Reactivity characteristics of cytochrome c, cytochrome oxidase and the electrostatic cytochrome c - cytochrome oxidase complex /

The mechanism whereby cytochrome £ oxidase catalyses elec-. tron transfer from cytochrome £ to oxygen remains an unsolved problem. Polarographic and spectrophotometric activity measurements of purified, particulate and soluble forms of beef heart mitochondrial cytochrome c oxidase presented in this thesis confirm the following characteristics of the steady-state kinetics with respect to cytochrome £: (1) oxidation of ferrocytochrome c is first order under all conditions. -(2) The relationship between sustrate concentration and velocity is of the Michaelis-Menten type over a limited range of substrate. concentrations at high ionic strength. (3) ~he reaction rate is independent from oxygen concentration until very low levels of oxygen. (4) "Biphasic" kinetic plots of enzyme activity as a function of substrate concentration are found when the range of cytochrome c concentrations is extended; the biphasicity ~ is more apparent in low ionic strength buffer. These results imply two binding sites for cytochrome £ on the oxidase; one of high affinity and one of low affinity with Km values of 1.0 pM and 3.0 pM, respectively, under low ionic strength conditions. (5) Inhibition of the enzymic rate by azide is non-c~mpetitive with respect to cytochrome £ under all conditions indicating an internal electron transfer step, and not binding or dissociation of £ from the enzyme is rate limiting. The "tight" binding of cytochrome '£ to cytochrome c oxidase is confirmed in column chromatographic experiments. The complex has a cytochrome £:oxidase ratio of 1.0 and is dissociated in media of high ionic strength. Stopped-flow spectrophotometric studies of the reduction of equimolar mixtures and complexes of cytochrome c and the oxidase were initiated in an attempt to assess the functional relevance of such a complex. Two alternative routes -for reduction of the oxidase, under conditions where the predominant species is the £ - aa3 complex, are postulated; (i) electron transfer via tightly bound cytochrome £, (ii) electron transfer via a small population of free cytochrome c interacting at the "loose" binding site implied from kinetic studies. It is impossible to conclude, based on the results obtained, which path is responsible for the reduction of cytochrome a. The rate of reduction by various reductants of free cytochrome £ in high and low ionic strength and of cytochrome £ electrostatically bound to cytochrome oxidase was investigated. Ascorbate, a negatively charged reagent, reduces free cytochrome £ with a rate constant dependent on ionic strength, whereas neutral reagents TMPD and DAD were relatively unaffected by ionic strength in their reduction of cytochrome c. The zwitterion cysteine behaved similarly to uncharged reductants DAD and TI~PD in exhibiting only a marginal response to ionic strength. Ascorbate reduces bound cytochrome £ only slowly, but DAD and TMPD reduce bound cytochrome £ rapidly. Reduction of cytochrome £ by DAD and TMPD in the £ - aa3 complex was enhanced lO-fold over DAD reduction of free £ and 4-fold over TMPD reduction of free c. Thus, the importance of ionic strength on the reactivity of cytochrome £ was observed with the general conclusion being that on the cytochrome £ molecule areas for anion (ie. phosphate) binding, ascorbate reduction and complexation to the oxidase overlap. The increased reducibility for bound cytochrome £ by reductants DAD and TMPD supports a suggested conformational change of electrostatically bound c compare.d to free .£. In addition, analysis of electron distribution between cytochromes £ and a in the complex suggest that the midpotential of cytochrome ~ changes with the redox state of the oxidase. Such evidence supports models of the oxidase which suggest interactions within the enzyme (or c - enzyme complex) result in altered midpoint potentials of the redox centers.

Effect of citrate on the redox properties of cytochrome C and its kinetic and binding behaviour with cytochrome oxidase /

Increasing citrate concentration, at constant ionic strength (30 mM) decreases the rate of cytochrome ~ reduction by ascorbate. This effect is also seen at both high (600 mM) and low (19 mM) ionic strengths, and the Kapp for citrate increases with increasing ionic strength. Citrate binds d both ferri -and ferrocytochrome ~, but with a lower affinity for the latter form (Kox . .red d = 2 mM, Kd = 8 mM) as shown by an equilibrium assay with N,N,N',N', Tetramethyl E- phenylenediamine. The reaction of ferricytochrome ~with cyanide is also altered in the presence of citrate: citrate increases the K~PP for cyanide. Column chromatography of cytochrome ~-cytochrome oxidase mixtures shows citrate increases the dissociation constant of the complex. These results are confirmed in kinetic assays for the "loose"site (Km = 20 pM) only. The effect of increasing citrate observable at the "tight" site (Km = 0.25 pM) is on the turnover number and not on the K . These results suggest a mechanism m where anion binding to cytochrome £ at the tight site affects the equilibrium between two forms of cytochrome c bound cytochrome oxidase: an active and an inactive one.

