The biotransformation of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane was investigated in rats and in in vitro systems. First, the metabolites were identified in vivo using GC/MS and 19F NMR analysis. The main metabolite was identified as trifluoroacetic acid, the minor metabolite as 3,3,3-trifluoropropionic acid and as a cleavage product, inorganic fluoride was found. As the in vitro system, liver microsomes from rat and human samples and rat liver homogenates were used. Trifluoroacetic acid and 3,3,3 trifluoropropionic acid were confirmed in vitro as metabolic intermediates, following biotransformation of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane by the cytochrome P-450-system. Studies, designed for clarifying the cardiotoxicity of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane were driven by the hypothesis that 3,3,3-trifluoropropionic acid is the toxic agent. This was based on the lethal toxicity, which was observed in previous in vivo experiments. In addition, the point of its structural similarity to toxic agents as for example monofluoroacetic acid or of possible metabolic intermediates like difluoroacrylic acid with known toxicity were considered to support this assumption. However, trifluoroacetic acid was neglected as the sought-after toxic agent because of its different toxic effects, known from literature. Investigations on the biotransformation of 3,3,3-trifluoropropionic acid were performed and resulted in no metabolic activity and in poor elimination of 3,3,3-trifluoropropionic acid in vivo. The histopathological effects on the heart, which were observed in the 90-day oral toxicity study of 1,1,1,3,3-pentafluoropropane in rats, namely mononuclear inflammatory cell infiltrations and degenerated myocardial fibers, were not observed after a 28 day repeated exposure of up to 10 mg/kg b.w. of 3,3,3-trifluoropropionic acid. However, a single high dose of 3,3,3-trifluoropropionic acid lead to severe toxicological effects. The difference in the observed toxic effects after a single and repeated administration may be due to adaptive mechanisms in rats. The toxicological effects included clinical signs like ataxia, coma and cramps. The conditions of the rats suggested possible inhibition of the energy supply to the organism. Furthermore, the interference of 3,3,3-trifluoropropionic acid in the functionality of the organism was investigated. Experiments were performed in vitro in rat liver and heart mitochondria to investigate effects on the mitochondrial ß-oxidation. However, the transformation of the substrate [U14C] palmitic acid in the ß oxidation pathway was not inhibited by 3,3,3-trifluoropropionic acid. In addition, no cytotoxicity of 3,3,3 trifluoropropionic acid was observed in the cell culture systems. The main effect after a single dose of 3,3,3-trifluoropropionic acid was seen in clinical pathology and metabonomic analysis. The decrease in blood glucose is considered to have the most far-reaching consequences for the toxicity of 3,3,3-trifluoropropionic acid. If considering this change as the primary effect after a single dose, secondary effects, for example, the above-mentioned clinical signs could be explained. In addition, the observed high level of ketone bodies might have been responsible for life-threatening possible ketoacidosis. In general, ketoacidosis occurs after an imbalance between glycolysis, lipolysis, TCA cycle activity and respiratory function. Based on the results, ß-oxidation of fatty acids was not affected, and due to the decrease in glucose levels and the high levels of acetyl CoA, glycolysis was considered not to be impaired. Increased amounts of acetyl CoA might be a result of insufficient activity of the TCA cycle. However, the inhibition of the TCA cycle can be based on the impairment of specific enzymes and/or on the involvement of messenger substrates like insulin. Supporting the first mentioned aspect are decreased levels of TCA cycle intermediates, like α-ketoglutarate or citrate, as seen in 1H-NMR spectra of urine. However, the second aspect would explain the drop in blood glucose with the impairment of glucose transporters or the impairment of the insulin balance. If a single dose of 3,3,3-trifluoropropionic acid had stimulated the insulin release, glycolysis would be activated, and high amounts of acetyl CoA would be produced. In case of impaired use by the TCA cycle, levels of ketone bodies would be increased. Experiments were designed to characterize the direct effect of 3,3,3-trifluoropropionic acid on rat insulinoma-derived INS-1 cells as possible increase in insulin release. Further investigations are necessary to answer in which step of the metabolic pathway 3,3,3-trifluoropropionic acid interferes or finally which specific enzyme is inhibited or activated by 3,3,3-trifluoropropionic acid, leading to the drop in blood glucose and finally in lethal toxicity. / Die Biotransformation von 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan wurde in Ratten und in in vitro Systemen untersucht. Die in der Ratte mit dem Urin ausgeschiedenen Metabolite wurden per GC/MS und 19F-NMR identifiziert. Als Hauptmetabolit entstand Trifluoressigsäure, als Nebenmetabolit 3,3,3-Trifluorpropionsäure und als Abspaltungsprodukt Fluorid. Als in in vitro Systeme wurden Ratten- und Humanleber-mikrosomen, sowie Rattenleberhomogenate verwendet. Auch hier wurden Trifluoressigsäure und 3,3,3-Trifluorpropionsäure als metabolische Zwischenprodukte identifiziert. Weitere in vivo Studien wurden durchgeführt um die beobachtete subchronische Kardiotoxizität von 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan zu erklären. Da vorangegangene Experimente eine hohe letale Toxizität des Metaboliten 3,3,3-Trifluorpropionsäure zeigten, wurde dieser als das toxische Agens hypothetisiert. Diese Annahme unterstützend, ist dessen strukturelle Ähnlichkeit zu Substanzen mit bekannten toxischen Profilen wie Monofluoressigsäure oder Difluoracrylsäure, ein mögliches entstehendes Intermediat. Der Hauptmetabolit Trifluoressigsäure jedoch, wurde auf Grund seiner bekannten Toxizität als initiierendes Agens der Kardiotoxizität ausgeschlossen. In vivo Untersuchungen mit 3,3,3-Trifluorpropionsäure zeigten jedoch keine weitere metabolische Aktivität und eine geringe renale Ausscheidung an 3,3,3-Trifluorpropionsäure. Nach einer einmalig hohen Dosis von 3,3,3-Trifluorpropionsäure traten markante Symptome wie Ataxie, komatöse Zustände und Krämpfe auf. Dies deutete auf eine Beeinträchtigung des Energiezustandes des Organismus hin. Die histo-pathologischen Veränderungen des Herzens, mononukleäre Infiltrate von Entzündungszellen und degenerierte Myokard-Fasern, die für 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan in einer 90-Tages Studie in Nagern beobachtet wurden, konnten jedoch nicht nach 28-tägiger Exposition mit 10 mg/kg Körpergewicht 3,3,3-Trifluorpropionsäure beobachtet werden. Die unterschiedlichen Effekte die nach einmaliger und wiederholter Gabe beobachtet wurden, lassen sich durch mögliche Adaptionsprozesse erklären, die initiale Schädigungen kompensieren. Die folgenden Experimente waren auf die funktionelle Beeinflussung des Organismus durch 3,3,3-Trifluorpropionsäure ausgerichtet. In vitro Untersuchungen in Mitochondrien von Rattenleber und –herz mit dem Umsatz des Modellsubstrates [U14C] Palmitinsäure zeigten jedoch keine Inhibierung der ß-Oxidation durch 3,3,3-Trifluorpropionsäure. Zytotoxizitätsassays wurden im Weiteren in der human-hepatonom Zell-Linie HepG2, und in der kardialen Muskelzell-Linie H9C2 mit folgenden Endpunkten durchgeführt: die Freisetzung von LDH, ein Parameter für die Membranintegrität, die MTT Reduktase Aktivität, ein Parameter für die metabolische Aktivität, und die Messung von Kristallviolett, ein Parameter für die Viabilität von Zellen. Für 3,3,3-Trifluorpropionsäure konnte jedoch keine Zytotoxizität beobachtet werden. Deutliche Effekte wurden hingegen in der klinischen Pathologie und anhand Metabonomics beobachtet. Diese bestanden vor allem in der Abnahme der Glukosekonzentration im Blut, das weitreichende Konsequenzen mit sich führt, und als primärer Effekt die sekundären Effekte wie die beobachtenden klinischen Symptome erklären könnte. Ein weiterer Schlüsselparameter war die Erhöhung von Ketonkörpern in Urin und Serum, welche für eine lebensbedrohliche mögliche Ketoazidosis verantwortlich sein kann und durch ein Ungleichgewicht im Energiehaushalt ausgelöst werden kann. Da eine Beeinträchtigung der ß Oxidation und der Glykolyse ausgeschlossen wurde, könnte das erhöhte Vorkommen von Acetyl-CoA auf eine limitierte Aktivität des Zitronensäurezyklus hindeuten. Grund hierfür kann die Inhibierung von beteiligten Enzymen sein oder auch der Einfluß von Messenger-Substraten wie Insulin. Ersteres wurde untermauert mit der Beobachtung in 1H NMR Spektren von Urin mit erhöhten Mengen an Intermediaten des Zitronensäurezyklus, wie α Ketoglutarate oder Zitrat. Letzteres würde den Abfall der Blutglukose, basierend auf Beeinflussung von Glukosetransportern oder des Insulinhaushaltes, erklären. Wenn 3,3,3-Trifluorpropionsäure die Freisetzung von Insulin stimulieren würde, würde der Abbau von Glukose aktiviert werden und erhöhte Mengen an Acetyl-CoA resultieren. Wenn gleichzeitig eine Beeinträchtigung des Zitronensäurezyklus vorliegt, kann dies zu einer Erhöhung an Ketonkörpern führen. Experimente zur Messung des Insulin- und Glukosespiegels wurden in vivo und in vitro mit der Ratteninsulinoma Zell-Linie INS-1 durchgeführt, um den Effekt von 3,3,3-Trifluorpropionsäure auf die Freisetzung von Insulin zu charakterisieren. Basierend auf diesen Ergebnissen sind weitere Untersuchungen erforderlich um den Metabolismus von 3,3,3-Trifluorpropionsäure, sowie dessen mögliche Interaktion mit Enzymen oder Rezeptoren aufzuklären, und um den raschen Glukoseabfall im Blut zu erklären, der zu einer letalen Toxizität führen kann

