Thermodynamics of ligand (substrate end product) binding to endoxylanase from Chainia sp. (NCL-82-5-1): isothermal calorimetry and fluorescence titration studies

The binding of xylo-oligosaccharides to Chainia endoxylanase resulted in a decrease in fluorescence intensity of the enzyme with the formation of 1:1 complex. Equilibrium and thermodynamic parameters of ligand binding were determined by fluorescence titrations and titration calorimetry. The affinity of xylanase for the oligosaccharides increases in the order X-2 < X-3 < X-4 less than or equal to X-5. Contributions from the enthalpy towards the free energy change decreased with increasing chain length from X-2 to X-4, whereas an increase in entropy was observed, the change in enthalpy and entropy of binding being compensatory. The entropically driven binding process suggested that hydrophobic interactions as well as hydrogen bonds play a predominant role in ligand binding.

A potential role for isothermal calorimetry in studies of the effects of thermodynamic non-ideality in enzyme-catalyzed reactions

Attention is drawn to the feasibility of using isothermal calorimetry for the characterization of enzyme reactions under conditions bearing greater relevance to the crowded biological environment, where kinetic parameters are likely to differ significantly from those obtained by classical enzyme kinetic studies in dilute solution. An outline of the application of isothermal calorimetry to the determination of enzyme kinetic parameters is followed by considerations of the nature and consequences of crowding effects in enzyme catalysis. Some of those effects of thermodynamic non-ideality are then illustrated by means of experimental results from calorimetric studies of the effect of molecular crowding on the kinetics of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase. This review concludes with a discussion of the potential of isothermal calorimetry for the experimental determination of kinetic parameters for enzymes either in biological environments or at least in media that should provide reasonable approximations of the crowded conditions encountered in vivo. Copyright (C) 2004 John Wiley Sons, Ltd.

Application and use of isothermal calorimetry in pharmaceutical development

There are many steps involved in developing a drug candidate into a formulated medicine and many involve analysis of chemical interaction or physical change. Calorimetry is particularly suited to such analyses as it offers the capacity to observe and quantify both chemical and physical changes in virtually any sample. Differential scanning calorimetry (DSC) is ubiquitous in pharmaceutical development, but the related technique of isothermal calorimetry (IC) is complementary and can be used to investigate a range of processes not amenable to analysis by DSC. Typically, IC is used for longer-term stability indicating or excipient compatibility assays because both the temperature and relative humidity (RH) in the sample ampoule can be controlled. However, instrument design and configuration, such as titration, gas perfusion or ampoule-breaking (solution) calorimetry, allow quantification of more specific values, such as binding enthalpies, heats of solution and quantification of amorphous content. As ever, instrument selection, experiment design and sample preparation are critical to ensuring the relevance of any data recorded. This article reviews the use of isothermal, titration, gas-perfusion and solution calorimetry in the context of pharmaceutical development, with a focus on instrument and experimental design factors, highlighted with examples from the recent literature. © 2011 Elsevier B.V.

Interaction of CdSe and ZnO nanocrystals with electron-donor and -acceptor molecules

Interaction of CdSe and ZnO nanocrystals with electron-donating tetrathiafulvalene (TTF) and electron-withdrawing tetracyanoethylene (TCNE) has been investigated. Isothermal calorimetry shows CdSe nanocrystals interact more strongly with TCNE than TTF. Interaction of larger CdSe nanocrystals with TCNE causes a red-shift in the band-edge emission because of agglomeration, while the smaller CdSe nanocrystals, exhibiting stronger interaction with TCNE modify the optical gap of the nanocrystal. Luminescence of CdSe gets quenched sharply after addition of both TTF and TCNE. ZnO nanocrystals also exhibit luminescence quenching to lesser extent. Defect-emission of ZnO nanocrystals gets red or blue-shifted after interaction with TTF or TCNE respectively. (C) 2012 Elsevier B. V. All rights reserved.

