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3-Funktionalisierte Tetronsäuren und Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren (2008)

Ralf Stehle

R-Kavain ist ein wirtschaftlich und pharmakologisch bedeutender Naturstoff. Eine stereoselektive Synthese lag zu Beginn dieser Arbeit nicht vor. Analog zur Synthese von Tetronsäuren aus alpha-Hydroxyestern und Ketenylidentriphenylphosphoran 11 sollte aus beta-Hydroxyester Kavain synthetisiert werden. Versuche mit beta-Hydroxyester zeigten, dass 11 an die Hydroxygruppe addiert, allerdings findet keine Wittig-Reaktion statt. Das Acylylid geht nur mit Benzaldehyd eine Wittig-Reaktion ein, nicht jedoch mit Estern. Stattdessen führt eine alpha beta Eliminierung zur Ausbildung eines Michaelsystems. Selbst durch schonende Reaktionsbedingungen in der Mikrowelle lässt sich dies nicht verhindern. Die Lewis-Säure YbTF3 unterdrückt die Eliminierung teilweise, trotzdem findet kein Ringschluß statt. Eine weitere pharmakologisch interessante Substanzklasse stellen die aus Tetronaten zugänglichen Endoperoxid-lactone dar. Die Variabilität der Seitenkette in 3-Position ist, synthetisch bedingt sehr beschränkt. Direkte 3-Alkenylierungen von Tetronsäuren sind laut Literatur nur mit aromatischen Aldehyden möglich. In der vorliegenden Arbeit gelang die 3-Alkenylierung von Tetronsäuren mit aliphatischen Aldehyden und Ketonen. Dabei werden Letztere zunächst zu ihren Pyrrolidiniumsalzen umgesetzt. Die Kondensation mit Tetronsäuren erfolgt basisch katalysiert, was einen flexiblen Zugang zu hochfunktionalisierten Furandionen ermöglicht. Die Photooxidation zu Endoperoxiden gelingt allerdings nur mit 3-Methylbut-2-yliden-Derivaten, deren 2-Wasserstoff am acidesten ist. Ein weiteres Ziel war die Synthese von Endoperoxiden, die an weitere antiplasmodische Wirkstoffe gebunden werden können. Dazu wird L-Äpfelsäure zum Furandion umgesetzt, welches in 5-Position eine TMSE-geschützte Carboxymethylen-Funktion besitzt. Bei der Photooxidation wird die Schutzgruppe allerdings unter Bildung des sehr stabilen Bislacton-Endoperoxids 1R9S-122 abgespalten. Bei pharmakologischen Tests am Tropeninstitut in Basel zeigte keines der Endoperoxide, auch die schon erfolgreich an der Charite getesteten, Wirkung gegen Plasmodium falciparum. Eine weitere Gruppe pharmakologisch interessanter Stoffe stellen 3-Acyl-Tetron- und -Tetramsäuren dar. Keine Acylierungsreaktion verträgt allerdings 5-unsubstituierter Derivate. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob 3-Bromtetronsäuren durch Stille-Kupplung mit Acylstannanen umgesetzt werden können, um einen milden Zugang zu diesen Derivaten zu erhalten. Allerdings führten entsprechende Reaktionen nicht zum Erfolg. Ein ungeklärtes Phänomen stellte die Racemisierung von Stereozentren bei der Additions-intra-Wittig-Reaktion dar. Das Stereozentrum von S-Mandelsäureestern racemisiert bei der Synthese von 5-Phenyltetronsäure-Derivaten vollständig. Verursacht wird dies von Basenspuren in 11 oder durch 11 selbst bei höheren Temperaturen. Da die Additions-Reaktion von 11 bei Raumtemperatur stattfindet, kann das chirale Esterylid isoliert und gereinigt werden. Die Wittig-Reaktion unter Ausschluss von überschüssigem 11 führt in der Mikrowelle unter Erhalt des sehr empfindlichen Stereozentrums zum 5S-5-Phenyltetronat mit einem ee von >99%, was diese Reaktion nun auch für die Synthese chiraler Naturstoffe interessant macht. Im Hinblick auf die Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren sind stereochemische Aspekte der Claisenumlagerung cinnamyl-substituierter Tetronsäuren von Interesse. Dabei kann beobachtet werden, dass Substituenten in 5-Position das Enantiomerenverhältnis in 1-Position über drei Bindungen hinweg beeinflussen. Dies führt bei Tetronsäure 5S,1RS-146 zu einem 1R/S-Diastereomeren Verhältnis von 2:3. Zur Analyse der Enantiomere wurden mehrere HPLC-Methoden mit Cyclodextrin-Phasen entwickelt. Für die Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren war, ausgehend von alpha-Hydroxycarbonsäure-m-nitrocinnamylestern, eine Domino-Additions-intra-Wittig-Reaktion mit nachfolgender Claisen-Umlagerung geplant. Allerdings waren die Ausbeuten aller Reaktionsschritte durch die Nitrogruppe bedingt sehr niedrig. Einen Ausweg bietet die Mikrowellen gestützte Veretherung von Tetronsäuren mit m-Nitrocinnamylbromid. Die Tetronsäuren sind dabei aus alpha-Hydroxycarbonsäuren über ihre Benzylester leicht zugänglich. Die Effizienz der Claisenumlagerung lässt sich durch Einsatz eines Mikrowellenprotokolls und DMF als Lösungsmittel deutlich erhöhen. Die Cyclopropanierung der vinylischen Seitenkette ist der empfindlichste Schritt der Synthese. Sie wird durch die Nitrogruppe ebenfalls beeinträchtigt, gelingt aber durch eine modifizierte Methode nach Charette et al. Im letzten schritt wird die Nitrogruppe reduziert und sulfoniert, wobei letztere Reaktion ohne den sonst üblichen Überschuss an Base durchgeführtgeführt werden muss, da die Hydroxygruppe ansonsten zusätzlich sulfoniert wird. Erste biologische Tests der Derivate an HI-Viren zeigen moderate Aktivität, wobei vor allem Substituenten in 5-Position einen großen Einfluß zu haben scheinen.

