggre-gationsverhalten der PBI-Farbstoffe. In den Lösungsmitteln Toluol und/oder Methylcyclohexan wurde für das PBI 5 anti-kooperatives Wachstum zu größeren Aggregaten beobachtet (Kapitel 4). Das entscheidende Merkmal dieses Selbstassemblierungsprozesses ist das Fehlen von isosbesti-schen Punkten über den kompletten Konzentrationsbereich in den UV/Vis Absorptionsmessun-gen. Die Bevorzugung der dimeren Struktur von PBI 5 blieb in beiden Lösungsmitteln bzw. de-ren Mischungen erhalten, allerdings assemblierten diese Dimere durch den Anstieg der Konzent-ration in größere Aggregate. Ein wichtiger Schritt im Selbstassemblierungsprozesses ist die bevor-zugte Bildung von geradzahligen Aggregaten gegenüber den ungeradzahligen Aggregaten (siehe Abbildung 83). 
Das konventionelle K2-K Modell liefert zwar plausible Bindungskonstanten, kann dieses Aggre-gationsverhalten aber nur ungenügend beschreiben, da hier von kontinuierlicher Größenverteilung ausgegangen wird. Der schrittweise Aggregationsprozess über Dimere, Tetramere, Hexamere usw. wurde daher im Folgenden mit einem neu entwickelten K2-K-Modell für anti-kooperatives supra-molekulares Wachstum analysiert. Durch die globale Analyse von UV/Vis Absorptionsspektren konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den auf das neue K2-K Modell basierenden, simulierten Spektren erhalten werden. Des Weiteren zeigten berechnete UV/Vis Absorptionsspektren eines Dimer- und Aggregatspektrums die wichtigsten strukturellen Unterschiede. Das Absorptionsspektrum des Dimers weist immer noch eine ausgeprägte vibroni-sche Struktur auf, welche im Spektrum des Aggregats verloren geht.
In einem weiteren Teil dieser Arbeit wird eine Serie von wasserlöslichen PBI-Farbstoffen be-schrieben, die ein ähnliches durch Aminosäuren funktionalisiertes PBI-Gerüst wie PBIs 5-8 auf-weisen (Kapitel 5). Aufgrund der positiv geladenen Seitenketten, die für die elektrostatische Ab-stoßung zwischen den Molekülen sorgen, aggregieren diese Farbstoffe in Wasser zu ähnlichen Dimerstrukturen (siehe Abbildung 84). Hier wurde allerdings das Selbstassemblierungsverhalten in Wasser aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zu bereits publizierten PBI-Farbstoffen nicht eingehend untersucht.
Stattdessen lag der Fokus hier auf der Charakterisierung der Wechselwirkungen dieser Farbstoffe mit DNA/RNA. Die umfassenden Studien mit Hilfe von thermischen Denaturierungsstudien zeigten eine hohe Stabilität der PBI/Polynukleotid-Komplexe. Die Spermin-funktionalisierten PBI-Farbstoffe, welche sechs positive Ladungen aufweisen, zeigten starke Wechselwirkungen mit DNA/RNA, was sich durch deutliche Schmelzpunkterhöhung der DNA/RNA (ΔTm-Werte zwischen 7 und > 35 °C) äußerte. Die analogen Dioxa-Verbindungen mit nur zwei positiven La-dungen wiesen geringere Schmelztemperaturerhöhungen der jeweiligen DNA/RNA (ΔTm-Werte zwischen 3 und 30 °C) auf. Dieser Trend wurde auch in den fluorimetrischen Titrationsstudien beobachtet. Die Spermin-funktionalisierten PBI-Farbstoffe zeigten hohe Bindungskostanten (log Ks = 9.2 – 9.8), unabhängig von den verwendeten Polynukleotiden. Im Gegensatz dazu wie-sen die Dioxa-Analoge kleinere Bindungskonstanten (log Ks = 6.5 – 7.9) auf, wobei kein Zusam-menhang zwischen Bindungsaffinität und Bindungsstärke zwischen den PBI-Molekülen und den verwendeten Polynukleotiden hergestellt werden konnte. Die CD-spektroskopischen Messungen verdeutlichten die signifikanten Unterschiede in den Bindungseigenschaften der Farbstoffe mit DNA/RNA. Entscheidend waren die sterische Hinderung der Aminosäurereste in den Imidposi-tion und deren Konfiguration auf der einen Seite und die Furcheneigenschaften von ds-DNA/RNA auf der anderen Seite. Die spektroskopischen Ergebnisse belegten die Bildung von exzitonisch gekoppelten PBI-Dimeren in der kleinen Furche von ds-DNA und der großen Furche von ds-RNA. Die Furchen der Polynukleotide bieten unterschiedlich viel Raum für das Einbetten von Molekülen, was von der jeweiligen Sequenz abhängt. Die Guanin-Aminogruppen ragen in die kleine Furche des Polynukleotids poly(dG-dC)2, wodurch die sterische Hinderung im Vergleich mit dem Polynukleotid poly(dA-dT)2 zunimmt. Molekulare Modellierungsstudien belegten, dass die PBI-Dimere tiefer in die Furche von poly(dA-dT)2, als in die Furche von poly(dG-dC)2 einge-schlossen werden, was auf die eben genannte sterische Hinderung zurückgeführt werden kann (siehe Abbildung 85).