A hypothesis for the geochemical anomaly in the North Creek Watershed /

A regional geochemical reconnaissance by bottom stream sediment sampling, has delineated an area of high metal content in the north central sector of the North Creek Watershed. Development of a geochemical model, relating to the relative chemical concentrations derived from the chemical analyses of bottom sediments, suspended sediments, stream waters and well waters collected from the north central sector, was designed to discover the source of the anomaly. Samples of each type of material were analysed by the A.R.L. Direct Reading Multi-element Emission Spectrograph Q.A. 137 for elements: Na, K, Ca, Sr, Si, As, Pb, Zn, Cd, Ni, Ti, Ag, Mo, Be, Fe, AI, Mn, Cu, Cr, P and Y. Anomalous results led to the discovery of a spring, the waters of which carried high concentrations of Zn, Cd, Pb, As, Ni, Ti, Ag, Sr and Si. In addition, the spring waters had high concentrations of Na, Ca, Mg, 504 , alkalinity, N03' and low concentrations of K, Cl and NH3. Increased specific conductivity (up to 2500 ~mho/cm.) was noted in the spring waters as well as increased calculated total dissolved solids (up to 2047 mg/l) and increased ionic strength (up to 0.06). On the other hand, decreases were noted in water temperature (8°C), pH (pH 7.2) and Eh (+.154 volts). Piezometer nests were installed in the anomalous north central sector of the watershed. In accordance with the slope of the piezometric surface from wells cased down to the till/bedrock interface, groundwater flow is directed from the recharge area (northwest of the anomaly) towards the artesian spring via the highly fractured dolostone aquifer of the Upper Eramosa Member. The bedrock aquifer is confined by the overlying Halton till and the underlying Lower Eramosa Member (Vinemount Shale). The oxidation of sphalerite and galena and the dissolution of gypsum, celestite, calcite, and dolomite within the Eramosa Member, contributed its highly, dissolved constituents to the circulating groundwaters, the age of which is greater than 20 years as determined by tritium dating. Groundwater is assumed to flow along the Vinemount Shale and discharge as an artesian spring where the shale unit becomes discontinuous. The anomaly is located on a topographic low where bedrock is close to the surface. Thermodynamic evaluation of the major ion speciation from the anomalous spring and surface waters, showed gypsum to be supersaturated in these spring waters. Downstream from the spring, the loss of carbon dioxide from the spring waters resulted in the supersaturation with respect to calcite, aragonite, magnesite and dolomite. This corresponded with increases in Eh (+.304 volts) and pH (pH 8.5) in the anomalous surface waters. In conclusion, the interaction of groundwaters within the highly, mineralized carbonate source (Eramosa Member) resulted in the characteristic Ca*Mg*HC03*S04 spring water at the anomalous site, which appeared to be the principle effect upon controlling the anomalous surface water chemistry.

Comparative study of bovine heart and bacillus subtilis cytochrome c oxidase vesicles and the influence of bulk pH on cytochrome c oxidase components

Studies on the steady state behavior of soluble cytochrome c oxidase are extensive. These studies have examined the influence of ionic strength and pH and may provide answers to questions such as the link between proton translocation and charge separation. The present study examined the influence of external bulk pH on ApH formation, biphasic kinetics, and steady state reduction of cytochromes c and a of cytochrome c oxidase in proteoliposomes. Bulk pH has an appreciable effect on ApH formation and steady state reduction levels of cytochromes c and 8. Bulk pH affected total Vmax and Km at the low affinity binding site of cytochrome c. This study also examined the influence of bovine serum albumin and free fatty acids on proton pumping activity in bovine heart proteoliposomes. Proton pumping activity decreased after treatment with BSA, and was subsequently reinstated after further treatment with FFA. Much study in the superfamily of haem/copper oxidases has recently been devoted to the bacterial oxidases. The present study has examined some protein composition characteristics and bioenergetic features of Bacillus subtilis cytochrome caa3 oxidase. Results provide evidence for the structural composition of the enzyme in relation to the covalently bound cytochrome c to the oxidas~. Bioenergetically, caa3 COV showed appreciable proton pumping activity. Steady state analysis of the caa3 COV showed significantly different cytochrome c and a reduction characteristics compared to the bovine enzyme.