A Scalability Analysis of Grid allocation Mechanisms (2008)

Michael Reinicke Werner Streitberger Torsten Eymann

This article examines the broker´s behavior with regard to a varying number of participating nodes and shows that incremental losses have to be accepted in central resource allocation when introducing new nodes.

Accurate charge densities of amino acids and peptides by the Maximum Entropy Method (2008)

Jeanette Netzel

In the present thesis accurate charge densities of several amino acids and peptides have been reconstructed by the Maximum Entropy Method (MEM) to study chemical bonds. The MEM model-independently determines the most probable electron density, which simultaneously maximizes the information entropy and fits the X-ray diffraction data. The quality of the MEM densities is enhanced by several extensions to the MEM such as the use of a non-uniform prior-density, the employment of the method of prior-derived F-constraint, static weighting and the choice of the optimal stopping criterion for the MEM iterations. The latter is achieved by inspection of difference Fourier maps and dynamic deformation maps. The reconstructed electron densities have been analyzed according to Baders Atoms in Molecules (AIM) theory to derive information about chemical bonds, in particular covalent bonds and hydrogen bonds. Local maxima of the densities, their associated atomic basins and charges, bond critical points (BCPs) and their densities and second derivatives, i.e. the eigenvalues and the Laplacians, have been determined according to the AIM theory. For all studied compounds it is shown that, providing the employment of the extensions to the MEM, the densities obtained from the MEM exhibit similar properties as those obtained from the multipole method. However, it is demonstrated that the features of hydrogen bonds are described more convincingly by the MEM than by the multipole method. By comparison of densities at BCPs from the MEM with the corresponding values from multipole refinement and from quantum chemical calculations it is shown that each method produces similar densities at BCPs. For all studied compounds it is demonstrated that for MEM densities, densities at BCPs of hydrogen bonds possess a larger magnitude than corresponding values from densities by the multipole method, while the opposite is true for covalent bonds. The values of the Laplacians at BCPs, especially of C–O bonds, show larger discrepancies between values from the MEM and from multipole refinement. These differences are caused by thermal motion which is present in dynamic MEM densities, but absent in static densities produced by the multipole method. The results of the extensive study of electron densities of amino acids and tripeptides show that densities and energetic properties at BCPs of covalent bonds and hydrogen bonds depend exponentially on their bond lengths. The functions of the dependencies of the densities on the bond lengths differ from the corresponding functions fitted to values from the multipole method. It is demonstrated that the ratio of the potential and kinetic energy densities at BCPs of hydrogen bonds reveals the possibility to classify them according to the distance between hydrogen atom and acceptor atom. Short hydrogen bonds possess covalent character, hydrogen bonds with intermediate distance have a mixed covalent-ionic character and long hydrogen bonds are ionic. This classification coincides with the usual classification of strong, intermediate and weak hydrogen bonds as proposed in the literature. The studied hydrogen bonds are classified as possessing mainly a mixed covalent-ionic character. However, for covalent bonds a classification according to the bond lengths does not suffice to characterize them. The results of the amino acids and tripeptides indicate that the prior density contributes a large part to the densities at BCPs. However, for the Laplacians and the energy densities at BCPs the differences between MEM and prior densities are larger than for the densities at BCPs. Densities at BCPs of hydrogen bonds from MEM densities show a different trend in their dependence on the bond distance than corresponding trends from prior densities. Thus, it is demonstrated that the analysis of the true density instead of the prior or procrystal density is recommended in order to extract information about chemical bonding. It is concluded from the results of the Accurate Charge Density studies reported in the present thesis, that the MEM allows a good characterization of chemical bonds and describes the electron density of hydrogen bonds more realistic than the multipole model. Chapter 3 of the present thesis has been published in Acta Crystallogr. B, 63, 285–295 (2007) and is reproduced with permission of the International Union of Crystallography (http://journals.iucr.org). Chapter 4 of the present thesis has been published in CrystEngComm, 10, 335–343 (2008) and is reproduced with permission of The Royal Society of Chemistry (RSC) (http://www.rsc.org).