In this work the electrochemical and spectroelectrochemical properties of a series of pi-conjugated organic polymers were studied. The polymers were deposited on platinum electrodes or ITO-coated glass substrates by potentiodynamic electro-polymerisation of the corresponding monomeric precursor molecules. The electro-chemical and photophysical properties of the triarylborane monomers were studied in detail in order to estimate possible influences on the behaviour of the corresponding polymer. The first part of this work aimed at the synthesis and investigation of conjugated donor–acceptor polymers which combine the prerequisites of an OLED within one material: the transport of positive and negative charges and the formation of emissive excited states. With the carbazole-substituted oxadiazoles 1–3 it was shown that on the one hand the carbazole functionality is suitable for enabling the electrochemical polymerisation of the monomers and on the other hand it facilitates reversible p-doping of the resultant polymers. Although n-doping of poly-1–poly-3 is possible due to the electron-deficient oxadiazole rings, it causes the continuous degradation of these electron-acceptor units. Interestingly, this process does not influence the capability of p-doping of the polymers. With respect to its electrochemical and spectroelectrochemical properties the behaviour of the borane polymer poly-4 is absolutely identical with that of the oxadiazole polymers. Moreover, the optical excitation of poly-4 in the solid state leads to the emission of blue-green light which suggests that this polymer might also possess electroluminescent properties. AFM-measurements of poly-4 films on ITO-coated glass substrates revealed, that the film thickness can be controlled to a certain extent by the number of polymerisation redox cycles. It was shown from the electrochemical and photophysical properties of the triarylboranes 4–6 that the pi–pi-interaction between boron and nitrogen atoms is comparably weak in these molecules. This leads to an unexpected ground-state polarisation with a partially positive boron atom and a partially negative nitrogen atom. Moreover, it was found that TAB 4 possesses a lower symmetry than D3 in solution and that excitation energy can be transferred amongst the three subchromophores of 4. By titration experiments it was also demonstrated that TAB 4 can reversibly bind fluoride ions and that the binding event significantly influences the optical absorption characteristics of the chromophore. It can be assumed, that the above mentioned properties, which have a profound influence on the photophysical behaviour of these triarylborane chromophores, also determine the behaviour of the corresponding polymer in a solid state environment. The aim of the second part of this work was the investigation of purely n-conducting materials based on electron-deficient borane and viologen polymers. The corresponding precursor molecules should be polymerised on platinum electrodes by reductive electropolymerisation. However, a reductive polymerisation was not possible for the borane monomer 19 which is thought to be due to a strong localisation of the unpaired electron on the central boron atom of the radical anion. An electropolymerisation of the cyano-substituted bispyridinio-compound 17 failed because of the poor quality of CN– as a leaving group. Thus, a synthesis of the analogous isomer 18 was developed, in which the cyano-substituents were exchanged by the better leaving group Cl–. The viologen polymer poly-18, which can be regarded as an electron-deficient iso-electronic analogue of poly(para-phenylene), was successfully deposited on a platinum electrode by reductive electropolymerisation of 18. Poly-18 can be reversibly n-doped at comparably low potentials; however, at higher potentials the polymer is overcharged and destroyed irreversibly. As the synthetic strategy for 18 allows the variation of both spacer unit and leaving group in the last two steps of the reaction sequence, a series of analogous compounds can be easily synthesised using this route. / Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die elektrochemischen und spektroelektrochemischen Eigenschaften einer Reihe von pi-konjugierten organischen Polymeren untersucht. Die Polymere wurden durch potentiodynamische Elektropolymerisation der entsprechenden monomeren Vorläufermoleküle auf Platinelektroden bzw. ITO-beschichteten Glassubstraten abgeschieden. Im Falle der Triarylborane wurden die elektrochemischen und photophysikalischen Eigenschaften der Monomere genauer untersucht, um mögliche Einflüsse auf das entsprechende Polymer abschätzen zu können. Der erste Teil dieser Arbeit zielte auf die Synthese und Untersuchung von konjugierten Donor-Akzeptor-Polymeren ab, die die Grundvoraussetzungen für OLEDs in einem Material vereinen: den Transport von positiven und negativen Ladungen sowie die Bildung von emittierenden angeregten Zuständen. Anhand der Carbazol-substituierten Oxadiazole 1–3 konnte gezeigt werden, dass die Carbazol-Funktionalität einerseits geeignet ist eine elektrochemische Polymerisierbarkeit der Monomere zu gewährleisten und andererseits eine reversible p-Dotierung der resultierenden Polymere möglich macht. Eine n-Dotierung der Polymere poly-1–poly-3 ist aufgrund der elektronenarmen Oxadiazol-Ringe zwar möglich, führt aber zum schrittweisen Abbau dieser Akzeptor-Eiheiten. Interessanter-weise lassen sich die Polymere aber weiterhin p-dotieren. Hinsichtlich seiner elektrochemischen und spektroelektrochemischen Eigen-schaften weißt das Boran-Polymer poly-4 ein zu den Oxadiazol-Polymeren absolut identisches Verhalten auf. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die optische Anregung von poly-4 im Festkörper zur Emission von blau-grünem Licht führt, was die Vermutung nahe legt, dass dieses Polymer auch elektrolumineszierende Eigenschaften besitzen könnte. AFM-Messungen an Filmen von poly-4 auf ITO-beschichteten Glassubstraten ergaben weiterhin, dass sich die Schichtdicke des Polymers durch die Anzahl der Polymerisationszyklen in einem gewissen Bereich einstellen lässt. Anhand der elektrochemischen und photophysikalischen Eigenschaften der Triarylborane 4–6 konnte gezeigt werden, dass die pi-Konjugation zwischen den Bor- und Stickstoff-Atomen in diesen Molekülen sehr gering ist. Dies führt zu einer ungewöhnlichen Grundzustandspolarisation mit partiell positivem Bor und partiell negativem Stickstoff. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Triarylboran 4 in Lösung eine geringere Symmetrie als D3 aufweißt und dass die durch eine optische Anregung aufgenommene Energie entlang der identischen Subchromophore von 4 übertragen werden kann. Durch Titrationsexperimente konnte außerdem gezeigt werden, dass 4 Fluoridionen reversibel binden kann, wobei sich das optische Absoptionsverhalten des Chromophors deutlich ändert. Es kann angenommen werden, dass die genannten Eigenschaften, die sich entscheidend auf das photophysikalische Verhalten dieser Triarylboran-Chromophore auswirken, auch die Eigenschaften des entsprechenden Polymers im Festkörper beeinflussen. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollten reine n-Leiter Materialien auf der Basis von elektronenarmen Boran- bzw. Viologen-Polymeren untersucht werden. Die entsprechenden Vorläufermoleküle sollten dabei durch reduktive Elektro-polymerisation auf Platinelektroden polymerisiert werden. Im Falle des Boran-Monomers 19 war eine reduktive Polymerisation nicht möglich, was vermutlich auf eine starke Lokalisierung des ungepaarten Elektrons auf dem zentralen Boratom des Radikalanions zurückzuführen ist. Bei der Cyano-substituierten Bispyridinio-Verbindung 17 scheiterte eine reduktive Elektro-polymerisation an der schlechten Qualität von CN– als Abgangsgruppe. Daher wurde eine Synthese für das analoge Isomer 18 entwickelt, bei dem die Cyano-Substituenten gegen die bessere Abgangsgruppe Cl– ausgetauscht wurden. Durch reduktive Elektropolymerisation von 18 konnte das entsprechende Viologen-Polymer, welches als elektronenarmes isoelektronisches Analogon zu Poly(para-phenylen) angesehen werden kann, auf einer Platinelektrode abgeschieden werden. Das Viologen-Polymer poly-18 kann bereits bei relativ niedrigen Potentialen reversibel n-dotiert werden, bei zu hohen Potentialen wird das Polymer jedoch überladen und irreversible zerstört. Da es die für 18 verwendete Synthesestrategie erlaubt, sowohl die Spacereinheit als auch die Abgangsgruppe in den letzten zwei Reaktionsschritten zu variieren, sind auf diesem Weg weitere analoge Verbindungen leicht zugänglich.