KW  - Perylentetracarbonsäurederivate
KW  - Perylene bisimide
KW  - Aggregat <Chemie>
KW  - Dimer-Konfiguration
KW  - DNS
KW  - aggregation
KW  - dimer
KW  - DNA
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-136725
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weißenstein, Annike
T1  - Optische Chemosensoren aus Naphthalin- und Perylenbisimid-Farbstoffen
T1  - Optical Chemosensors from Naphthalene and Perylene Bisimide Dyes
N2  - Die Liste der interessanten nachzuweisenden Analyte ist lang. Deswegen besteht ein großer Bedarf zur Entwicklung neuer fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Synthese und Charakterisierung neuer optischer bzw. fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren mit dem Fokus auf die beiden Substanzklassen der Naphthalinbisimide und Perylenbisimide.
Der erste Arbeitsschwerpunkt befasste sich mit wasserlöslichen Naphthalinbisimiden und ist in drei Unterkapitel aufgeteilt (Kapitel III – 1.1.-1.3., Abbildung 79). Im ersten Unterkapitel (Kapitel III – 1.1.) wurden die Synthesen und optischen Eigenschaften der am Kern Amino-substituierten NBIs 60a-h, mit Dicarbonsäureresten in Imid-Position und 61a-h, mit 2-Dimethylaminoethyl-Gruppen, in polaren Lösungsmitteln beschrieben. Die systematische Anbringung verschiedener Amino-Substituenten mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Aminoreste diente der mechanistischen Aufklärung der optischen Eigenschaften. Eine vollständige Untersuchung der optischen Eigenschaften erfolgte in wässriger Pufferlösung bei pH 2.1 sowie in Methanol und Acetonitril. Der Einfluss der Imid-Substituenten auf die optischen Eigenschaften war wie zu erwarten gering. Die verschiedenen Kern-Substituenten verursachten hingegen eine hypsochrome Verschiebung der Absorptions- und Fluoreszenzmaxima mit steigendem elektronenziehendem Charakter der an der Aminogruppe angebrachten Reste. Ein unerwarteter Trend konnte im Fall der Fluoreszenzquantenausbeute beobachtet werden. In den protischen Lösungsmitteln Wasser und Methanol wurde eine lineare Abhängigkeit gegenüber der Hammett-σmeta-Konstante ermittelt. Mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Kern-Amino-Substituenten erfuhr die Quantenausbeute einen Anstieg auf bis zu 39% in Wasser für NBI  60h, 61h und 45% in Methanol für 60h. Die Tatsache, dass in Acetonitril keine solche Abhängigkeit gegenüber der Hammett-Konstante beobachtet werden konnte legte eine intermolekulare Wasserstoffbrücken-Bindung im angeregten Zustand als konkurrierenden Prozess zur Fluoreszenz nahe. Dieser Prozess tritt zwischen den Lösungsmittel-Molekülen und der Akzeptorgruppe (Carbonyl-Sauerstoff) der NBIs, welcher einen strahlungslosen Relaxationsprozess bzw. Fluoreszenzlöschung zur Folge hat, auf. Der Einfluss dieses Prozesses lässt sich durch die Stärke des elektronenziehenden Amino-Substituentens steuern. Die NBIs 60a-h zeigten zudem in potentiometrischen Titrationen in Wasser eine pH-Unabhängigkeit der optischen Eigenschaften bezüglich des Imid-Substituentens. Dies macht die NBIs mit Dicarbonsäureresten für die Anwendung in biologischen Systemen im neutralen pH-Milieu oder als chemische Sensoren besonders geeignet. 
Aufgrund dieser interessanten Befunde wurde im zweiten Unterkapitel (Kapitel III – 1.2.) das dihalogenierte NBI 58 hinsichtlich der Sensoreigenschaften gegenüber primären, sekundären und tertiären Amin- bzw. Diamindampf sowie zur Frischekontrolle von Fleisch untersucht. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchung des Dünnschichtfilms von NBI 58 zeigte die erfolgreiche, selektive Detektion von primären Aminen und Diaminen bzw. biogenen Aminen. Zum einen konnte mit bloßen Auge ein Farbumschlag von gelb nach rot und zum anderen Änderungen in den Absorptionsspektren wie die Entstehung einer neuen bathochrom verschobenen Bande im Dünnschichtfilm beobachtet werden. Die Erhöhung der Fluoreszenz wie auch die NMR-spektroskopische Untersuchung konnte hingegen ausschließlich in Lösung detektiert werden. Hiermit konnte die kovalente Wechselwirkung der Amin-Moleküle mit dem NBI 58 nachgewiesen werden. Trotz der erfolgreichen Detektion biogener Amindämpfe erwies sich NBI 58 aufgrund der zu geringen Reaktivität als ungeeigneter chemischer Sensor zur Frischekontrolle von Fleisch. 