Adaptation or physiological constraint: Temperature-mediated plasticity in Reproduction. (2008)

Marc Johan Steigenga

Da Lebewesen in der Natur oft mit Temperatur variation konfrontiert werden, sind sie gezwungen, sich entweder plastisch oder genetisch an diese wechselnden Umweltbedingungen anzupassen. Weil die Eigröße von Arthropoden, und damit auch die Größe ihrer Nachkommen, aus evolutionärer sowie ökologischer Sicht eine wichtige Eigenschaft darstellt, zeigt die Fortpflanzung von Arthropoden häufig eine durch die Temperatur vermittelte phänotypische Plastizität. Die vorliegende Studie, in welcher der tropische Schmetterling Bicyclus anynana als Modellorganismus verwendet wird, konzentriert sich auf die Mechanismen, welche der temperaturvermittelten reproduktiven Plastizität zu Grunde liegen. Ein Halbgeschwister-Verpaarungsexperiment (Kapitel 5.2) zeigte, dass die Eigröße von B. anynana in Abhängigkeit von der Temperatur schwankt. Weiterhin ergab sich, dass die Plastizität von Eigröße eine erbliche Komponente aufweist. Die additiven genetischen Effekte auf die Eigröße waren jedoch schwach ausgeprägt und unterschieden sich ziemlich stark von anderen Studien, welche sich der Eigrößenerblichkeit von Bicyclus anynana widmeten. Im Gegensatz zur additiven genetischen Varianz waren die mütterlichen Effekte in dieser Untersuchung durchgehend hochsignifikant, was eine relativ hohe Erblichkeit der mütterlichen Anteile zur Folge hatte. Die naheliegendste Erklärung ist, dass die maternalen Effekte vom weiblichen Genotyp stammen. Diese Resultate implizieren, dass die durch die Temperatur vermittelte Eigrößenplastizität bei dieser Art adaptiv sein könnte, da die notwendigen Bedingungen für das Auftreten evolutiver Veränderungen von phänotypischer Plastizität erfüllt sind. Nicht-genetische parentale Effekte können den Phänotyp ebenfalls stark beeinflussen und sind möglicherweise adaptiv. Maternale Effekte könnten in der Lebensgeschichte von B. anynana eine erhebliche Rolle spielen. Mit Hilfe eines Temperaturtransfer-Experimentes (Kapitel 5.2) wurden beträchtliche generationenübergreifende, parentale Effekte festgestellt, welche in der Frühentwicklung am stärksten ausgeprägt waren und sich mit der Zeit verringerten. Höhere Temperaturen während der Entwicklung verminderten Entwicklungszeiten und Eigröße und ließen die Eizahl ansteigen, wirkten sich jedoch nicht auf das Puppengewicht aus. Die Temperaturbedingungen in der vorhergehenden Generation beeinflussten, ähnlich der Entwicklungstemperatur, die Entwicklungszeit der Puppen und Larven, die larvale Wachstumsrate sowie die Eigröße. Darüberhinaus wirkten sie sich auf das Gewicht der Puppen aus, nicht jedoch auf die Eizahl. Parentale Effekte sind daher