Diese Dissertation beschreibt Methoden zur Lösung wichtiger anwendungsorientierter Aspekte des struktur- und ligandbasierten in-silico-Wirkstoffdesigns. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung chemometrischer Verfahren und der Überprüfung ihrer Leistungsfähigkeit. Die vorgeschlagenen Algorithmen werden mit entsprechenden etablierten Techniken verglichen. Die folgenden Abschnitte fassen die Vorgehensweisen und Resultate in den einzelnen Projektbereichen zusammen. Identifizierung von Outliern. Die Untersuchung eines QSAR-Datensatzes mit dem Ziel der Outlier-Identifizierung wird in der Praxis häufig vernachlässigt. Dabei ist es offensichtlich, daß kein QSAR-Modell auf jede nur denkbare chemische Verbindung anwendbar sein kann. Vielmehr handelt es sich um empirische mathematische Modelle, die nur innerhalb jenes Datenraums Gültigkeit besitzen, der von den Trainingsobjekten aufgespannt wird. Daher ist jedes Modell auf gewisse Grenzen beschränkt, außerhalb derer eine verläßliche Vorhersage unmöglich ist. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode ODD dient der Ermittlung dieser Grenzen und damit der Identifizierung von Outliern, also Objekten außerhalb des Anwendungsbereichs des Modells. Ziel der Entwicklung war ein nur auf den unabhängigen Variablen (X-Daten) basierendes Verfahren, das auch auf hochdimensionaleDatensätze anwendbar ist undweitestgehend auf den Eingriff des Benutzers (etwa die Definition von Grenzwerten) verzichtet. Ebenfalls wünschenswert war die Fähigkeit zur Identifikation von Inliern. Eine ausreichend hohe Geschwindigkeit sollte die Einsetzbarkeit im virtuellen Screening gewährleisten. Die Methode mußte der Überprüfung standhalten, den Vorhersagefehler eines Modells bei Vorhandensein extremer Outlier zu reduzieren, gleichzeitig aber unkritische Datensätze unbeeinflußt zu lassen. ODD basiert auf der Beurteilung der euklidischen Distanz eines Testobjekts zu seinem am nächsten benachbarten Trainingsobjekt. Der Schwellenwert für die Betrachtung eines Objekts als Outlier wird dabei aus der Verteilung der Nächster-Nachbar-Distanzen der Trainingsobjekte berechnet. Durch dieses intrinsische Maß ergibt sich die gewünschte Dimensionsunabhängigkeit und vor allem die automatische Anpassung des Grenzwerts an die Charakteristik des Kalibrierdatensatzes ohne Eingriff des Benutzers. Die Validierung zeigt, daß ODD extreme Outlier zuverlässig erkennt und sich gleichzeitig durch eine im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Verfahren geringere Anzahl falsch positiver Identifizierungen auszeichnet. Ensemble-Techniken. In einer vergleichenden Studie wurde die Leistungsfähigkeit verschiedener Ensemble-Techniken hinsichtlich ihres Einflusses auf den Vorhersagefehler untersucht. Dazu wurden umfangreiche Simulationen anhand mehrerer realer QSAR-Datensätze durchgeführt. Die Verwendung von Ensembles (d. h. einer Sammlung vielerModelle, diemit geringfügigmanipulierten Varianten des Trainingsdatensatzes kalibriert wurden) wirkt sich im allgemeinen positiv auf den Vorhersagefehler (RMSEP) aus. Diese Reduzierung des RMSEP wurde hier ermittelt und für verschiedenen Ansätze zur Ensemble-Generierung verglichen. Insgesamt betrachtet erwiesen sich die Methoden der konvexen Pseudodaten und des Baggings als die effektivsten Verfahren zur Ensemble-Generierung, da sie den Vorhersagefehler am deutlichsten verbesserten. Die konvexen Pseudodaten wurden erstmalig zur Erzeugung von Ensembles in der QSAR-Analyse eingesetzt; sie werden als neuer Standard zur Reduzierung des RMSEP bei QSAR-Problemen vorgeschlagen, die Regressionsmodelle auf Basis von latenten Variablen verwenden. Darüber hinaus bieten die Studien eine Abschätzung dermit Hilfe von Ensembles zu erzielenden Reduktion des Vorhersagefehlers bei typischen QSAR-Datensätzen. Virtuelles Screening. Beim virtuellen Screening handelt es sich um eine Technik zum Durchsuchen großer (virtueller)Molekülbibliotheken—oftmehrere Millionen Verbindungen — nach den aussichtsreichsten Wirkstoffkandidaten. Dies kann sowohl durch strukturbasierte als auch mit Hilfe ligandbasierter Verfahren geschehen. Es wurden umfangreiche Simulationen anhand sechs verschiedener Targets und einer Bibliothek von mehr als 90 000 Molekülen durchgeführt, um das Potential strukturbasierter (Docking mit FLEXX) und ligandbasierter (Ähnlichkeitssuchemitmehreren Referenzen) Verfahren zu vergleichen. Darüber hinauswurde durch Berechnung von Interaktionsfingerprints eineMöglichkeit geschaffen, die Information der beiden sonst getrennten Herangehensweisen zu kombinieren. Um den Einfluß des Klassifizierungsalgorithmus zu untersuchen, wurden verschiedene statistische Methoden zur Datenauswertung herangezogen. Als Bewertungskriterium für die Leistungsfähigkeit eines Verfahrens diente jeweils die Anzahl der wiedergefundenen aktiven Moleküle in der simulierten Screeningdatenbank. Die Resultate führen zu dem Schluß, daß ligandbasierte Verfahren, die einfacher einzusetzen sind aber mehr a-priori -Information benötigen, dem strukturbasierten virtuellen Screening hinsichtlich der Datenbankanreicherung überlegen sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, wie nutzbringend die Zusammenführung von strukturbasierter Information und solcher über das Interaktionsmuster bekanntermaßen aktiver Verbindungen für die Erhöhung der Wiederfindungsrate ist. Bei der Datenanalyse stellte sich heraus, daß im Mittel bestimmte statistische Methoden (minimale euklidische Distanz ED/Min bzw. Tanimoto-Ähnlichkeit der Integer-Fingerprints Int/Min) zu bevorzugen sind. Kovalentes Docking von Cathepsin-Inhibitoren. Die Cysteinproteasen Cathepsin B und L sind interessante pharmakologische Targets. Geeignete Inhibitoren stammen u. a. aus der Strukturklasse der Aziridine. Ein nukleophiler Angriff des Cysteinrests des Enzyms auf den elektrophilen Aziridinring führt hier zur Ausbildung einer kovalenten Ligand-Rezeptor-Bindung. Praktisch alle erhältlichen Dockingprogramme konzentrieren sich jedoch auf nicht-kovalente Ligand-Rezeptor-Interaktionen und lassen kein uneingeschränktes kovalentes Docking zu. Daher wurde für FLEXX ein Dockingprotokoll entworfen, das den entscheidenden nicht-kovalenten Zustand vor Ausbildung der kovalenten Bindung simulieren kann. Auf dieseWeise konnte untersucht werden, ob sich die Reaktionszentren von Ligand und Enzym ausreichend nahe für die Ausbildung einer kovalenten Bindung kommen. Der vorgestellte Ansatz läßt sich leicht auf andere kovalente Ligand-Rezeptor- Systeme übertragen und bietet somit eine breite Anwendbarkeit. Weiterhin wurde die Parametrisierung der in FLEXX vorgesehenen Interaktionsgeometrien an die strukturellen Eigenheiten der zu dockenden Aziridide angepaßt. Diese weisen nämlich formal eine Amidbindung auf, deren geometrische und elektronische Eigenschaften jedoch deutlich von den Werten eines typischen Amids abweichen. Die Ergebnisse der Dockingstudien liefern wertvolle Einblicke für das Verständnis der Selektivität der untersuchten Liganden bezüglich Cathepsin B beziehungsweise L. Umgekehrt erbringt die gute Übereinstimmung der FLEXX-Resultate mit den experimentell bestimmten Inhibitionskonstanten den Nachweis für die Validität des verwendeten Dockingprotokolls. / This thesis describes methods for solving important application-oriented aspects of structure-based and ligand-based in silico drug design. The proposed algorithms are compared to well established techniques. The focus is particularly on the development and benchmarking of different chemometric techniques. In the following, the approaches and results within the different project areas are summarised. Outlier Identification. The inspection of QSAR datasets in order to identify prediction outliers is often omitted in practice. However, it is clear that no QSAR model is applicable to every conceivable chemical compound. Since QSAR models represent empirical mathematical models, these are only valid within the data space spanned by the training data. Hence, every model is restricted to certain borders beyond which a reliable prediction is impossible. The method ODD developed in this work can be used to determine these borders and thus to identify outliers. Those are objects outside the data space spanned by the training data (i.e. the applicability domain of the model). The aim of the method is to detect outliers solely based on the predictor variables (X data). Moreover, the method must be capable to handle high-dimensional datasetswithminimal user interference (e.g. setting of cut-offs). Furthermore, the ability to identify inliers would be preferable. The computational speed should be high enough to apply the method to virtual screening. The developed technique had to prove that it provides a reduction of the model’s error of prediction if extreme outliers are present. At the same time, it should leave non-critical datasets unaffected. ODD is based on the evaluation of the Euclidean distance of a test object towards its nearest neighbouring training object. The cut-off for deeming an object as outlier is calculated from the distribution of the nearest neighbour distances of the training set. This intrinsic value leads to the desired independence from data dimensionality and, above all, to an automatic adjustment of the cut-off to the characteristics of the calibration dataset without any user intervention. The validation shows that ODD reliably identifies extreme outliers. On the other hand, it offers a low rate of false positives compared to other common techniques for outlier identification. Ensemble Techniques. In a benchmark study, the impact of different ensemble techniques on the prediction error was investigated. For this purpose, comprehensive simulations on several real QSAR datasets were carried out. The application of ensembles (i.e. a collection of many models trained with sligthly perturbed