Das dritte und letzte Unterkapitel (Kapitel III – 1.3.) dieses Abschnittes bestand in der Synthese monochlor-monoamino-substituierter NBIs am Kern (65a,b und 66) und der Wechselwirkungen dieser Farbstoffe mit DNS/RNS. Die NBIs 65a,b und 66 wiesen in der Imidstellung 3-Trimethylammoniumpropyl auf, um die Wasserlöslichkeit zu gewährleisten und die elektrostatische Wechselwirkung mit dem negativ geladenen Phosphatrückgrad der DNS/RNS zu bewirken. Am Kern wurden die Aminosäuren (S)-2,3-Diaminopropionsäure (L-Dap) (65a) und (S)-2,6-Diaminohexansäure (L-Lys) (65b) sowie 2-Trimethylammoniumethylamin (66) eingefügt. Die Untersuchungen mit Hilfe von thermischen Denaturierungsstudien zeigten mit allen NBIs eine deutliche Schmelzpunkterhöhung der DNS/RNS (ΔTm-Werte zwischen 17 und 35 °C), was die Bildung von NBI/Polynukleotid-Komplexen nahelegte. Diese Komplex-Bildung konnte erneut aufgrund enormer Fluoreszenzlöschung in fluorimetrischen Titrationsstudien bestätigt werden. Hier wurden Bindungskonstanten zwischen logK = 5.9 und 7.2 M-1 ermittelt, wobei NBI 65a und poly(dG-dC)2 der stärksten Bindungsaffinität und NBI 65a und poly(dA-dT)2 der schwächste zugeordnet werden konnte. Für NBI 66 wurde die zweithöchste Bindungsaffinität zu Polynukleotid ct-DNS (logK = 7.08 M-1) beobachtet, während dieser Farbstoff sowie 65a,b nur geringe Bindungskonstanten mit dem Polynukleotid polyA-polyU zeigten. Mit Hilfe der CD-spektroskopischen Messungen wurde der Bindungsmodus und die Unterschiede in den Bindungseigenschaften der Farbstoffe mit DNS/RNS ermittelt. Der Großteil aller NBI-Verbindungen interkalierte in einer parallelen Anordnung zwischen die Basenpaare der Polynukleotide. Für NBI 65a und poly(dG-dC)2 ließ sich jedoch eine perpendikulare Anordnung zu den Basenpaaren beobachten. ITC-Titrationsstudien komplettierten letztendlich die Untersuchungen zwischen NBIs und Polynukleotiden. Neben Interkalation als Bindungsmodus konnte zusätzlich aufgrund der relativ hohen Entropiewerte eine Wechselwirkung zwischen den Substituenten am Kern und den Phosphatgruppen in der kleinen Furche festgestellt werden. Zusammengefasst sind die sterischen Hinderungen der Amino-Substituenten und die Furcheneigenschaften von ds-DNS/RNS entscheidend.
Der zweite Arbeitsschwerpunkt ist ebenfalls in drei Unterkapitel (Kapitel III – 2.1.-2.3.) aufgeteilt und befasste sich mit der Synthese und den Sensoreigenschaften kernfunktionalisierter Perylenbisimide (Abbildung 80). Im ersten Abschnitt (Kapitel III – 2.1) wurde die Synthese und die optischen Eigenschaften in Lösung der am Kern einfach und zweifach Kronenether-funktionalisierten PBIs 77a,b und 71a,b untersucht. In Imidstellung waren alle PBIs mit 2-Trimethylammoniumethyl-Resten funktionalisiert, um eine Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln zu gewährleisten. Die Buchtpositionen wurden jeweils ein- bzw. zweifach mit den Kronenether-Einheiten 2-Hydroxymethyl-15-Krone-5 und 2-Hydroxymethyl-18-Krone-6 substituiert. Die anschließende Untersuchung der optischen Eigenschaften der PBIs zeigten bei einer Konzentration von 10-5 M in Acetonitril den monomeren Zustand und in Wasser die Ausbildung von H-Aggregaten. Die Fluoreszenzquantenausbeuten erfuhren in Acetonitril mit steigender Kronenether-Ringgröße eine Zunahme von 73% auf 81% für die PBIs 71a,b und eine vernachlässigbare geringe Zunahme von 49% auf 51% für die PBIs 77a,b. Die Abnahme der Quantenausbeute vom zweifach funktionalisierten zum einfach funktionalisierten PBI um ca. 30% ließ sich durch die stärker ausgeprägten strahlungslosen Relaxationsprozesse dieses flexibleren Moleküls im angeregten Zustand erklären. 