wichtige Vermittler der phänotypischen Plastizität von B anynana und können antagonistisch auf verschiedene Fitnesskomponenten wirken, welche die Evolution der generationenübergreifenden adaptiven Plastizität bei dieser Schmetterlingsart einschränken könnten. Derartige phänotypische Plastizität könnte auf Variation in Juvenilhormon-Titern zurückzuführen sein, vor allem wegen seiner weitverbreiteten regulatorischen Rolle in der Lebensgeschichte von Insekten. Weibliche B. anynana-Schmetterlinge, denen am 4. oder 5. Tag ihres adulten Lebens Pyriproxifen (Kapitel 6.1), ein Analog von Juvenilhormon, verabreicht wurde, wiesen, verglichen mit den Kontrolltieren, gesteigerte Eiablageraten bei verkürzter Lebensdauer auf. Die Auswirkungen von Pyriproxifen waren vorübergehend und auf einige Tage nach der Anwendung beschränkt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Weibchen zu Beginn ihrer Eiablageperiode am sensibelsten auf Pyriproxifen reagieren. Dies stimmt mit der Tatsache überein, dass der Juvenilhormontiter bei anderen Lepidopteren in dieser Zeit von Natur aus ansteigt. Weiterhin könnte durch Juvenilhormon ein möglicher ‚Trade-off‘ zwischen gegenwärtiger und zukünftiger Fortpflanzung gesteuert werden. Effekte der Temperatur auf die Eireifung wurden bislang wenig untersucht, wobei verschiedene alternative Hypothesen versuchen, phänotypische Plastizität bei der Fortpflanzung zu erklären. Ein Temperaturtransfer-Experiment mit anschließender Ovarienpräparierung bei B. anynana-Weibchen (Kapitel 6.2) ergab einen gesteigerten Fortpflanzungsaufwand mit einer höheren Anzahl kleinerer Eier bei der höheren Temperatur und einer kleineren Anzahl größerer Eier bei der niedrigeren Temperatur. Die Anzahl unchorionisierter Oozyten fällt während der Eiablage von einem anfänglichen Höhepunkt zu einer geringeren Zahl hin ab, wobei die Anzahl chorionisierter Oozyten während den Tagen 0-6 der Eiablage am höchsten war. Der prozentuale Anteil stieg zu Beginn der Eiablage aufgrund von Chorionisierung, gefolgt von einem späteren Rückgang. Die Zahl der Oozyten unterschied sich nicht zwischen den Temperaturen, aber die Größe der terminalen Oozyten stieg bei niedrigerer Temperatur eindeutig an. Paarung minderte die Anzahl chorionisierter und unchorionisierter Oozyten. Dies lässt darauf schließen, dass die Paarung einen wichtigen Stimulus für die Eiablage darstellt, ohne den unverpaarte Weibchen ihre Eier so lange wie möglich zurückbehalten. Angesichts gleichbleibender Oozytenzahlen in den Ovarien über alle Temperaturen zu jedem Zeitpunkt, aber stark verminderter Eiablageraten bei niedrigeren Temperaturen, deuten die Daten auf verminderte Raten der Oozytenproduktion bzw. Differenzierung bei niedrigeren Temperaturen hin.