versions of the training set) usually lowers the error of prediction (RMSEP). The RMSEP reduction was determined and compared for different approaches of ensemble generation. Overall, the methods of convex pseudo data and bagging proved to be the most efficient ways for ensemble generation (i.e. they resulted in the largest reduction of the prediction error). Convex pseudo data, which were applied toQSAR data sets for the first time as ensemble technique, are proposed as the new standard for lowering RMSEP in QSAR problems using latent variable regression models. Furthermore, the effect size of ensemble averaging was quantified for typical QSAR data sets. Virtual Screening. Virtual screening is a technique to screen large (virtual) molecular databases — often several million compounds — for the most promising drug candidates. This can be done by structure-based as well as by ligand-based approaches. Comprehensive computations on six different targets and a library of more than 90 000 compounds were carried out to compare the potential of structure-based techniques (docking with FLEXX) and ligand-based techniques (similarity searching with multiple queries). In addition to that, interaction fingerprints were computed in order to combine the information of the otherwise distinct approaches. Several statistical methods were applied for data analysis to investigate the impact of the machine learning algorithm. Figure of merit for each approach was the number of active compounds retrieved from the assembled screening database with known actives. The results lead to the following conclusions: Ligand-based approaches, which are simpler to use but require more a priori information, turned out to be superior to structure-based virtual screening techniques in terms of database enrichment. In addition, it could be shown that combination of structure-based information with information of the interaction pattern of known actives is beneficial for increasing retrieval rates. Data analysis revealed that certain statistical methods (minimum Euclidean distance ED/Min, and Tanimoto similarity of integer fingerprints Int/Min, respectively) are on average to be preferred. Covalent Docking of Cathepsin Inhibitors. Cysteine proteases Cathepsin B and L are interesting pharmacological targets. Suitable inhibitors, amongst others, come from the structural class of aziridines. A nucleophilic attack of the enzyme’s active site cysteine moiety on the electrophilic aziridine ring leads to formation of a covalent bond between ligand and receptor. However, virtually all available docking programs concentrate on noncovalent ligand-receptor interactions and do not provide sophisticated, unrestricted covalent docking. Thus, a docking protocol for FLEXX was designed which is able to represent the essential non-covalent state before formation of the covalent bond. That way, it could be studied whether or not the reaction centres of both ligand and receptor adopt a position close enough to each other to actually form the covalent bond. The approach presented here can easily be transferred to other covalent ligand-receptor systems and therefore provides a broad applicability. Furthermore, the parametrisation of the FLEXX interaction geometries was adapted to account for the special structural features of aziridides. Those show a formal amide bond, but its geometric and electronic properties differ noticeably from a typical amide. The results of the docking studies provide valuable insights for understanding the Cathepsin B/L selectivity of the ligands under scrutiny. Vice versa, the good correspondence of the FLEXX results and the inhibition constants obtained experimentally provide evidence for the validity of the applied docking protocol.

Die STATs (signal transducers and activators of transcription) sind eine Familie latent zytoplasmatischer Transkriptionsfaktoren, die Signale von der Zellmembran in den Zellkern weiterleiten. Ein Mitglied der Proteinfamilie, STAT3, ist aufgrund übermäßiger Tyrosinkinase-Aktivität in einer breiten Vielzahl von Krebszelllinien und menschlichen Tumoren konstitutiv-aktiv. Um kleine organische Moleküle zu identifizieren, die die Funktion der SH2-Domäne von STAT3 blockieren und dadurch die Aktivität und die Dimerisierung des Proteins inhibieren, wurde ein Hochdurchsatz-Verfahren entwickelt, welches auf Fluoreszenzpolarisation beruht. Das Prinzip dieses Verfahrens war die Bindung eines Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptids, welches von gp130, einer Untereinheit des Interleukin-6-Rezeptors, abgeleitet war, an nicht phosphoryliertes STAT3-Protein. Der Kd Wert dieser Bindung betrug 150 nM und der Assay war stabil im Hinblick auf die Salzkonzentration, der Konzentration an Dimethylsulfoxid und der Zeit. Der Assay wurde auf ein 384-Lochplattenformat angepasst und wies einen Z’-Wert von 0,87 auf. Das Fluorscein-markierte Phosphotyrosin-Peptid band spezifisch an die SH2-Domäne von STAT3 und die Bindung konnte durch Phosphotyrosin-Peptide unterschiedlich stark inhibiert werden. Die Hochdurchsatz-Analyse mehrerer Substanzbibliotheken führte schließlich zur Identifikation eines spezifischen STAT3-Inhibitors, Stattic (STAT three inhibitory compound). Stattic ist das erste nicht-peptidische kleine Molekül, welches selektiv die Funktion der STAT3-SH2-Domäne beeinträchtigte. Dabei spielte der Aktivierungszustand von STAT3 in vitro keine Rolle. Die gleichzeitige Inkubation mit Stattic führte im Fluoreszenzpolarisations-Assay zur Inhibition der Bindung des Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptids an die SH2-Domäne von STAT3. Diese antagonistische Reaktion stellte sich als stark temperaturabhängig heraus und hatte in vitro bei der physiologisch relevanten Temperatur von 37°C nach 60 Minuten einen IC50 Wert von 5,1 µM. Zusammen mit einer Abhängigkeit von der Zeit wiesen die Ergebnisse auf eine irreversibel ablaufende Reaktion unter Knüpfung einer kovalenten Bindung zwischen Stattic und STAT3 hin. Die Inhibition war spezifisch gegenüber der Bindung verschiedener Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptide an die jeweiligen Proteine STAT1, STAT5b und Lck und Stattic hatte ebenfalls nur einen sehr geringen Effekt auf die Proteindimerisierung von c-Myc/Max und Jun/Jun. Die genauere Betrachtung der Kinetik der antagonistischen Reaktion zeigte eine signifikante Verlangsamung der Reaktionsgeschwindigkeit beim Vergleich zwischen STAT3 und STAT1 bzw. STAT3 und STAT5b. Die Inhibierung der Bindung des entsprechenden Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptids an das Protein Lck durch Stattic war hingegen nicht zeitabhängig. Diese Versuche zeigten eine deutliche Präferenz der Bindung von Stattic an das Protein STAT3. Die Verdrängung des Fluorescein-markierten Phosphoytrosin-Peptids von der STAT3-SH2-Domäne durch Stattic verlief kompetitiv zur Inhibition mit einem Phophotyrosin-Peptid, welches an die SH2-Domäne von STAT3 bindet. In Verbindung mit den vorherigen Experimenten wies dies auf eine kovalente Bindung von Stattic innerhalb des STAT3-Proteins hin. Eine abschließende Struktur-Wirkungs-Beziehung in vitro zeigte die Notwendigkeit sowohl von der Nitrogruppe als auch von der Doppelbindung der Vinylsulfongruppe in Stattic für die Bindung an STAT3 und untermauerte die These, dass Stattic kovalent innerhalb des STAT3-Proteins bindet. In zellbiologischen Systemen wurde die Wirksamkeit von Stattic anhand verschiedener molekularbiologischer Assays bestätigt. Stattic inhibierte selektiv die Tyrosinphosphorylierung von STAT3 in HepG2 Zellen, in NIH3T3/v-Src Zellen und in den Brustkrebszelllinien MDA-MB-231 und MDA-MB-435S. Aber auch bereits phosphorylierte STAT3-Proteine wurden durch Stattic in vitro an der Homodimerisierung gehindert, was in einer EMSA-Analyse gezeigt wurde. Somit inhibierte Stattic in vitro selektiv die Signalkette von STAT3 unabhängig von dessen Aktivierungszustand. Andere Signalketten oder die Funktion der in der Signalkette über STAT3 liegenden Tyrosinkinasen wurden in Zellen nicht beeinflusst. Im Folgenden konnte demonstriert werden, dass Stattic als direkter STAT3-Inhibitor dessen Lokalisierung in den Zellkern inhibierte, nicht jedoch die Lokalisierung des Gegenspielers STAT1. Weiterhin reduzierte der Einsatz von Stattic selektiv das von v-Src in NIH3T3 Zellen induzierte und von STAT3-abhängige Wachstum von Kolonien in Weichagar. Dass Stattic schließlich selektiv die Apoptoserate in Zellen mit konstitutiver STAT3-Aktivtät erhöhte, bestätigte die bisherigen Daten. Mit Stattic konnte daher ein neues biologisches Werkzeug generiert werden, um selektiv STAT3 in Zelllinien oder Tumoren in Tiermodellen auszuschalten, die eine konstitutive STAT3-Aktivität aufweisen. / Signal Transducers and Activators of Transcription (STATs) are a family of latent cytoplasmic transcription factors which signals from the cell membrane to the nucleus. One member of the protein family, STAT3, is constitutively activated by aberrant upstream tyrosine kinase activities in a broad spectrum of cancer cell lines and human tumors. A high-throughput assay based on fluorescence polarization was developed to identify small organic molecules blocking the function of the STAT3 SH2 domain and thereby inhibiting STAT3 activity and dimerization. The principle of the assay was the binding of a fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptide derived from the interleukin-6 receptor subunit gp130 to unphosphorylated STAT3 with a Kd of 150 nM. The assay was stable with regard to salt concentration, dimethyl sulfoxide concentration, and time. It has been adapted to a 384-well format, with a Z’ value of 0.87. The fluorecein-labeled phosphotyrosine-peptide bound specifically to the STAT3 SH2 domain and this binding could be inhibited by different phosphotyrosine-peptides with varying