Im zweiten Unterkapitel (Kapitel III – 2.2.) wurden die Selbstassemblierungseigenschaften der synthetisierten PBIs 71a,b und 77a,b in Gegenwart verschiedener Metallionen (Na+, K+, Rb+, Mg2+, Ca2+ und Ba2+) untersucht. Hier konnte eine Abhängigkeit von der Größe des Kronenether-Rezeptors sowie von der Art der Metallionen gezeigt werden. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopischen Studien der zweifach funktionalisierten PBIs 71a und 71b bei einer PBI-Konzentration von c = 10-5 M zeigten ausschließlich für das 15-Krone-5-Derivat 71a und Ba2+ eine erfolgreiche Ausbildung von PBI-Stapeln mit H-artiger exzitonischer Kopplung. Aufgrund dessen erfuhr das Absorptionsmaximum eine stetige Abnahme einhergehend mit einer hypsochromen Verschiebung und die Fluoreszenz eine vollständige Löschung. Zudem konnte eine 1:1-Stöchiometrie der PBI-Stapeln ermittelt werden. Die Anpassung der spektroskopischen Änderungen an die Hill-Gleichung bestätigte letztendlich die Bildung eines [2+2]-Sandwich- bzw. Dimer-Komplexes in einem positiv kooperativen Bindungsprozess, in dem mittels ITC eine enorme Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung aufgrund der π-π-Wechselwirkung zwischen zwei PBI-Molekülen, beobachtet wurde. Die Durchführung der Titrationsexperimente bei einer höheren PBI-Konzentration (c = 10-4 M) zusammen mit DOSY-Experimenten versicherten auch in diesem Fall die Formation diskreter Dimerkomplexe. Das einfach funktionalisierte PBI 77a zeigte in der Anwesenheit von Ba2+ ähnliche optische Änderungen. Die nachfolgenden Untersuchungen bzw. Interpretationen bestätigten die Bildung eines [1+2]-Dimerkomplexes mit H-artiger exzitonischer Kopplung, welches aufgrund der flexibleren Komplexstruktur keine Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung erfuhr.
Neben der Metallionen-Komplexierung war PBI 71b auch in der Lage, in einer 1:2-Stöchiometrie aromatische Aminosäuren und Dipeptide zu erkennen (Kapitel III – 2.3.), da hier sowohl die Ammoniumgruppen der Aminosäuren und Dipeptide mit den Kronenethereinheiten als auch die aromatischen Einheiten mit dem PBI-Kern wechselwirken können. Fluoreszenz-Titrationsexperimente zeigten, dass die Aminosäuren L-Tryptophan und L-Tyrosin, welche elektronenreiche aromatische Gruppen aufweisen, und Dipeptide, die diese Aminosäuren enthalten, die Fluoreszenz des PBIs stark löschen. Die Bindungskonstanten der Wirt-Gast-Komplexierung in Acetonitril konnten aufgrund eines statischen Löschungsprozesses aus den Fluoreszenztitrationsdaten bestimmt werden. Hier wurde beobachtet, dass die Bindungsstärke von der Größe und der elektronischen Natur der aromatischen Einheiten sowie von dem Abstand zwischen der Ammoniumgruppe und der aromatischen Einheit in Aminosäuren und Dipeptiden abhängt. Die stärkste Bindung konnte zwischen Ala-Trp und PBI 71b mit einem Wert von 3.1 x 105 M-1 beobachtet werden. NMR-Studien bestätigten ebenfalls die Wirt-Gast-Komplexierung, ließen jedoch offen, ob es zu der Bildung von zwei Diastereomeren aufgrund der eingeschränkten Umwandlung der Atrop-Enantiomere (P und M) des PBI 71b kommt oder zu der Bildung von vier Diastereomeren infolge des Chiralitätszentrums im Kronenether. 
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Naphthalinbisimde und Perylenbisimide hinsichtlich ihrer Eignung als optische Chemosensoren untersucht. Die NBI-Derivate agierten aufgrund ihrer interessanten optischen Eigenschaften als chemische Sensoren selektiv für primären Amindampf und für die DNS/RNS-Wechselwirkung. Im Fall der PBI-Verbindungen wurden hervorragende fluorometrische Chemosensoren ermittelt, die Ba2+-Ionen und elektronenreiche aromatische Aminosäuren und Dipeptide in einer deutlichen Fluoreszenzlöschung detektieren können.
N2  - The list of interesting analytes to be detected is long, therefore there is a great need for the development of new simpler fluorescent and colorimetric chemosensors because of their high sensitivity and selectivity for visual discrimination. Thus, the aim of the present work was the synthesis and characterization of new optical respectively fluorescent and colorimetric chemosensors with the focus on the substance classes naphthalene bisimide and perylene bisimide.