Aktinabhängige Bewegung und Vererbung von Mitochondrien in Saccharomyces cerevisiae (2008)

Katrin Altmann

Da Mitochondrien nicht de novo synthetisiert werden können, wird durch die koordinierte Vererbung von Mitochondrien und mitochondrialer DNA (mtDNA) sichergestellt, dass während der Zytokinese alle Zellen im Besitz funktioneller Organellen bleiben. Dabei ist bekannt, dass im Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae das Aktinzytoskelett für diese mitochondrialen Transportereignisse verantwortlich ist. Weiterhin wird angenommen, dass über einen beide mitochondriale Membranen durchspannenden Komplex (TMS) die mtDNA während der Zytokinese an den Segregationsapparat im Zytosol gebunden wird. Allerdings sind der Mechanismus und die Komponenten der aktinabhängigen Bewegung genauso wie die Gesamtstruktur des TMS bisher nur wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein systematischer Screen nach essentiellen, mitochondrialen Morphologie- und Verteilungskomponenten durchgeführt. 119 Stämme einer Hefe-Bibliothek, in der die Genexpression über einen Fremd-Promotor reguliert wird, zeigten nach Abschalten des Promotors einen veränderten mitochondrialen Phänotyp. Dies ermöglichte die Identifizierung fünf zellulärer Prozesse, die für die mitochondriale Morphogenese von entscheidender Bedeutung sind: Ergosterol-Biosynthese, vesikulärer Transport, mitochondrialer Proteinimport, Ubiquitin/26S Proteasom-abhängiger Proteinabbau und aktinzytoskelettabhängiger Transport. Zwei Mitglieder der letzten Gruppe, das Klasse V Myosin Myo2 und seine leichte Kette Mlc1, wiesen dabei besonders interessante Phänotypen auf. Fluoreszenz- und elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben eine ringähnliche mitochondriale Morphologie in den mutanten Zellen. Cristaestrukturen fehlten vollständig. Da diese Defekte in Zellen mit einem normal ausgeprägten Aktinzytoskelett beobachtet werden konnten, übt Myo2 wahrscheinlich einen primären Effekt auf die Interaktion zwischen Mitochondrien und den Aktinkabeln aus. Diese Vermutung wurde durch in vitro Aktinbindungs-Assays bestärkt. Dabei zeigten isolierte Mitochondrien aus Stämmen ohne Myo2 und Mlc1 und aus Stämmen mit spezifischen Punktmutationen in den Cargo-Bindungsdomänen von Myo2 eine stark beeinträchtigte Bindungskapazität. Zusätzlich ergab zeitauflösende Fluoreszenzmikroskopie der myo2-Punktmutanten, dass Myo2 auch für die knospengerichtete anterograde Bewegung von Mitochondrien verantwortlich ist. Diese Ergebnisse belegen zum ersten Mal die wichtige und direkte Beteiligung eines Myosins an der mitochondrialen Bewegung und Vererbung in S. cerevisiae. Darüber hinaus wurden Mdm31 und Mdm32, zwei funktionell unabhängige Untereinheiten zweier Komplexe der mitochondrialen Innenmembran (IM), als notwendige Komponenten der koordinierten Vererbung von mtDNA etabliert. In vorliegender Arbeit konnte dabei gezeigt werden, dass die Deletion beider Gene jeweils in dem Verlust der Interaktion zwischen mtDNA und Mmm1, einer Außenmembrankomponente des TMS, resultierte. Dies deutet auf eine Funktion von Mdm31 und Mdm32 als Innenmembrankomponenten des TMS hin.

Aluminium stabilizes dissolved organic matter by precipitation (2008)