activities. The high-throughput screening of a number of compound libraries finally lead to the identification of a specific STAT3 inhibitor, dubbed Stattic (STAT three inhibitory compound). Stattic is depicted as the first non-peptidic small molecule having an selective impact on the function of the STAT3 SH2 domain. Thereby the activation state of STAT3 was irrelevant in vitro. Simultaneous incubation with Stattic inhibited the binding of the fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptide to the SH2 domain of STAT3 in the fluorescence polarization assay. This antagonistic reaction turned out to be strongly temperature-dependent and showed an IC50 of 5.1 µM in vitro at the physiological relevant temperature of 37°C after 60 minutes incubation. With regard to an time-dependency these results suggested an irreversible reaction with the formation of a covalent bond between Stattic and STAT3. The inhibitory reaction was specific over the binding of different fluorescein-labeled phosphotyrosin-peptides to the particular proteins STAT1, STAT5b and Lck, and Stattic also only marginally inhibited the protein dimerization of c-Myc/Max or Jun/Jun. A closer look on the kinetics of the reaction revealed a significant slowdown of the reaction speed comparing STAT3 to STAT1 or STAT3 to STAT5b. Stattic inhibited the binding of the corresponding fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptides to Lck in a time-independent way altogether showing a clear preference of Stattic binding to STAT3. The displacement of the fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptide from the STAT3 SH2 domain through Stattic was competitive to a phosphotyrosine-peptide binding to the SH2 domain of STAT3. With regard to other results, this result indicated Stattic covalently binding to STAT3. A structure-activity relationship in vitro showed the nitro moiety and the double bond within the vinylsulfone moiety of stattic being important for binding to STAT3. This confirmed the indication that Stattic covalently binds to STAT3 domain. The effectiveness of Stattic in cellular systems was proven by different molecular biological assays. Stattic selectively inhibited the tyrosine phosphorylation in HepG2 cells, in NIH3T3/v-src cells as well as in the breast cancer cell lines MDA-MB-231 and MDA-MB-435S. But also STAT3 proteins which already were phosphorylated could not dimerize after incubation with stattic in vitro which was shown with an EMSA analysis. Therby Stattic also inhibited STAT3 signaling in vitro regardless of STAT3 phosphorylation. Other signalling pathways or function of upstream tyrosinkinases in cells were not inhibited at the same time. It could be demonstrated that the direct STAT3 inhibitor Stattic specifically inhibited nuclear localization of STAT3, but not of its counterpart STAT1. Stattic reduced v-src induced STAT3 dependent colony growth of NIH3T3 cells in soft agar. The results were confirmed by Stattic selectively increasing the apoptotic rate in cell lines having constitutively active STAT3. In summary Stattic turned out to be a novel biological tool to selectively inhibit STAT3 in cell lines or tumor animal models which show constitutive active STAT3.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung, Validierung und erfolgreiche Anwendung der interpretierbaren 4D-QSAR Methodik xMaP. Die neue Methode benötigt weder die Auswahl des vermuteten bioaktiven Konformers noch eine Überlagerung der Moleküle im Raum, sie ist also alignment-frei. xMaP ist invariant gegenüber Rotation, Translation und kodiert die Flexibilität der Moleküle. Dadurch wird der Einfluss durch den Benutzer praktisch ausgeschaltet. / This thesis describes the development, validation and successful application of the interpretable 4D-QSAR technique xMaP. The novel method does neither rely on the selection of a presumed bioactive conformer nor on a spatial superimposition of the molecules which means that it is so-called alignment-free. Put differently, xMaP is invariant to rotation and translation and encodes the flexibility of the molecules under scrutiny. By combining these features a possible user bias is almost completely eliminated.

Stachys officinalis galt von der Antike bis zur frühen Neuzeit als wichtiges Phy-topharmakon. Zu den bedeutendsten Indikationen zählen die Anwendung bei Er-krankungen der Atemwege, des Gastrointestinaltrakts, der Harnwege und der Ein-satz als Analgetikum bei Schmerzen verschiedenster Art. Über den Zeitraum von fast 1800 Jahren zählte die Pflanze fest zum Arzneischatz. Erst Ende des 18. Jahrhunderts nahm ihre Bedeutung als Arzneimittel ab. Mit dem Beginn des 20. Jahrhundert verschwand sie fast vollständig aus der Phytotherapie. Heute wird sie nur noch selten im Bereich der homöopathischen Medizin oder volksheilkundlich eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird Stachys officinalis durch ihre 2000 jährige Ge-schichte als Arzneipflanze begleitet. Dabei werden die Indikationen verschiedener Quellen mit aktuellem pharmazeutischem Wissen verglichen und beurteilt. Durch diese Auswertung wird geklärt, ob die jeweiligen Indikationsnennungen pharma-zeutisch nachvollziehbar sind oder nicht. Als Vergleichsweke dienen Hagers En-zyklopädie der Arzneistoffe und Drogen´ und Dr. Duke´s Phytochemical and Ethnobotanical Databases´. , Die inhaltsstoffbezogenen Angaben dieser Wer-ke werden durch weitere aktuelle pharmazeutische Erkenntnisse über die phar-makologischen Eigenschaften der Pflanzeninhaltsstoffe von Stachys officinalis ergänzt. Auf Grundlage der zugeordneten Pflanzeninhaltsstoffe und ihrer individu-ellen Wirkungen wird die Plausibilität der Indikationsangaben der Quellen unter-sucht. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Indikationsnennungen von 34 Kräuterbü-chern, Lexika und anderer Quellen betrachtet. Dabei werden die vielfältigen Indi-kationsnennungen zu 142 normierten Indikationen zusammengefasst und ausge-wertet. Unter Berücksichtigung der Angaben beider oben genannter Vergleichs-werke erscheinen 59% der 142 normierten Indikationen für Stachys officinalis plausibel und sind mit der Anwesenheit definierter Pflanzeninhaltsstoffe zu erklä-ren. Es wird deutlich, dass viele Nennungen Erkrankungen des Gastrointestinaltraktes, der Atemwege und der Leber betreffen. Die analgetischen Indikationsangaben sind wenig einheitlich, betreffen aber häufig Schmerzen des Kopfes und des Be-wegungsapparats. Zusammengefasst haben die verschiedenen analgetischen Indikationsangaben allerdings einen bemerkenswert hohen Anteil von 11% an den insgesamt 801 Indikationsnennungen. Die vorliegende Arbeit gibt 13 Hauptindikationen für Stachys officinalis an. Diese sind mit Ausnahme der Indikationen Bei Milzerkrankungen´ und Bei Epilepsie´ durch die Wirkungen benannter Pflanzeninhaltsstoffe nachzuvollziehen und phar-mazeutisch plausibel. Es gelingt, aus der Fülle der Indikationsnennungen der his-torischen Quellen die meistgenannten belegbaren Anwendungen hervorzuheben. Die Untersuchung der Überlieferungsgeschichte macht deutlich, dass die antiken Autoren, wie zum Beispiel Dioskurides und Plinius, einen großen Einfluss auf die Indikationsangaben von Stachys officinalis haben. Viele spätere Werke orientieren sich an diesen antiken Quellen und nehmen deren Indikationsangaben auf. Ab dem 18. Jahrhundert nimmt der Umfang der Beschreibungen von Stachys officina-lis und ihre Bedeutung als Phytopharmakon deutlich ab. Auf Grund der hohen Plausibilität der 13 Hauptindikationen sowie der analgeti-schen Anwendungen scheint es nicht gerechtfertigt, dass Stachys officinalis voll-ständig aus dem Arzneischatz verschwunden ist. / Stachys officinalis was from antiquity to the early modern period an important phy-topharmacon. The most important indications for its use are respiratory diseases, diseases of the gastrointestinal and the urinary tract and its use as an analgesic for pain of various kinds. Over a period of almost 1800 years the plant belonged to the medicinal treasure trove. At the end of the 18th Century its importance as a drug started to decrease. With the beginning of the 20th Century it disappeared almost completely from the phytotherapie. Today it is only rarely used in the field of homeopathic medicine or as traditional medicin. In the present work Stachys officinalis is accompanied through its 2000 years of history as a medicinal plant. The indications from various sources of ancient litera-ture are compared and evaluated with current pharmaceutical knowledge. Based on this evaluation the relevanz of pharmaceutical indications is analyzed. As benchmark for comparison purposes serve Hagers Enzyklopädie der Drogen und Arzneistoffe´ and Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases´. , The ingredients related informations of these works are further complemented by current pharmaceutical knowledge about the pharmacological properties of the plant or substances from Stachys officinalis. On the basis of the associated plant substances and their individual effects, the plausibility of the indications of the source data is analysed. In this study, the indications of 34 herbal books, encyclopedias and other sources are considered. As a result the diverse information are clustered into 142 indica-tions. The standardized indications are analyzed and evaluated. Considering the informations of the two benchmark woks, 59% of the 142 standardized indications for Stachys officinalis appear plausible and can be explained by the presence of plant compounds. A result is, that many entries concern the gastrointestinal illnesses, the respiratory tract and the liver. The analgesic indications show little uniformity but often apply to the head pain and musculoskeletal disorders. In summary the analgesic indica-tions have a remarkably high percentage of 11% of the total of 801 responses. The present work names 13 main indications for Stachys officinalis. These are, except for spleen diseases´ and Epilepsy´, to a certain extend backed up by the effects of plant compounds and pharmaceutically plausible. It is possible to sepa-rate verifiable results from the plethora of historical sources. The study of the historical tradition makes clear, that the ancient authors, such as Dioscorides and Pliny, have a major influence on the indication information from Stachys officinalis. Many later works are based on these ancient sources referring to indication information. From the 18th Century Stachys officinalis becomes less important as plant and phytopharmacon. Due to the high plausibility of the 13 main indications as well as its use as analge-sic, it does not seem justified that Stachys officinalis has disappeared completely from the pharmacopoeia.