The first focus of this work dealt with water-soluble naphthalene bisimides and is divided into three subchapters (Chapter III – 1.1.-1.3., Figure 1). In the first subchapter (Chapter III – 1.1.), the syntheses and optical properties of the amino-substituted NBIs 60a-h with dicarboxylic acid residues in the imide position and 61a-h with 2-dimethylaminoethyl groups, were described in polar solvents. The systematic attachment of various amine substituents with increasing electron-withdrawing character of the amino residues served the mechanistic elucidation of the optical properties. A complete examination of the optical properties was carried out in aqueous buffer solution at pH 2.1 as well as in methanol and acetonitrile. As expected, the influence of the imide substituents on the optical properties was not significant. However, the different core substituents caused a hypsochromic shift of the absorption and fluorescence maxima with increasing electron-withdrawing character of the amino residues. An unexpected trend could be observed with regard to fluorescence quantum yield. In protic solvents, like water and methanol, a linear dependence of the Hammett constants was determined. Thus, with increasing electron-withdrawing character of the core-amino substituents the quantum yield increased to 39% in water for NBI 60h, 61h and to 45% in Methanol for 60h. The fact that no linear dependence was observed with respect to Hammett σmeta constants in acetonitrile, suggested an excited-state intermolecular hydrogen bond as a competitive process to fluorescence. This process occurs between the solvent molecules and the acceptor group (carbonyl oxygen) of the NBIs, which results in a radiationless relaxation process or fluorescence quenching. The influence of this process can be controlled by the strength of the electron-withdrawing amino substituent. In addition, the NBIs 60a-h showed a pH-independence of the optical properties with respect to the imide substituent in potentiometric titrations in water. This characteristic makes NBIs with dicarboxylic acid residues in particular suitable for the use in biological systems in a neutral pH environment or as chemical sensors.
Because of these interesting results, the second subchapter (Chapter III - 1.2.) examined the dihalogenated NBI 58 with regard to sensing properties of primary, secondary and tertiary amine or diamine vapor as well as for freshness control of meat. The absorption and fluorescence spectroscopic studies of a thin film of NBI 58 successfully demonstrated the selective detection of primary amines and diamines respectively biogenic amines which is accompanied by absorption changes, such as the formation of a new bathochromic shifted band and the pronounced color change of the thin film can be observed by naked eye. The increase in fluorescence as well as the NMR spectroscopic investigation, however, could be determined only in solution. Hereby, the covalent interaction of the amine molecules with the NBI 58 could be proven. Despite the successful detection of biogenic amine vapors, NBI 58 proved to be an inappropriate chemical sensor for meat freshness control because of its low reactivity.
The last subchapter (Chapter III – 1.3.) of this section consisted of the synthesis of monoamino-core-substituted NBIs and the investigation of the interactions of these dyes with DNA/RNA. NBIs 65a,b and 66 were equipped with 3-trimethylammonium propyl residues in the imide position to ensure water solubility and to cause electrostatic interaction with the negatively charged phosphate backbone of the DNA/RNA. Furthermore, the amino acids (S)-2,3-diaminopropionic acid (L-Dap) (65a) and (S)-2,6-diaminohexanoic acid (L-Lys) (65b) and 2-trimethylammonium ethylamine (66) were introduced to the core of the NBIs. Thermal denaturation studies showed for all NBIs a clear increase of the melting temperature of the DNA/RNA (ΔTm values between 17 and 35 °C) which can be attributed to the formation of NBI/polynucleotide complexes. This complex formation could also be confirmed by fluorometric titration studies due to an enormous fluorescence quenching. Hence, binding constants between logK = 5.9 and 7.2 M-1 were determined, whereby NBI 65a and poly(dG-dC)2 showed the strongest binding affinity and NBI  65a and poly(dA-dT)2 the weakest. A high affinity towards polynucleotide ct-DNA (logK = 7.08 M-1) was observed for NBI 66, whereas this dye and as well as 65a,b showed only low binding constants with the polynucleotide polyA-polyU. CD spectroscopic measurements were performed to determine the binding mode and the differences in the binding properties of the dyes with DNA/RNA. The majority of all NBI compounds intercalated in a parallel fashion between the base pairs of the polynucleotides, but for NBI 65a and poly(dG-dC)2 a perpendicular alignment with regard to the base pairs was observed.Finally, ITC titration studies completed investigations on interactions between NBIs and polynucleotides. In addition to an intercalation mechanism, the interaction of the amino core-substituents with the phosphate groups in the minor groove could be determined, due to relatively high entropy values. In summary, the steric hindrance of the amine substituents at the core and the groove properties of ds-DNA/RNA are crucial.
The second focus of this work is also divided into three subsections (Chapter III – 2.1.-2.3.) and dealt with the synthesis and sensor properties of core-functionalized perylene bisimides (Figure 2). In the first section (Chapter III – 2.1.), the syntheses and optical properties of core-single and double crown ether functionalized PBIs 77a,b and 71a,b were investigated in solution. All PBIs were functionalized with 2-trimethylammoniumethyl residues at the imide position to ensure solubility in polar solvents. Bay positions were substituted once or twice with the crown ether units, 2-hydroxymethyl-15-crown-5 and 2-hydroxymethyl-18-crown-6. Subsequent investigation of the optical properties of the PBIs at a concentration of 10-5 M showed the monomeric state in acetonitrile and the formation of H-aggregates in water. Fluorescence quantum yields in acetonitrile increased with increasing ring size of the crown ethers from 73% to 81% for the PBIs 71a,b and a negligible small increase from 49% to 51% for the PBIs 77a,b. Decrease in quantum yield from the double functionalized to the single functionalized PBI by about 30% could be explained by the pronounced nonradiative relaxation processes of this flexible molecule in the excited state. 