Effects of ytterbium ion on the growth, metabolism and membrane fluidity of Tetrahymena thermophila

Power-time curves and metabolic properties of Tetrahymena thermophila BF5 exposed to different Yb3+ stop levels were studied by ampoule method of isothermal calorimetry at 28 degrees C. Metabolic rate (r) decreased significantly while peak time (PT) increased with the increase of Yb3+ stop. These results were mainly due to the inhibition of cell growth, which corresponded to the decrease of cell number obtained by cell counting. Compared with cell counting, calorimetry was sensible, easy to use and convenient for monitoring the toxic effects of Yb3+ stop on cells and freshwater ecosystem. It was also found that cell membrane fluidity decreased significantly under the effects of Yb3+ stop, which indicated that Yb3+ could be membrane active molecules with its effect on cell membranes as fundamental aspect of its toxicity.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Physiological and structural aspects of fruit and vegetable mild processing

Over the past years fruit and vegetable industry has become interested in the application of both osmotic dehydration and vacuum impregnation as mild technologies because of their low temperature and energy requirements. Osmotic dehydration is a partial dewatering process by immersion of cellular tissue in hypertonic solution. The diffusion of water from the vegetable tissue to the solution is usually accompanied by the simultaneous solutes counter-diffusion into the tissue. Vacuum impregnation is a unit operation in which porous products are immersed in a solution and subjected to a two-steps pressure change. The first step (vacuum increase) consists of the reduction of the pressure in a solid-liquid system and the gas in the product pores is expanded, partially flowing out. When the atmospheric pressure is restored (second step), the residual gas in the pores compresses and the external liquid flows into the pores. This unit operation allows introducing specific solutes in the tissue, e.g. antioxidants, pH regulators, preservatives, cryoprotectancts. Fruit and vegetable interact dynamically with the environment and the present study attempts to enhance our understanding on the structural, physico-chemical and metabolic changes of plant tissues upon the application of technological processes (osmotic dehydration and vacuum impregnation), by following a multianalytical approach. Macro (low-frequency nuclear magnetic resonance), micro (light microscopy) and ultrastructural (transmission electron microscopy) measurements combined with textural and differential scanning calorimetry analysis allowed evaluating the effects of individual osmotic dehydration or vacuum impregnation processes on (i) the interaction between air and liquid in real plant tissues, (ii) the plant tissue water state and (iii) the cell compartments. Isothermal calorimetry, respiration and photosynthesis determinations led to investigate the metabolic changes upon the application of osmotic dehydration or vacuum impregnation. The proposed multianalytical approach should enable both better designs of processing technologies and estimations of their effects on tissue.

Synthese und Testung potentieller Elongin-C-Antagonisten als neuartige HIV-Therapeutika

Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert. Da die Behandlung mit der HAART-Therapie aufgrund der hohen Mutationsrate des Virus oft fehlschlägt, ist die stetige Forschung an neuen, verbesserten Wirkstoffen zwingend nötig. Mit einem neuartigen Therapieansatz, der die Aufrechterhaltung des menschlichen antiretroviralen Schutz-mechanismus durch Hemmung des APOBEC3G-Abbaus zum Ziel hat, existiert eine neue Möglichkeit zur Bekämpfung der Infektion. Im Gegensatz zu den HAART-Virustatika soll hier das menschliche Immunsystem aufrechterhalten werden, sodass es die Abwehr des Virus selbst übernehmen kann. Der durch das Virus induzierte Abbau von APOBEC3G ist gekoppelt an die Bildung eines Komplexes aus mehreren Proteinen, darunter das virale Protein vif (viral infectivity factor) und das humane Protein Elongin–C. Wird eine der Interaktionen dieser Komplexbildung gehemmt, so kann APOBEC3G nicht mehr abgebaut werden und der humane Schutzmechanismus bleibt aufrechterhalten.rnDie vorliegende Arbeit widmete sich in diesem Zusammenhang der Suche nach Inhibitoren der vif-Elongin–C-Interaktion. Nach Dockingstudien wurden potentielle Kandidaten synthetisiert und anschließend zunächst mit Hilfe der Mikrokalorimetrie (ITC) und der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) auf ihre Affinität zu rekombinant exprimiertem Elongin–C getestet. Zusätzlich wurde ein auf der Mikroskalierten Thermo-phorese (MST) basierender Bindungsassay etabliert, und die Substanzen auch mit dieser Methode getestet. Während die Bindung in diesen Assays nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, zeigte sich eine Substanz in In-vitro-Tests auf Hemmung der APOBEC3G- und vif-abhängigen Virusreplikation als sehr vielversprechend. Auch wenn der genaue molekulare Wirkort in weiteren Tests erst noch ermittelt werden muss, stellt diese Molekülstruktur aufgrund der bisherigen Testergebnisse bereits eine vielversprechende Basis für weitere Derivatisierungen dar.rn

Formación tardía de etringita en fibrocemento.