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese, Charakterisierung und Untersuchung von Foldameren und ihren Untereinheiten im Rahmen des FOLDAPPI-Projekts (Foldamers against Protein-Protein Interaction). Des Weiteren wurden neuartig substituierte Chinoline dargestellt, um sie im Rahmen des SFB 630 auf ihre Hemmwirkung gegen Leishmanien und Trypanosomen zu untersuchen. Im ersten Projekt wurde ein neuartiges Monomer entwickelt, welches die Wasserlöslichkeit der Foldamere verbessern sollte. Zu diesem Zweck wurde eine zusätzliche, hoch polare Seitenkette in den Chinolingrundkörper eingeführt. Dieses modifizierte Monomer konnte erfolgreich synthetisiert werden. Um die Verbesserung der Wasserlöslichkeit gegenüber dem zuvor verwendeten Monomer zu testen, wurde erfolgreich ein Tetramer daraus aufgebaut. Das entschützte Tetramer konnte jedoch aufgrund seiner hohen Polarität nicht ausreichend gereinigt werden, um die abschließenden Löslichkeitsuntersuchungen durchzuführen. Um dieses Problem zu umgehen, wurde von der Umsetzung in Lösung auf Reaktionen an der Festphase gewechselt, was die Reinigung der Produkte wesentlich erleichtern sollte. Dabei wurde eine vom Arbeitskreis von I. Huc neu entwickelte mikrowellengestützte Methode verwendet. Das Referenzmolekül mit den bisher verwendeten Seitenketten konnte so ohne Probleme synthetisiert und seine Löslichkeit in Wasser bestimmt werden. Beim neu entwickelten Monomer kam es allerdings beim Aufbau des Tetrameres zu einer Zersetzungsreaktion, weshalb das abschließende Ziel nicht erreicht werden konnte. Im zweiten Projekt wurden zwei Ziele angestrebt: Zunächst sollte ein Weg gefunden werden, die Einführung der Seitenketten an den Chinolinen erst an der festen Phase vorzunehmen, wodurch viele Syntheseschritte bei der Vorbereitung der Monomere gespart werden könnten. Zusätzlich sollte eine neue Kupplungsreaktion entwickelt werden, wodurch der Entschützungsschritt des zu kuppelnden Amins an der Festphase eingespart werden kann. Dadurch würde vor allem bei großen Foldameren das Harz geschont und die Gefahr einer Degenerierung wesentlich verringert. Für die Kupplungsreaktion vorgesehen war ein azidfunktionalisiertes Monomer, das mittels Staudinger-Reaktion verknüpft werden sollte. Das entsprechende Monomer konnte erfolgreich synthetisiert werden. Auch das erste Ziel, die Einführung der Seitenkette an der Festphase, konnte erfolgreich durchgeführt werden. Leider war die Verwirklichung beider Ziele über die gleiche Syntheseroute nicht ohne weiteres möglich. Da das Monomer ohne die Seitenkette deutlich hydrophiler wurde, wäre eine Trocknungsmethode bei erhöhter Temperatur von Vorteil gewesen, um gebundenes Wasser vollständig zu entfernen. Da das Monomer allerdings auch eine Azidfunktion trägt und sich bei 130 °C explosionsartig zersetzt, war dies nicht möglich. Allerdings genügen bereits geringe Spuren von Feuchtigkeit, um die Staudinger-Reaktion zu beeinträchtigten. Deshalb konnte das zweite Projektziel nicht verwirklicht werden. Im dritten Projekt wurde die Herstellung einer großen Foldamer-Bibliothek für die Untersuchung der Bindungsaffinität gegenüber IL-4 angestrebt. Sie sollte aus 48 Hexameren bestehen, wobei an drei Monomeren die Seitenketten variiert werden sollten, um ein breites Spektum an verschiedenen Kombinationen von Wechselwirkungen abzudecken. Dazu wurden zunächst vier verschiedene Monomere synthetisiert, welche eine aromatisch, eine unpolare, eine anionische bzw. eine kationische Seitenkette enthielten. Für die Kupplung der Foldamere wurde eine an die Synthese von Aminosäuresequenzen angelehnte Methode entwickelt und erfolgreich angewandt. So konnten alle 48 Foldamere erfolgreich synthetisiert und 46 von ihnen in ausreichenden Mengen für die Untersuchung an IL-4 gereinigt werden. Leider liegen für diese Bibliothek bisher keine abschließenden Ergebnisse über die Inhibitionseigenschaften gegenüber IL-4 vor. Strukturell sehr ähnliche Foldamere zeigten jedoch in ersten Experimenten eine Inhibition von IL-4 was eine Wirksamkeit der neu erstellten Bibliothek vermuten lässt. Das vierte Projekt wurde im Rahmen des SFB 630 durchgeführt. Hierzu wurden einige der ursprünglich für andere Projekte hergestellten Foldamere ausgewählt, teilweise entschützt bzw. an der Nitrogruppe reduziert und anschließend auf Ihre Aktivität gegen Leishmanien und Trypanosomen getestet. Es zeigte sich, dass das verwendete Substitutionsmuster, in den gestesteten Konzentrationen nicht gegen Leishmanien und Trypanosomen wirksam ist. Es eignet sich also nicht für die Erstellung einer neuen Leitstruktur gegen diese beiden Erreger. Allerdings trat im untersuchten Konzentrationsbereich auch keine Zytotoxizität auf, was eine interessante Information für die Verwendung der Foldamere und ihrer Bausteine in biologischen Systemen darstellt. / The present work deals with the synthesis, characterization and testing of foldamers and their sub-units within the FOLDAPPI-project (foldamer against protein-protein interaction). Furthermore, novel substituted quinolines were constructed to be tested in the SFB 630 for their inhibitory activity against Leishmania and Trypanosoma. Within the first project, a novel monomer was developed, in order to improve the water-solubility of the foldamers. For this purpose, an additional, highly polar side chain was introduced into the quinoline core-structure. This modified monomer was successfully synthesized. To test the improvement in water solubility compared to the previously used monomers, a tetramer was successfully constructed. However, the deprotected tetramer could not be sufficiently purified due to its high polarity; thus the final solubility studies could not be performed. In order to avoid this problem, the reaction-path was changed from reactions in solution to the solid phase, which should facilitate the purification of the products significantly. Here, a newly developed (group of I. Huc) microwave-assisted method was used. The reference molecule having the previously used side chains was synthesized without any problems and its solubility in water could be determined. The newly developed monomer, however, shows a decomposition reaction when forming the tetramere. Hence the final goal could not be achieved. In the second project, two objectives were pursued: first, it was aimed to find a method to introduce the side chains of the quinolines on solid phase, which could save many synthetic steps in the preparation of the monomers. Additionally, a new coupling reaction should be developed in order to save the deprotection-step of the amine at the coupling on solid phase. As a result, especially for large foldamers, this would substantially reduce the risk of degeneration of the resin. For this coupling-reaction the azid-funtionalized monomer should be linked via a Staudingerreaction. The corresponding monomer was successfully synthesized. Also the first goal, the introduction of the side chain on the solid phase was successfully performed. Unfortunately, the achievement of both goals on the same synthetic route was not readily available. The monomer having no side chain is much more hydrophilic, a method of drying at an elevated temperature would be beneficial, in order to remove bound water. However, since the monomer also carries an azide, it would explosively decomposes at 130 °C, so this was not possible. However, even small traces of moisture would affect the Staudinger-Reaction. Therefore, the second objective of the project could not be realized. In the third project, the preparation of a large foldamer library, for analysis of the binding affinity for IL-4 was performed. It should consist of 48 hexamers, wherein three monomers on the side chains should be varied to accommodate a wide variety of interactions. For this purpose, four different monomers were synthesized, which contained an aromatic, a polar, an anionic or a cationic sidechain. Similar to the synthesis of amino acid sequences a method has been developed and successfully applied for the coupling of the foldamers. Thus all 48 foldamers were successfully synthesized and 46 of them could be purified in sufficient quantities for the study on IL-4. However, no results on the inhibitory properties compared to IL -4 were known currently. Since structurally very similar foldamers have shown inhibition of IL -4, the newly created library is likely to be active. The fourth project was carried out within the framework of the SFB 630. Therefore some of the foldamers originally produced for other projects were selected, partially deprotected or reduced at the nitro group and then tested for their activity against Leishmania and Trypanosoma. These compounds were not effective against Leishmania and Trypanosoma which might be due to the substitution pattern of the quinolines. However, in the investigated concentration range, no cytotoxicity occurred, which is an interesting piece of information for the use of foldamers and their components in biological systems.