In the second subchapter (Chapter III – 2.2.), the self-assembly properties of PBIs 71a,b and 77a,b were investigated in the presence of various metal ions (Na+, K+, Rb+, Mg2+, Ca2+, and Ba2+). Here, a dependence on the size of the crown ether receptor as well as on the type of metal ions could be shown. The absorption and fluorescence spectroscopic studies of the double functionalized PBIs 71a and 71b at a PBI concentration of c = 10-5 M showed successful formation of PBI stacks with H-type exciton coupling exclusively for the 15-crown-5 derivative 71a upon titration with Ba2+. Due to this, the absorption maximum experienced a decrease along with a hypsochromic shift and the fluorescence was completely quenched. In addition, a 1:1 stoichiometry of the PBI stacks could be determined. The fitting of the spectroscopic changes to the Hill equation finally confirmed the formation of a [2+2] sandwich complex in a positive cooperative binding process, in which an enormous stabilization of the Ba2+ complexation due to π-π interaction between two PBI molecules was observed by ITC experiments. Titration experiments at a higher PBI concentration (c = 10-4 M) revealed also in this case the formation of discrete dimer complexes which was further corroborated by DOSY experiments. The single functionalized PBI 77a showed similar optical changes in the presence of Ba2+. The subsequent studies or interpretations confirmed the formation of a [1+2] dimer complex with H-type exciton coupling, which did not undergo stabilization of Ba2+ complexation due to the more flexible complex structure.
In addition to metal ion complexation, PBI 71b is also able to recognize aromatic amino acids and dipeptides in a 1:2 stoichiometry (Chapter III – 2.3.). The ammonium groups of the amino acids and dipeptides were complexed by the crown ether units and consequently, the aromatic moieties interact with the PBI core. Fluorescence titration experiments have shown that amino acids L-tryptophan and L-tyrosine bearing electron-rich aromatic groups and dipeptides containing these amino acids strongly quench the fluorescence of the PBI receptor. The binding constants of host-guest complexation could be determined from the fluorescence titration data due to a static quenching process. Hence, it has been observed that the binding strength is dependent on the size and electronic nature of the aromatic units as well as on the distance between the ammonium group and the aromatic unit in amino acids and dipeptides. The strongest binding affinity was observed for Ala-Trp and PBI 71b with a value of 3.1 x 105 M-1. NMR studies also confirmed host-guest complexation, but revealed the formation of two diastereomers due to restricted conversion of the atropo-enantiomers (P and M) of PBI 71b or the formation of four diastereomers due to the chirality center in the crown ether.
In summary, in this work naphthalene bisimide and perylene bisimide were investigated for their suitability as optical chemosensors. Because of their interesting optical properties, the NBI derivatives acted as chemical sensors selectively for primary amine vapor and for interaction with DNA/RNA. In the case of PBI compounds, excellent fluorometric chemosensors have been determined that can detect Ba2+ ions and electron-rich aromatic amino acids and dipeptides resulting in a significant fluorescence quenching.
KW  - Chemischer Sensor
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Chemical Sensor
KW  - Molecular Recognition
KW  - DNA
KW  - Supramolecular Chemistry
KW  - Naphthalinderivate
KW  - Perylenderivate
KW  - DNS
KW  - Molekulare Erkennung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161990
ER  - 
TY  - THES
A1  - Siewert, Aaron
T1  - Nucleotide analogs as rigid spin labels for DNA and RNA
T1  - Nukleotidanaloga als starre Spinmarker für DNA und RNA
N2  - Nucleic acids are one of the important classes of biomolecules together with carbohydrates, proteins and lipids. Both deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA) are most well known for their respective roles in the storage and expression of genetic information. 
Over the course of the last decades, nucleic acids with a variety of other functions have been discovered in biological organisms or created artificially. Examples of these functional nucleic acids are riboswitches, aptamers and ribozymes. In order to gain information regarding their function, several analytical methods can be used.
Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is one of several techniques which can be used to study nucleic acid structure and dynamics. However, EPR spectroscopy requires unpaired electrons and because nucleic acids themselves are not paramagnetic, the incorporation of spin labels which carry a radical is necessary.
Here, three new spin labels for the analysis of nucleic acids by EPR spectroscopy are presented. All of them share two important design features. First, the paramagnetic center is located at a nitroxide, flanked by ethyl groups to prevent nitroxide degradation, for example during solid phase synthesis. Furthermore, they were designed with rigidity as an important quality, in order to be useful for applications like pulsed electron double resonance (PELDOR) spectroscopy, where independent motion of the spin labels relative to the macromolecule has a noticeable negative effect on the precision of the measurements.