La temperatura de curado, utilizada por la industria de fibrocemento como catalizador en la hidratación del cemento para lograr alta resistencia inicial en sus productos, genera la hipótesis de expansión causada por formación tardía de etringita. Para el planteamiento de dicha hipótesis, el siguiente estudio contempló dos grupos de muestras con el objetivo de estudiar aisladamente su comportamiento químico y físico: uno de los grupos conformado por pasta cementicia con 35% de sustitución de calcario, y el otro conformado por fibrocemento con incorporación de PVA y celulosa. Por calorimetría isotérmica se observó la cinética de reacción de dos pastas, una de ellas curada a 23 ºC y la otra a 85 ºC donde esta última experimentó un efecto catalizador en sus reacciones. Ensayos de DRX y DTG/TG mostraron la presencia de etringita a 23 °C durante todas las edades de hidratación exhibiendo una tendencia de aumento en la intensidad de los picos y en la cantidad, respectivamente, en función del tiempo; sin embargo, a 85 ºC la presencia de esta fase fue inconstante durante las primeras edades de hidratación, a partir de mes de hidratación mostró aumento en cada una de las siguientes medidas realizadas mensualmente; a 85 °C hubo una menor formación de portlandita en comparación con los resultados obtenidos a 23 °C. Utilizando el método Rietveld y análisis químico fueron determinadas las cantidades y las composiciones químicas, respectivamente, de las fases del cemento anhidro y del calcario para alimentar el programa GEMS y simular la hidratación de la pasta estudiada en laboratorio para un tiempo infinito bajo la influencia de la temperatura. Simulaciones de la hidratación de la pasta se aproximaron a los resultados reportados por la revisión bibliográfica permitiendo predecir la presencia de fases en función de la estabilidad termodinámica. Resultados de porosimetría por inyección de mercurio mostraron una mayor concentración de poros, asociados a defectos, en muestras curadas a 85°C con respecto a las de 23 °C. Finalmente, medidas de variación longitudinal para muestras de fibrocemento elaboradas en laboratorio y en fábrica presentaron dispersión en los resultados de expansión para cada uno de los escenarios sin poder correlacionar todos los datos con el aumento de masa exhibido por cada una de las muestras; no obstante, se resalta el riesgo de deterioro del fibrocemento por el aumento de defectos causado por la temperatura así como la creación de todas las condiciones necesarias que favorecen la formación tardía de etringita a partir del proceso de fabricación empleado para este producto.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Interpretation of the temperature dependence of equilibrium and rate constants

The objective of this review is to draw attention to potential pitfalls in attempts to glean mechanistic information from the magnitudes of standard enthalpies and entropies derived from the temperature dependence of equilibrium and rate constants for protein interactions. Problems arise because the minimalist model that suffices to describe the energy differences between initial and final states usually comprises a set of linked equilibria, each of which is characterized by its own energetics. For example, because the overall standard enthalpy is a composite of those individual values, a positive magnitude for AHO can still arise despite all reactions within the subset being characterized by negative enthalpy changes: designation of the reaction as being entropy driven is thus equivocal. An experimenter must always bear in mind the fact that any mechanistic interpretation of the magnitudes of thermodynamic parameters refers to the reaction model rather than the experimental system For the same reason there is little point in subjecting the temperature dependence of rate constants for protein interactions to transition-state analysis. If comparisons with reported values of standard enthalpy and entropy of activation are needed, they are readily calculated from the empirical Arrhenius parameters. Copyright (c) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Studies on enhanced surface disinfection and skin antisepsis using chlorhexidine and eucalyptus oil