Mammalian haloacid dehalogenase (HAD)-type phosphatases are an emerging family of enzymes with important functions in physiology and disease. HAD phosphatases can target diverse metabolites, lipids, DNA, and serine/threonine or tyrosine phosphorylated proteins with often high specificity (Seifried et al., 2013). These enzymes thus markedly enlarge the repertoire and substrate spectrum of mammalian phosphatases. However, the basis of HAD phosphatase substrate specificity is still elusive and a number of mammalian HAD phosphatases remain uncharacterized to date. This study characterizes the biochemical and structural properties of AUM (aspartate-based, ubiquitous, Mg2+-dependent phosphatase), a previously unexplored mammalian HAD phosphatase. In vitro phosphatase assays of purified, recombinant AUM showed phosphatase activity towards para-nitrophenyl phosphate and adenine and guanine nucleotide di- and triphosphates. Inhibitor studies indicated that similar to other HAD superfamily members, the AUM-catalyzed dephosphorylation reaction proceeds via a pentacovalent phosphoaspartate intermediate. In line with an aspartate-based catalytic mechanism, AUM was insensitive to inhibitors of serine/threonine phosphatases. The characterization of the purified recombinant murine enzyme also revealed that AUM exists in equilibrium between dimers and tetramers. AUM was identified as the closest, yet functionally distinct relative of chronophin, a pyridoxal 5’-phosphate and serine/threonine-directed phosphatase. Phylogenetic analyses showed that AUM and chronophin evolved via duplication of an ancestral gene at the origin of the vertebrates. In contrast to chronophin, AUM acts as a tyrosine-specific HAD-type phosphatase in vitro and in cells. To elucidate how AUM and chronophin achieve these distinct substrate preferences, comparative evolutionary analyses, biochemical approaches and structural analyses were combined. Swapping experiments of less homologous regions between AUM and chronophin were performed. The mutational analysis revealed residues important for AUM catalysis and specificity. A single differently conserved residue in the cap domain of AUM or chronophin is crucial for phosphatase specificity (AUML204, chronophinH182). The X-ray crystal structure of the AUM cap fused to the catalytic core of chronophin (CAC, PDB: 4BKM) was solved to 2.65 Å resolution. It presents the first crystal structure of the murine AUM capping domain. The detailed view of the catalytic clefts of AUM and chronophin reveals the structural basis of the divergent substrate specificities. These presented findings provide insights into the design principles of capped HAD phosphatases and show that their substrate specificity can be encoded by a small number of predictable residues. In addition, the catalytic properties of AUM were investigated, identifying a mechanism of reversible oxidation regulating the activity of AUM in vitro. AUM phosphatase activity is inhibited by oxidation and can be recovered by reduction. The underlying molecular mechanism was revealed by mutational analyses. The cysteines C35, C104 and C243, located in the AUM core domain, are responsible for the inhibition of AUM by oxidation. C293 mediates the redox-dependent tetramerization of AUM in vitro. Based on the chronophin and CAC structure, a direct impact of the oxidation of C35 on the nucleophile D34 is proposed. In addition, a redox-dependent disulfide bridge (C104, C243), connecting the core and cap domain of AUM may be important for an open/close-mechanism. This hypothesis is supported by CD spectroscopy experiments that demonstrate a structural change in AUM upon reduction. These data present the first evidence for the regulation of AUM catalysis by reversible oxidation. This finding is so far unique in the field of HAD phosphatases. In this context, the first cell-based AUM activity assay was developed. For this, the artificial substrate pNPP was combined with the reducing agent DTT to create a specific AUM activity readout. This fractionation-based assay is the first tool to differentiate between cell lines or tissues with different AUM concentrations or activities. Taken together, the presented biochemical characterization reveals the specificity determinants and catalytic properties of AUM. General insights into structural determinants of mammalian HAD phosphatase substrate recognition are provided and reversible oxidation as possible regulatory mechanism for AUM is proposed. These findings constitute a framework for further functional analyses to elucidate the biomedical importance of AUM. / Enzyme der Klasse der Haloazid Dehalogenase (HAD)-Typ Phosphatasen in Säugern sind an einer Vielzahl biologischer Prozesse mit unmittelbarer Relevanz für Erkrankungen beteiligt. Ihre Funktionen sind jedoch nach wie vor nur rudimentär verstanden. Es ist bekannt, das HAD Phosphatasen, unterschiedliche Metabolite, Lipide und DNA, sowie an Serin/Threonin- oder Tyrosinresten phosphorylierte Proteine spezifisch dephosphorylieren (Seifried et al., 2013). Der Mechanismus dieser Substratspezifität ist bislang weitgehend unerforscht und einige HAD Phosphatasen in Säugern sind nach wie vor nicht charakterisiert. Diese Arbeit beschreibt die biochemischen und strukturellen Eigenschaften von AUM (Aspartat-basierte, ubiquitäre, Mg2+-abhängige Phosphatase), eine der bisher uncharakterisierten HAD Phosphatasen. In vitro Phosphatase-Assays mit gereinigtem, rekombinantem AUM zeigten, dass AUM kleinmolekulare Substrate wie z. B das artifizielle Substrat para-Nitrophenylphosphat und Adenin- und Guaninnukleotid Di- und Triphosphate dephosphorylieren kann. Inhibitorstudien bestätigten den Asparat-basierten Mechanismus der Katalyse für AUM. Des Weiteren zeigte die Charakterisierung des gereinigten rekombinanten murinen Enzyms, dass AUM in Lösung in einem dynamischen Verhältnis von Dimeren und Tetrameren vorliegt. AUM wurde als nächster Verwandter der Pyridoxal 5`-Phosphat und Serin/Threonin-gerichteten Phosphatase Chronophin identifiziert. Phylogenetische Analysen zeigten, dass AUM und Chronophin durch Duplikation eines gemeinsamen Vorläufergens zu Beginn der Vertebraten-Evolution entstanden sind. Beide Enzyme sind jedoch funktionell unterschiedlich; im Unterschied zu Chronophin zeigt AUM in Zellen und in vitro eine Tyrosin-gerichtete Phosphatase-Aktivität. Um die Basis der unterschiedlichen Substratpräferenz von AUM und Chronophin aufzuklären, wurden in der vorliegenden Arbeit evolutionsbiologische Analysen, biochemische Versuche und Strukturanalysen kombiniert. Durch den Austausch von Regionen geringer Homologie in AUM und Chronophin und die Bestimmung der Substratpräferenz der so generierten Mutanten wurden Reste identifiziert die für die Katalyse und Spezifität von AUM ausschlaggebend sind. So ist ein unterschiedlich konservierter Rest in der Cap-Domäne von AUM oder Chronophin (AUML204, ChronophinH182) entscheidend für die Spezifität der Phosphatasen. Die Struktur des CAC-Fusionsproteins (Cap-Domäne von AUM fusioniert mit der Core-Domäne von Chronophin) wurde röntgenstrukturanalytisch charakterisiert. Die gelöste CAC Struktur (2.65 Å, PDB: 4BKM) stellt die erste Struktur einer murinen AUM Cap-Domäne dar. Die Detailansicht der katalytischen Zentren von AUM und Chronophin zeigt den molekularen Aufbau der Substratspezifität der beiden Phosphatasen. Diese Daten geben Einblicke in den prinzipiellen Aufbau von HAD Phosphatasen mit Cap-Domäne und belegen, dass die Substratspezifität durch eine kleine Anzahl an vorhersagbaren Resten definiert werden kann. Zusätzlich wurden die katalytischen Eigenschaften von AUM untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die AUM-Aktivität in vitro durch reversible Oxidation reguliert wird. Die Phosphataseaktivität wird durch Oxidation inhibiert und kann durch Reduktion wiederhergestellt bzw. gesteigert werden. Der zugrunde liegende molekulare Mechanismus wurde mittels Mutationsanalysen aufgeklärt. Die Cysteine C35, C104 und C243 sind für die durch Oxidation ausgelöste Inhibition von AUM verantwortlich. Die identifizierten Reste sind an, für die Katalyse wichtigen Positionen, der AUM Core-Domäne lokalisiert. Abgeleitet aus der Chronophin und CAC Struktur hat die Oxidation von C35 möglicherweise Einfluss auf die Eigenschaften