Benzi-spin is a spin label which differs from most previous examples of rigid spin labels in that rather than being based on a canonical nucleoside, with a specific base pairing partner, it is supposed to be a universal nucleoside which is sufficiently rigid for EPR measurements when placed opposite to a number of different nucleosides. Benzi-spin was successfully incorporated into a 20 nt oligonucleotide and its base pairing behavior with seven different nucleosides was examined by UV/VIS thermal denaturation and continuous wave (CW) EPR experiments. The results show only minor differences between the different nucleosides, thus confirming the ability of benzi-spin to act as a universally applicable spin label.
Lumi-spin is derived from lumichrome. It features a rigid scaffold, as well as a free 2'-hydroxy group, which should make it well suited for PELDOR experiments once it is incorporated into RNA oligonucleotides.
EÇr is based on the Ç family of spin labels, which contains the most well known rigid spin labels for nucleic acids to this day. It is essentially a version of EÇm with a free 2'-hydroxy group. It was converted to triphosphate EÇrTP and used for primer extension experiments to test the viability of enzymatic incorporation of rigid spin labels into oligonucleotides as an alternative to solid-phase synthesis. Incorporation into DNA by Therminator III DNA polymerase in both single-nucleotide and full-length primer extensions was achieved. 
All three of these spin labels represent further additions to the expanding toolbox of EPR spectroscopy on nucleic acids and might prove valuable for future research.
N2  - Nukleinsäuren sind neben den Kohlenhydraten, Proteinen und Lipiden eine der wichtigen Klassen von Biomolekülen. Sowohl Deoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) sind am besten für ihre Funktionen bei der Speicherung und Expression der genetischen Informationen bekannt.  
Während der letzten Jahrzehnte wurden Nukleinsäuren mit einer Vielzahl von Funktionen in biologischen Organismen entdeckt oder künstlich hergestellt. Beispiele für diese funktionellen Nukleinsäuren sind Riboswitches, Aptamere und Ribozyme. Um Informationen über ihre Funktionsweisen zu erhalten, können verschiedene analytische Methoden verwendet werden. 
Elektronenspinresonanzspektroscopie (ESR) ist eine Analysetechnik, die Aufschluss über Struktur und Dynamik von Nukleinsäuren geben kann. Für ESR Messungen werden ungepaarte Elektronen benötigt, sodass nicht paramagnetische Verbindungen mit einem Spinmarker modifiziert werden müssen, der ein Radikal trägt. 
In dieser Arbeit werden drei neue Spinmarker für die ESR Analyse von Nukleinsäuren vorgestellt. Allen liegen zwei Designprinzipien zugrunde. Erstens wird als paramagnetische Verbindung ein Nitroxid verwendet, welches von Ethylgruppen flankiert wird um das Radikal zu stabilisieren, zum Beispiel gegen Reagenzien, die in der Festphasensynthese verwendet werden. Zweitens sind die Nitroxide Teil starrer Ringsysteme. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen wie Abstandsmessungen mittels Pulselektronendoppelresonanzspektroskopie (PELDOR), wo die Genauigkeit der Messung von Bewegungen der Spinmarker relativ zum Makromolekül beeinträchtigt wird. 
Benzi-spin unterscheidet sich von vielen anderen starren Spinmarkern dadurch, dass es nicht auf einem kanonischen Nukleosid mit einem spezifischen Bindungspartner basiert. Stattdessen handelt es sich um ein universelles Nukleosid, das unabhängig vom gegenüberliegenden Nukleosid starr genug für ESR Messungen ist. Benzi-spin wurde erfolgreich in ein Oligonucleotid eingebaut und seine Basenpaarung mit sieben verschiedenen Nukleosiden mittels UV/VIS Schmelzkurven und Continuous Wave (CW) ESR Experimenten untersucht. Die Ergebnisse zeigen nur geringe Unterschiede zwischen den verschiedenen Nukleosiden, was die Einsetzbarkeit von Benzi-spin als universeller Spinmarker bestätigt.  
Lumi-spin ist vom Lumichrom abgeleitet. Es zeichnet sich durch ein starres Gerüst und eine freie 2'-Hydroxygruppe aus, wodurch es gut für PELDOR Messungen in RNA geeignet sein sollte.  
EÇr gehört zur Ç Familie, welche die am besten bekannten starren Spinmarker für Nukleinsäuren enthält. Es handelt sich um eine Version von EÇm mit einer freien 2'-Hydroxygruppe. EÇr wurde zum Triphosphat EÇrTP konvertiert und für Primer Extension Experimente verwendet um die Möglichkeit des enzymatischen Einbaus starrer Spinmarker in Oligonukleotide als Alternative zur Festphasensynthese zu prüfen. Der Einbau in DNA mit Therminator III DNA Polymerase in Primer Extensions war erfolgreich. 
Alle drei Spinmarker erweitern die Möglichkeiten der ESR-spektroskopischen Untersuchung von Nukleinsäuren und können sich für zukünftige Forschung als nützlich erweisen.