Thorsten Scheel

It is well known that carbon mineralization in acidic forest soils can be reduced by large Al concentrations. Precipitation of dissolved organic matter (DOM) by dissolved Al could contribute substantially to C retention in acidic forest soils. However, no information is available on the properties of precipitated organic matter (OM) and its stability against microbial decay although that might be an important mechanism for long-term carbon storage in soils. Therefore, I investigated the influence of (i) the DOM composition, (ii) the pH of precipitation, and (iii) the Al/C ratio in solution on the amount of OM precipitated, the associated changes in its composition, and the resulting stability of precipitated OM against microbial decay. Between 13 and 84% of the C in solution was precipitated, depending on pH, Al/C ratio, and the composition of DOM. I observed preferential precipitation of aromatic compounds and enrichment of carboxylic C in precipitated OM, being associated by depletion in N and enrichment in P. The type of bonds between OM functional groups and the Al cations was independent of pH, Al/C ratios and solution composition. FTIR spectra indicated ligand exchange as possible binding mechanism. Furthermore, exoenzymes were present in a functional state in precipitated OM. Carbon mineralization of DOM was up to 28 times larger than that of the respective precipitated OM. Only 0.5-7.7% of precipitated C was mineralized during 7 weeks of incubation. When precipitated OM remained in solution the reduction in C degradation by precipitation amounted up to 65%. This increase in stability by precipitation was significantly correlated with the amount of C precipitated. Thus, the bonds between Al and carboxylic groups of aromatic compounds with low N contents resulted in a reduced bioavailability of C. I found no indication for toxic effects of Al. The enzyme activity found in precipitates significantly increased the percentage of C mineralized of precipitated OM. However, after eight weeks of incubation the correlations between enzyme activity and C mineralization disappeared, despite substantial enzyme activity and C being still present. Thus, degradation of precipitated OM seems to be governed by enzyme activity during the first degradation phase, but the long term stability of precipitated OM is probably related to its chemical properties and structure, e.g. floc size. The Al cations linked a large number of molecules of OM up to floc sizes of 110 µm in diameter, with smaller sizes on average at pH 3.8 (16.6 µm) than at pH 4.5 (27.6 µm). For a floc of 10 µm about 80 million molecules needed to be spatially aggregated. Thus, the spatial accessibility of OM was considerably reduced in these flocs leading to additional stabilization, besides the intrinsic stability of the organic compounds and the complexation by Al. The observation that only a certain fraction of precipitated OM is prone to degradation by enzymes supports this. I conclude that precipitation of DOM is an important mechanism for the long-term carbon stabilization in mineral horizons of acidic forest soils. Changing environmental conditions can affect both the amount of OM precipitated and the degradability of the precipitate. Thus, more focus should be laid on the influence of OM precipitation on C retention and sequestration in acidic forest soils.

Anaerobic Carbon Monoxide Dehydrogenase: Mechanism of CO-Oxidation at the [NiFe4S4OHx] Cluster and Nickel-Processing by its ATPase CooC (2008)

Jae-Hun Jeoung

Anaerobic CO dehydrogenases (CODH) catalyze the reversible oxidation of CO to CO2 at a complex metal center containing Ni, Fe and S called cluster C. In this work, a heterologous expression system of CODHII from Carboxydothermus hydrogenoformans in E. coli and the crystal structures of CODHII in different states are reported. CO2 bridging the Ni-Fe1 site is observed in a reduced state with exogeneously supplied CO2-source, and is reductively activated by binding to cluster C. The ligand CO2 completes the square-planar coordination of the Ni ion and replaces the H2O/OH- ligand at the Fe1 ion in the other two states. The H2O/OH- ligand is replenished by a neighboring network of water molecules. Protons produced from the reversible CO oxidation are expelled through a semi-conserved histidine channel. The mutation of His96, one of four semi-conserved histidines to Asp diminished CO-oxidation activity to 2.7% of wild-type, indicating its essential role in catalysis. The structure of H96D CODHII reveals that the abolished activity is not originated from protein misfolding and/or absence of metal centers in the protein. Another variant of CODHII devoid of cluster C, but containing clusters B and D, was structurally characterized. This cluster C-missing CODHII shows an identical protein scaffold to the structure of active enzyme, and the residues coordinating the metals of cluster C display the same location as the active wild-type enzyme. From all metals of cluster C, only the Fe1 ion displays an alternative position, which appears to be the reason for the obseved cluster C heterogeneity. The structures presented in this work define the mechanism of CO oxidation/CO2 reduction at the Ni-Fe site of cluster C and show the channels that facilitate the transport of substrate/product during catalysis. The ATPase CooC1 from C. hydrogenoformans belongs to the MinD family of the SIMIBI class NTPases containing a deviant walker A motif. The protein has been proposed to participate in the maturation of cluster C of CODH (Jeon et al, 2001). As-isolated CooC1 shows monomeric state in solution with a molecular weight of 32 kDa. The presence of Ni(II) induces dimerization of CooC1, and the protein binds one Ni(II) per dimer with nanomolar affinity. The crystal structure of Metal-bound CooC1 clearly identified the conserved CXC motif as the metal-binding site, which is responsible for the dimerization. In solution, CooC1 also undergoes nucleotide-dependent dimerization and forms a stable dimer in the presence of ATP. The K8A CooC1 mutant, where Ala replaced the signature Lys is incapable of both ATP hydrolysis and ATP-dependent stable dimer formation. Compared to other structural homologues of the MinD family, the ATP-induced dimer structure of CooC1 shows a different conformation than the Ni-induced dimeric state. On the basis of biochemical data and structures of CooC1 in combination with a model of ATP-driven dimerization, a reaction cycle of CooC1 in Ni-processing for the maturation of cluster C is presented.