des Nukleophils D34 und trägt so zur Inhibition der Phosphatasefunktion von AUM bei. Zusätzlich könnte eine Disulfidbrücke (C104, C243), welche die AUM Cap- und Core-Domäne verknüpft; für einen Redox-abhängingen open/close-Mechanismus des Enzyms verantwortlich sein. Diese Hypothese wird durch CD-spektroskopische Analysen gestützt mit welchen eine strukturelle Veränderung von AUM unter reduzierenden Bedingungen nachgewiesen wurde. Eine Redox-vermittelte Modulation der AUM Struktur könnte so zur Inhibition beitragen. Diese Daten sind ein erster Hinweis auf eine mögliche Regulation von AUM durch reversible Oxidation. Bis jetzt ist diese Beobachtung für HAD Phosphatasen einzigartig. In diesem Zusammenhang wurde auch der erste zellbasierte AUM-Aktivitäts-Assay entwickelt. Durch die Kombination des artifiziellen Substrats pNPP und des Reduktionsmittels DTT konnte spezifisch AUM Phosphatase-Aktivität in diversen Zelllysaten gemessen werden. Dieser Assay, basierend auf der säulenchromatografischen Fraktionierung von Zell- oder Gewebelysaten, macht es nun möglich, Zelllinien oder Gewebe mit unterschiedlichen AUM Konzentrationen oder mit unterschiedlichen AUM-Aktivitäten zu differenzieren. Die Substratspezifität von Enzymen sowie die Modulation von zellulären Prozessen durch Oxidation sind wichtige Bestandteile der Signaltransduktion. Durch die vorliegende biochemische Charakterisierung konnten die Determinanten der Spezifität und der katalytischen Eigenschaften der HAD-Typ Phosphatase AUM aufgeklärt werden. Des Weiteren wurde die reversible Oxidation von AUM als möglicher Mechanismus zur Regulation der Enzymaktivität identifiziert. Die präsentierten Daten können als Grundlage für zukünftige Arbeiten zur Aufklärung einer biomedizinischen Relevanz der Phosphatase AUM dienen.

Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert, täglich steigt die Zahl weiter an. Es liegt auf der Hand, dass die Forschung zur Bekämpfung der Replikation des Virus stetig weiter geführt werden muss. In dieser Arbeit wurden die Grundlagen für einen neuartigen HIV-Therapieansatz geschaffen. Dabei steht nicht die Hemmung von Replikations-essentiellen Enzymen wie Protease, Reverse Transkriptase oder Integrase im Vordergrund, sondern die Aufrechterhaltung des humanen retroviralen Schutzes. Durch Hemmung der vif–Elongin-C-Interaktion mit Elongin-C-Inhibitoren bleibt der Organismus in der Lage, sich mithilfe von APOBEC3G auf natürlichem Wege vor dem HI-Virus zu schützen, unabhängig von viralen Mutationen. Aufgrund der Tatsachen, dass die Kristallstruktur von Elongin-C und der Bindemodus von vif in der essentiellen Bindetasche des Proteins aufgeklärt sind, konnten durch Docking-Berechnungen in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christoph Sotriffer in-silico Substanzen bestimmt werden, die theoretisch mit hoher Affinität in die Bindetasche binden und so vif aus dieser verdrängen. Basierend auf diesen Docking-Studien wurden im Rahmen dieser Arbeit ca. 50 potentielle Inhibitoren synthetisiert und weitere 27 Substanzen kommerziell erworben. Diese wurden anschließend zum größten Teil in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Axel Rethwilm in einer zellulären Testvariante auf Hemmung des APOBEC3G-Abbaus getestet. Dabei erwies sich die Substanz A19 (FM329, Abb. 7.1) als sehr effektiv. Zur Bestätigung dieses Testergebnisses wurde A19 weiterhin in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Jochen Bodem auf Hemmung der Replikation der Viren untersucht. Auch hier hemmt A19 die Replikation des Virus bei einer Konzentration von 30 µM zu 100%. Da allerdings die Hemmung des Abbaus von APOBEC3G bzw. der Replikation des Virus kein Nachweis auf die tatsächliche postulierte Interaktion zwischen dem Inhibitor und der Bindetasche des Proteins ist, wurde im weiteren Verlauf versucht diese Interaktion nachzuweisen. Dazu wurde zunächst unter Anleitung von Mitarbeitern des Arbeitskreises von Prof. Dr. Caroline Kisker das Targetprotein exprimiert und isoliert. Damit konnten erste Versuche zur Bindungsaufklärung durchgeführt werden. Diese beliefen sich auf Mikrokalorimetrie-Experimente und Surface-Plasmon-Resonance Untersuchungen. Erste Indizien für eine Wechselwirkung zwischen dem Inhibitor und dem Protein konnten damit bereits ermittelt werden, ein eindeutig positives Ergebnis wurde allerdings noch nicht erzielt. / Worldwide, more than 34 million people are infected with the HI virus and this number is increasing more and more. Obviously, the scientific research needs to be continued to prevent the replication of this virus. This PhD thesis deals with the design of new therapeutics basics against HIV. In our case, the inhibition of essential enzymes like the HIV protease, reverse transcriptase or integrase do not play the main role. Our aim is the upkeep of the human retroviral protective mechanism. The inhibition of the interaction between vif and elongin C with elongin C inhibitors makes it possible for the human organism to defend itself from the virus by the assistance of APOBEC3G. Due to the knowledge about the crystal structure of elongin C and the binding mode of vif into the essential binding pocket of the protein, we were able to do in-silico calculations to identify compounds with potentially high affinities for the target binding pocket. Based on these docking calculations (done in the working group of Prof. Dr. Christoph Sotriffer), approximately 50 compounds were synthesized and further 27 were purchased. In the working group of Prof. Dr. Axel Rethwilm these substances were tested in a cell-mediated method for the inhibition of the reduction of APOBEC3G. One substance, in the following parts named A19, revealed as a very effective compound (see figure 8.1). ... ...

Die vorliegende Dissertation untersucht fünf unterschiedliche Moleküle hinsichtlich ihrer Geometrien im Grund- und angeregten Zustand sowie deren Dynamik nach elektronischer Anregung. Der Fokus liegt dabei unter anderem auf Pi-konjugierten Systemen, die über eine zusätzliche aliphatische Einheit verbrückt (Paracyclophan- Derivate) oder erweitert (Pyracen) sind. Die Paracyclophan-Derivate sind ein ideales Modellsystem um Einsicht in Pi-Pi-Wechselwirkungen zu erlangen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit beschreibt die Dynamik des resonanzstabilisierten 2-Methylallyl-Radikals. Die Forschung an solchen kleinen Kohlenwasserstoff-Radikalen ist wichtig, da auf deren Grundlage Modelle entwickelt werden können, die zum Beispiel helfen, den Verbrennungsprozess aufzuklären. Aufgrund ihrer Instabilität sind solche kleinen Kohlenwasserstoff-Radikale nicht einfach zu handhaben und das spektroskopische Vermessen stellt immer eine Herausforderung dar. / This dissertation examines five different molecules with respect to their geometries in the ground and excited states and their dynamics after electronic excitation. The focus is on pi-conjugated systems, bridged (paracyclophane derivatives) or Extended (pyracen) by an additional aliphatic moiety. Paracyclophanes are suitable models to study the interaction between pi-systems, in particular the through space coupling. Moreover, this work focuses on the excited-state dynamics of the B-state of 2-methylallyl (2MA) by time-resolved photoionization with a ps-laser. Research on resonantly stabilized small radicals such as allyl or methylallyl is not only conducted because of a fundamental interest in reaction dynamics, but also because such radicals can accumulate in a reactive environment and are observed in combustion. Studies on isolated radicals yield information on their reactions, which are important in kinetic modeling of combustion processes. For example, biodiesel often contains molecules with C=C double bonds (e.g. fatty acid esters). Abstraction of H-atoms leads to alkylated allyl radicals, because the C-H bonds at the allylic sites are particularly weak. Due to their instability, such small hydrocarbon radicals are not easy to handle and their spectroscopic measurement is always a challenge. An innovation in my research was the development of a high-temperature gas cell to transfer the molecules into the gas phase and to record IR-spectra (compatible with an FT-IR spectrometer), obtaining experimental information on the most stable conformer in the electronic ground state.