KW  - Nucleinsäuren
KW  - DNS
KW  - RNS
KW  - Elektronenspinresonanzspektroskopie
KW  - Spin-Sonde
KW  - Nucleic acids
KW  - DNA
KW  - RNA
KW  - EPR spectroscopy
KW  - Spin labels
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-247657
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Neitz, Hermann
A1  - Bessi, Irene
A1  - Kachler, Valentin
A1  - Michel, Manuela
A1  - Höbartner, Claudia
T1  - Tailored tolane‐perfluorotolane assembly as supramolecular base pair replacement in DNA
JF  - Angewandte Chemie International Edition
N2  - Arene‐fluoroarene interactions offer outstanding possibilities for engineering of supramolecular systems, including nucleic acids. Here, we implement the tolane‐perfluorotolane interaction as base pair replacement in DNA. Tolane (THH) and perfluorotolane (TFF) moieties were connected to acyclic backbone units, comprising glycol nucleic acid (GNA) or butyl nucleic acid (BuNA) building blocks, that were incorporated via phosphoramidite chemistry at opposite positions in a DNA duplex. Thermodynamic analyses by UV thermal melting revealed a compelling stabilization by THH/TFF heteropairs only when connected to the BuNA backbone, but not with the shorter GNA linker. Detailed NMR studies confirmed the preference of the BuNA backbone for enhanced polar π‐stacking. This work defines how orthogonal supramolecular interactions can be tailored by small constitutional changes in the DNA backbone, and it inspires future studies of arene‐fluoroarene‐programmed assembly of DNA.
KW  - arene-fluoroarene
KW  - artificial base pair
KW  - DNA
KW  - sSupramolecular interaction
KW  - XNA
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312575
VL  - 62
IS  - 1
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neitz, Hermann
T1  - Hydrophobic recognition motifs in functionalized DNA
T1  - Hydrophobe Erkennungsmotive in funktionalisierter DNA
N2  - In wässriger Umgebung spielen hydrophobe Wechselwirkungen eine wichtige Rolle für die DNA. Die Einführung von Modifikationen, die auf hydrophoben aromatischen Einheiten basieren, kann die Erkennung und Reaktivität von funktionellen Gruppen in der DNA steuern. Modifikationen können durch ein künstliches Rückgrat oder in Form einer Erweiterung der Nukleobasen eingebracht werden und so zu zusätzlichen Eigenschaften der DNA führen.
Diese Dissertation befasst sich mit der Verwendung von hydrophoben Einheiten zur Funktionalisierung von DNA. 
Im ersten Teil der Arbeit wurde das Tolanmotiv (Diphenylacetylen) in Kombination mit dem acyclischen Rückgrat von GNA und BuNA verwendet, um Erkennungseinheiten im DNA-Kontext zu erzeugen. Die gezielte Fluorierung der aromatischen Ringe des Tolan-Bausteins bildete die Grundlage für eine supramolekulare Sprache, die auf Aren-Fluoroaren-Wechselwirkungen basiert. Die spezifische Erkennung wurde mittels thermodynamischer, kinetischer und NMR-spektroskopischer Methoden untersucht. 
Im zweiten Teil der Arbeit wurden Desoxyuridin-Derivate mit einer hydrophoben aromatischen Modifikation hergestellt und in die DNA-Doppelhelix eingebaut. Die Bestrahlung mit UV-Licht führte zu einer [2+2]-Cycloaddition zwischen zwei modifizierten Nukleosiden in der DNA. Das Reaktionsprodukt wurde strukturell charakterisiert und die Reaktion in verschiedenen biochemischen und nanotechnologischen DNA-Anwendungen eingesetzt.
N2  - In aqueous environment, hydrophobic interactions play an important role for DNA. The introduction of modifications based on hydrophobic aromatic moieties offers additional ways for controlling recognition and reactivity of functional groups in DNA. Modifications are introduced through an artificial backbone or in the form of an extension of the nucleobases, resulting in additional properties of the DNA.
This dissertation focuses on the use of hydrophobic units for the functionalization of DNA.
In the first part of the work, the tolane (i. e. diphenylacetylene) motif was used in combination with the acyclic backbone of GNA and BuNA to generate recognition units in the DNA context. Fluorination of the aromatic rings in the tolane moiety provided the basis for a supramolecular language based on arene-fluoroarene interactions. The specific recognition was investigated by thermodynamic, kinetic and NMR spectroscopic methods.
In the second part of the work, deoxyuridine derivatives with a hydrophobic aromatic modification were prepared and incorporated into DNA duplexes. The irradiation with UV light led to a [2+2] cycloaddition reaction between two modified nucleosides in the DNA. This reaction product was structurally characterized and the reaction was used in various biochemical and nanotechnological DNA applications.
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Arene-Fluoroarene
KW  - Artificial Base Pair
KW  - Supramolecular Interaction
KW  - XNA
KW  - Crosslinking
KW  - DNA
KW  - DNS
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-348382
ER  -