Untersuchung der Fluoreszenz- und Elektronentransfereigenschaften von Phenanthridinium-Derivaten in DNA

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-131631
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.13163

Prunkl, Christa

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Date of publication of this fulltext: 18 Mar 2010 11:13

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	18 March 2010
Referee:	Prof. Dr. Hans-Achim Wagenknecht
Date of exam:	29 January 2010
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Alumni or Retired Professors > Arbeitskreis Prof. Dr. Hans-Achim Wagenknecht
Keywords:	Ladungstransfer, Ethidium, Phenanthridinium Farbstoffe, DNA, Interkalation, charge transfer, phenanthridinium chromophores, intercalation, Methylviologen
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	13163

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Abstract (German)

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Ethidiumbromid (E) wird aufgrund seines starken Fluoreszenzanstiegs bei Interkalation in DNA seit Jahrzehnten zum Anfärben von Oligonukleotiden verwendet. Trotz intensiver Bemühungen ist die Ursache dieser Intensitätserhöhung bislang nicht komplett verstanden und kann mit keinem der vorgeschlagenen Modelle vollständig erklärt werden. Um neue Erkenntnisse bezüglich der Gründe des starken Fluoreszenzanstiegs von E zu erhalten, beschäftigt sich der erste Teil dieser Arbeit mit der Herstellung und Charakterisierung von Phenanthridinium-Derivaten, die sich durch verschiedene Substituenten an den Postitionen 3, 6 und 8 am Phenanthridinium-Grundgerüst von Ethidium unterscheiden. Mittels UV/Vis-, Fluoreszenz- und Cyclovoltammetriemessungen konnte gezeigt werden, dass die beiden exocyclischen Aminogruppen an den Positionen 3 und 8 entscheidenden Einfluss auf das photo- und elektrochemische Verhalten sowie die Bindungseigenschaften der Derivate an DNA haben. Außerdem geht aus den Ergebnissen deutlich hervor, dass die Rotation des Phenylsubstituenten an Position 6 einen starken Einfluss auf das Fluoreszenzverhalten der Phenanthridiniumderivate hat. Quantenmechanische Berechnungen deuten auf einen Mechanismus hin, der auf dem Konzept der „verdrillten intramolekularen Ladungstransferzustände“ oder kurz TICT-Zustände (Twisted intramolecular charge transfer) basiert. Durch Vergrößerung des Torsionswinkels zwischen dem Phenylsubstituenten an Position 6 und dem Phenanthridinium-Grundgerüst kann, abhängig von der Stärke des elektronenschiebenden Charakters des Phenylsubstituenten, im angeregten Zustand ein neuer Reaktionsweg-Kanal (channel) zur strahlungslosen Relaxation geöffnet werden. Dies wird durch Bindung an DNA verhindert.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde reduktiver Elektronentransfer in DNA mittels UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen untersucht. Dazu wurden Doppelstränge untersucht, die kovalent mit Ethidium als photoanregbarem Elektronendonor und 5-Nitroindol bzw. Methylviologen als Elektronenakzeptor markiert wurden. Aufgrund der starken Basenlabilität von Methylviologen war der Einbau in Oligonukleotide mittels Standardphosphoramiditchemie nicht möglich. Die kovalente Verknüpfung mit DNA gelang jedoch postsynthetisch mit Hilfe der kupfer-(I)-katalysierten Azid-Alkin-Kupplung (CuAAC). Es konnte gezeigt werden, dass reduktiver Elektronentransfer im System Ethidium-Nitroindol stark distanzabhängig verläuft, während für die Kombination Ethidium-Methylviologen keine Distanzabhängigkeit gefunden wurde.

Translation of the abstract (English)

Due to its significant emission increase upon binding to DNA ethidiumbromide (E) was widely used as fluorescent staining agent for decades. Understanding the unique intercalation and emission properties of E had been the aim of a number of intense studies. However, up to now none of the postulated models is capable to explain all results. In order to obtain new insights concerning the fluorescence increase of E upon intercalation into DNA, the first part of this work deals with the synthesis and characterization of phenanthridinium-derivatives bearing different substituents at position 3, 6 and 8 of the phenanthridinium-core compared to E. It was shown by UV/Vis-, fluorescence- and cyclovoltametry measurements that the exocyclic amino-substituents at position 3 and 8 strongly influence the photo- and electrochemical behavior as well as the DNA-binding properties of these derivatives. Furthermore it was demonstrated that the rotation of the phenyl-substituent at position 6 strongly influences the fluorescence behavior of the phenanthridinium-derivatives. Quantum chemical calculations revealed a general mechanism related to the twisted intramolecular charge transfer (TICT) model. Accordingly an increase of the twist angle between the phenyl substituent in position 6 and the phenanthridinium core opens a nonradiative channel in the excited state that depends on the electron-donating character of the phenyl group. Access to this channel is hindered upon binding to DNA.
The second part of this work concentrates on the investigation of reductive electron transfer in DNA using UV/Vis- and fluorescence spectroscopy. Therefore DNA double strands were synthesized that were covalently labeled with an ethidium chromophore as photoinducable electron donor and either 5-nitroindol or a methylviologen-derivative as electron acceptor. As methylviologen is known to be highly base labile it was not possible to use standard phosphoramidite chemistry to incorporate methylviologen into oligonucleotides. Therefore a postsynthetic method, the so called copper-(I)-catalyzed azide-alkyne-coupling (CuAAC), had to be applied for the covalent labeling of oligonucleotides with methylviologen. It was shown that reductive electron transfer between ethidium and 5-nitroindol proceeds strongly distance-dependent while there is no distance-dependency found for the system ethidium-methylviologen.

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