Assessment of grassland ecosystem functioning: Carbon dioxide exchange and the dynamics of carbon and nutrient pools in temperate and Mediterranean grasslands (2008)

Heydar Mirzaei

The objectives of this study were to examine the influence of environmental variables, extreme weather events, management methods and ecosystem heterogeneity on grassland ecosystem functioning in the context of the variables CO2 exchange, nutrient dynamics, production, nitrogen and carbon pools. Two sites were selected in Central Europe, to represent temperate grassland, namely a grassland at Grillenburg and a controlled experimental grassland in the Botanical Garden of the University of Bayreuth, (both located in Germany) and additionally one site at Herdade da Mitra, Portugal, was studied as Mediterranean grassland. In the temperate grassland mowing reduced the leaf area index (LAI) as well as the biomass, with a subsequent impact on the overall assimilatory capacity of the grassland ecosystem. The pattern of root biomass development reflected seasonal variations in temperature and rainfall as well as the growth of the aboveground biomass showing peak root mass between DOY 180 and 210. Cutting increased the foliar N concentration, which came as a result of increased demand for N in the regenerating fresh tissue after the cut. During winter and early spring daily rates of net carbon exchange were low and the balance between net ecosystem CO2 exchange (NEE) and respiration was nearly zero. The gross primary productivity (GPP) at the cut site was higher than at the uncut site due to vegetation recovery at the former and senescing leaves at the latter site. Results from the artificially created grassland showed that drought altered the carbon fluxes in the grassland ecosystems without significantly changing the aboveground biomass production. A possible consequence of drought in these grass species could be an increase in the LAI due to shifts in aboveground carbon allocation from reproductive to vegetative structures. The results showed a crucial role played by species composition in regulating carbon fluxes and ecosystem productivity. The more diverse community exhibited higher potential for carbon uptake as well as increased ecosystem respiration. In the Mediterranean grassland, trees added considerable amounts of nutrients to the soil beneath their canopies, and have the potential to facilitate understory production. Although there was no significant difference in the total biomass accumulation between understory and open locations, analysis of soil N concentration revealed higher soil N under the trees. Although NEE was limited by light intensity in the understory, model projections of GPP showed no difference between the understory and the open locations in their potential assimilatory capacities. Significant differences, however, occurred between the two locations in ecosystem respiration. Depending on the location (open or understory), grazing influenced CO2 exchange processes differently. We found no significant differences in GPP between grazed and ungrazed sites in the open locations, while large differences occurred in the understory, with lower NEE in the grazed as compared to the ungrazed locations. Mean maximum foliar N concentration in the temperate grassland occurred in mid-May, coinciding with early growing season, with 3.4% nitrogen, whereas in the Mediterranean grassland, it reached a peak value in early April which was lower (2.3 %), averaged over the stand biomass. As in the case of the foliar N, the root N concentration was also lower in the Mediterranean grassland (ca. 1 %) as compared to the temperate grassland (1.5 %). In terms of available N in the soil solution, it was low at Mitra (ca. 0.2 micromol g-1 soil) in early spring while it remained near 0.6 micromol g-1 soil throughout the season at Grillenburg. Thus, the development of biomass is sensitive to fluctuations in temperature and radiation during the optimal period for growth, but the total biomass accumulation is at a lower level in the Portuguese grasslands (as well as in the botanical garden) due to greater nutrient limitation. Mediterranean and temperate grasslands were found to differ more strongly than expected due to nutrient availability, which depends on the prevailing higher temperatures, annual changes in water balance and possibly nutrient removal from the ecosystem in Mediterranean regions.