Healthcare associated infections may arise from many sources, including patient?s own skin flora and the clinical environment, and inflict a significant burden within the health service. Adequate and effective skin antisepsis and surface disinfection are therefore essential factors in infection control. Current EPIC guidelines recommend 2 % chlorhexidine (CHG) in 70 % isopropyl alcohol (IPA) for skin antisepsis however poor penetration has been reported. Eucalyptus oil (EO) is a known permeation enhancer, producing synergistic antimicrobial activity when combined with CHG. In this current study, the antimicrobial efficacy of EO and its main constituent 1,8-cineole were assessed against a panel of clinically relevant microorganisms, alone and in combination with CHG. The superior antimicrobial efficacy of EO compared with 1,8-cineole, and synergistic effects with CHG against planktonic and biofilm cultures, confirmed its suitability for use in subsequent studies within this thesis. Impregnation of EO, CHG and IPA onto prototype hard surface disinfectant wipes demonstrated significantly improved efficacy compared with CHG/IPA wipes, with clear reductions in the time required to eliminate biofilms. Optimisation of the EO/CHG/IPA formulation resulted in the development of Euclean® wipes, with simulated-use and time kill studies confirming their ability to remove microbial surface contamination, prevent cross contamination and eliminate biofilms within 10 minutes. The employment of isothermal calorimetry provided additional information on the type and rate of antimicrobial activity possessed by Euclean® wipes. A clinical audit of the Euclean® wipes at Birmingham Children?s Hospital, Birmingham, U.K. revealed divided staff opinion, with the highest cited advantage and disadvantage concerning the odour. Finally, skin penetration and cell toxicity studies of EO/CHG biopatches and Euclean® solution developed during this study, revealed no permeation into human skin following biopatch application, and no significant toxicity. These current studies enhance the knowledge regarding EO and its potential applications.

Characterisation of the Interaction of Lactate Dehydrogenase With Tween-20 Using Isothermal Titration Calorimetry, Interfacial Rheometry and Surface Tension Measurements

In this study the nature of the interaction between Tween-20 and lactate dehydrogenase (LDH) was investigated using isothermal titration calorimetry (ITC). In addition the effects of the protein and surfactant on the interfacial properties were followed with interfacial rheology and surface tension measurements in order to understand the mechanism by which the surfactant prevents protein adsorption to the air– water interface. Comparisons were made with Tween-40 and Tween-80 in order to further investigate the mechanism. ITC measurements indicated a weak, probably hydrophobic, interaction between Tween-20 and LDH. Prevention of LDH adsorption to the air–water interface by the Tween surfactants was correlated with surface energy rather than surfactant CMC. While surface pressure appears to be the main driving force for the displacement of LDH from the air–water interface by Tween-20 a solubilisation mechanism may exist for other protein molecules. More generally the results of this study highlight the value of the use of ITC and interfacial measurements in characterising the surface behaviour of mixed surfactant and protein systems.

Isothermal titration calorimetry study of epicatechin binding to serum albumin

The interaction of epicatechin with bovine serum albumin (BSA) was studied by isothermal titration calorimetry. The binding constant (K) and associated thermodynamic binding parameters (n, Delta H) were determined for the interaction at three solution concentrations of BSA using a binding model assuming independent binding sites. These data show weak non-covalent binding of epicatechin to BSA. The interaction energetics varied with BSA concentration in the calorimeter cell, suggesting that the binding of epicatechin induced BSA aggregation. The free energy (Delta G) remained constant within a range of 2 kJ mol(-1) and negative entropy was observed, indicating an enthalpy driven exothermic interaction. It is concluded that the non-covalent epicatechin-BSA complex is formed by hydrogen bonding. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Thermodynamic and kinetic properties of interpolymer complexes assessed by isothermal titration calorimetry and surface plasmon resonance

Interpolymer complexes (IPCs) formed between complimentary polymers in solution have shown a wide range of applications from drug delivery to biosensors. This work describes the combined use of isothermal titration calorimetry and surface plasmon resonance to investigate the thermodynamic and kinetic processes during hydrogen-bonded interpolymer complexation. Varied polymers that are commonly used in layer-by-layer coatings and pharmaceutical preparations were selected to span a range of chemical functionalities including some known IPCs previously characterized by other techniques, and other polymer combinations with unknown outcomes. This work is the first to comprehensively detail the thermodynamic and kinetic data of hydrogen bonded IPCs, aiding understanding and detailed characterization of the complexes. The applicability of the two techniques in determining thermodynamic, gravimetric and kinetic properties of IPCs is considered.