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

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