Assessment of the environmental acceptability of refrigerants by discrete mathematics: cluster analysis and Hasse diagram technique (2008)

Guillermo Restrepo

The recognition of the adverse environmental impact of chlorofluorocarbons (CFCs), mainly used as refrigerants, has lead to look for environmentally acceptable CFC replacements. Main environmental concern CFCs face is their ability to deplete the stratospheric ozone layer, quantified by the ozone depletion potential (ODP). Some of the first replacements mooted were hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) and hydrofluorocarbons (HFCs), which contribute to the global warming, quantified by the global warming potential (GWP). ODP and GWP are related to the atmospheric lifetime (ALT), a third indicator. Hence, the environmental impact of a refrigerant may be characterised by a triple of ODP, GWP and ALT values. In this respect, an acceptable refrigerant is a chemical with low ODP, GWP and ALT values. One of the first steps to assess the environmental acceptability of refrigerants is to classify them to find substances with common features. Hence, a supervised and unsupervised classification was performed over 40 refrigerants. First one was a classification based upon elemental composition and functional groups present in refrigerant molecules which leads to: CFCs, HCFCs, HFCs, hydrocarbons (HCs), hydrofluoro ethers (HFEs), chloromethanes (CMs), carbon dioxide, trifluoroiodomethane, dimethyl ether and ammonia. The unsupervised classification was performed using hierarchical cluster analysis. In this case, refrigerants were characterised by three kinds of descriptors: Environmental properties (ODP, GWP, ALT), thermodynamic features related to their refrigeration performance and molecular descriptors derived from their molecular structure. Eight clustering methodologies were applied to each kind of refrigerant descriptors. To assess the stability of these classifications, the cluster index, a method for quantifying classification similarities was developed and further applied to refrigerant results. It was found that environmental descriptors are the only case in which refrigerant classes are stable when varying the classification method. The chemotopological procedure, a method for studying similarity relationships, was applied to the environmental classification of refrigerants. It was found that CFCs are similar to themselves and also to 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, a HFC. The most similar substances to all CFCs considered were trichlorofluoromethane and 1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane. The other refrigerant families were found to be similar to many other substances, therefore there is no clear affiliation of refrigerants of one family to one certain class. It was found a disagreement between the supervised classification leading to refrigerant families and the three unsupervised classifications (environmental, thermodynamic and molecular ones). Therefore, refrigerant classification into families does not imply same classification based upon environmental properties, thermodynamic features and molecular descriptors. A different refrigerant classification was performed, i.e. the one based upon order relationships of refrigerant environmental properties. In this case the Hasse diagram technique, a method based on partial order theory, was applied to the 40 refrigerants characterised by environmental properties. A parameter free procedure for ordering classes based upon order relationships of their elements was developed. For that purpose, the dominance and separability degrees were introduced, first one indicates the extent to which members of one class hold higher descriptor values than the members of another class; while separability degree quantifies the lack of order relationships between two classes. Dominance and separability degrees were related by a theorem. By the application of dominance and separability degrees to refrigerant families three main classes were detected: problematic substances, gathering CFCs, octafluorocyclobutane and bromochlorodifluoromethane; least problematic ones, collecting HCs, CMs, carbon dioxide, trifluoroiodomethane, dimethyl ether and ammonia; and moderately problematic refrigerants, made from HCFCs, HFCs and HFEs. It was found that some HFEs are not dominated by CFCs, which raises the question on the applicability of these substances as environmentally acceptable replacements. METEOR (Method of evaluation by order theory), a procedure for prioritising descriptors and studying its effect on the order relationships of the objects considered was discussed. When applied to the refrigerants, the effect of prioritising ODP, GWP and ALT in the order relationships of these substances was studied. It was found that pentafluorodimethyl ether, a HFE, is one of the most problematic refrigerants under a large range of priorities of the environmental properties considered. Due to the mathematical generality of the methods here introduced, they are not restricted to the analysis of refrigerants but can be used to the study of different sets whose elements are characterised by various attributes.

Bounds for the minimum oriented diameter (2008)

Sascha Kurz Martin Lätsch

We consider the problem of finding an orientation with minimum diameter of a connected bridgeless graph. Fomin et. al. discovered a relation between the minimum oriented diameter an the size of a minimal dominating set. We improve their upper bound.

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