Proton translocation by cytochrome c oxidase reconstituted into proteoliposomes

Cytochrome c oxidase .inserted into proteoliposomes translocates protons with a stoichiometry of approx-, imately 0.4-0.6 H+/e- in the presence of valinomycin plus pottasium. The existance .ofsuchproton translocation is .supportedby experiments with lauryl maltoside which abolished the pulses but~~d not inhibit cyt. c binding .or oxidase turnover. Pulses with K3FeCN6 did not induce acidification further supporting vectorial proton transport by cyt ..aa3 . Upon lowering the ionic strength and pulsing with ferrocytochrome c, H+/eratios increased. This increase is attributed to scaler proton release consequent upon cyt.c-phospholipid binding. Oxygen pulses at low ionic strength however did not exhibit this large scaler increase in H+/e- ratios.A-small increase was observed upon .02 pul'sing at·low ionic strengt.h. This increase was KeN and, ,pcep sensitive and thus possibly due to a redox linked scaler deprotonation. Increases in the H+/e- ratio also occurred ifp~lses ,were performed in the presence of nonactin rather.than valinomycin. The fluorescent pH indicator pyranine was internally trapped inaa3 conta~ning "proteoliposomes. Internal alkalinization, as mon,itored by pyranine fluorescence leads to a of approx.imately 0.35 units, which is proportional to electron flux. This internal alkalinization was also DCCD sensitive, being inhibited by approximately 50%. This 50% inhibition of internal alkalinization supports the existance of vectorial proton transport.

Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.

Rôle des facteurs physico-chimiques du micro-environnement intestinal et des boucles inter-hélicales du Domaine I dans l’activité de la toxine insecticide Cry9Ca du bacille de Thuringe

Une fois ingérées par un insecte sensible, les toxines insecticides du bacille de Thuringe doivent être activées par les protéases intestinales de cet insecte. Leur premier domaine, un ensemble de sept hélices-α amphipathiques, est responsable de leur insertion dans la membrane luminale de certaines cellules de l’intestin médian, ce qui crée des pores peu sélectifs. La toxicité et la capacité à former des pores d’une telle toxine, la Cry9Ca, de ses mutants simples R164A et R164K et d’un fragment de 55 kDa résultant d’un clivage protéolytique au niveau de son résidu 164 ont été étudiées à l’aide d’une combinaison de modélisation par homologie, de bioessais, d’expériences de gonflement osmotique avec des vésicules de membrane en bordure en brosse de larves de sphinx du tabac et de mesures électrophysiologiques sur des intestins isolés. Ni les mutations simples ni le clivage protéolytique n’ont altéré la toxicité de la Cry9Ca. Dans une solution à faible force ionique, toutefois, la formation des pores dépend fortement du pH : une augmentation de celui-ci de 6,5 à 10,5 a entraîné une baisse irrégulière et par étapes successives de la perméabilité membranaire. Les quatre préparations de toxine ont néanmoins dépolarisé la membrane apicale d’intestins médians fraîchement isolés baignant dans une solution contenant 122 mM de KCl à pH 10,5. L’activité de la Cry9Ca, et des mutants R164A et R164K, a été grandement stimulée lorsque les expériences ont été effectuées en présence de suc intestinal, de lipides extraits d’un volume équivalent de suc intestinal ou d’un cocktail d’inhibiteurs de protéases solubles dans l’eau. De plus, le rôle des boucles inter-hélicales du Domaine I lors de l’insertion dans la membrane a été étudié avec des mutants doubles de la Cry9Ca dont les mutations introduisaient, neutralisaient ou renversaient une charge électrique. À l’exception de trois d’entres eux, tous ces mutants ont conservé une toxicité et une capacité à former des pores comparables à celles de la toxine parentale. L’ensemble de ces résultats suggère que le micro-environnement de l’intestin médian contribue à minimiser l’influence des charges de surface portées par les résidus des boucles inter-hélicales du Domaine I sur la capacité des toxines du bacille de Thuringe à former des pores. Il indique aussi que, d’une part, selon le site de clivage et les conditions expérimentales utilisées, des protéolyses supplémentaires de la toxine Cry9Ca activée peuvent soit stimuler, soit nuire à son activité et que, d’autre part, le suc intestinal du sphinx du tabac contient probablement un inhibiteur de protéases qui pourrait jouer un rôle important dans l’activité des toxines du bacille de Thuringe.

Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique.

Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Caractérisation des nanoparticules polymériques par la technique d'ultracentrifugation analytique

L’utilisation de nanoparticules (NPs) dans divers domaines industriels est de plus en plus fréquente ce qui génère leur propagation dans l’environnement. Selon leur persistance, mobilité, bioaccumulation et toxicité, des risques inconnus pour la santé et pour des écosystèmes peuvent en résulter. En effet, la caractérisation et la quantification sont des défis analytiques très complexes en raison de la nature dynamique (petite taille, grande réactivité et instabilité) des nanomatériaux. L'objectif de cette étude est donc de caractériser par ultracentrifugation analytique (AUC) des nanoparticules polymériques (Allosperse® dites allosphères) qui sont destinées à des fins agricoles. Pour y parvenir, différentes NPs métalliques (argent, quantum dot), oxydes métalliques (dioxyde de titane, oxyde de zinc) et NPs de polystyrène ont d’abord été mesurés par AUC à l’aide des différents systèmes de détection (absorbance, fluorescence et interférence). Dans le cas des allosphères, un grand nombre d'essais préliminaires ont été réalisés afin d'optimiser la vitesse d'ultracentrifugation, le temps d'ultracentrifugation, le nombre de numérisations et la concentration de l'échantillon. Un protocole optimisé a été utilisé pour la détermination du diamètre hydrodynamique (dh) des NPs. Les différentes analyses qui ont été réalisées dans cette étude révèlent que l’AUC permet de déterminer la taille de très petites NPs. Par ailleurs, une étude du comportement de ces allosphères pour des pH entre 4-8, des forces ioniques de 0 à 500 mM, en présence ou absence de matière organique naturelle a été entreprise. Les travaux ont montré que le dH était d’environ 7,0 nm avec de petites augmentations à faible pH, ou à très grande force ionique ou dureté. Ces résultats indiquent la grande stabilité physique et chimique des allosphères qui auront, ainsi, une grande mobilité dans les sols. La diffusion de lumière dynamique et la spectroscopie de corrélation de fluorescence ont été utilisées afin de valider les résultats obtenus par l’AUC.

Agglomération et hétéroagglomération des nanoparticules d'argent en eaux douces

Les nanomatériaux sont une classe de contaminants qui est de plus en plus présent dans l’environnement. Leur impact sur l’environnement dépendra de leur persistance, mobilité, toxicité et bioaccumulation. Chacun de ces paramètres dépendra de leur comportement physicochimique dans les eaux naturelles (i.e. dissolution et agglomération). L’objectif de cette étude est de comprendre l’agglomération et l’hétéroagglomération des nanoparticules d’argent dans l’environnement. Deux différentes sortes de nanoparticules d’argent (nAg; avec enrobage de citrate et avec enrobage d’acide polyacrylique) de 5 nm de diamètre ont été marquées de manière covalente à l’aide d’un marqueur fluorescent et ont été mélangées avec des colloïdes d’oxyde de silice (SiO2) ou d’argile (montmorillonite). L’homo- et hétéroagglomération des nAg ont été étudiés dans des conditions représentatives d’eaux douces naturelles (pH 7,0; force ionique 10 7 à 10-1 M de Ca2+). Les tailles ont été mesurées par spectroscopie de corrélation par fluorescence (FCS) et les résultats ont été confirmés à l’aide de la microscopie en champ sombre avec imagerie hyperspectrale (HSI). Les résultats ont démontrés que les nanoparticules d’argent à enrobage d’acide polyacrylique sont extrêmement stables sous toutes les conditions imposées, incluant la présence d’autres colloïdes et à des forces ioniques très élevées tandis que les nanoparticules d’argent avec enrobage de citrate ont formées des hétéroagrégats en présence des deux particules colloïdales.

Greffage irréversible de polyélectrolytes sur des substrats de silice et de mica et étude des propriétés de surface et de gonflement

Le protocole pour le greffage irréversible du copolymère amphiphile polystyrène-b-poly (acrylate de sodium) PS-b-PANa, sur un substrat de mica et de silice hydrophobe a été développé, en utilisant la méthode de greffage à partir de solution. Les propriétés de surface du bloc chargé ont été évaluées. L’effet de la force ionique sur le gonflement des chaînes a été investigué par ellipsométrie. Les forces d’interaction entre les surfaces recouvertes du copolymère ont été évaluées par la technique SFA. Les profils de force ont démontré être stables et nettement répulsifs en compression et décompression, montrant l’irréversibilité du greffage. Les forces de frottement entre les brosses de PANa sont élevées, mais aucune évidence d’endommagement de la surface n’a été observée. La comparaison entre le comportement à la surface des chaînes de l’acide polyacrylique PAA et celles du PANa, obtenues par deux méthodes de greffage différentes, est également investiguée.

Determination of the nature of the diperiodatocuprate(III) species in aqueous alkaline medium through a kinetic and mechanistic study on the oxidation of iodide ion

The nature of the diperiodatocuprate(III) (DPC) species present in aqueous alkaline medium has been investigated by a kinetic and mechanistic study on the oxidation of iodide by DPC. The reaction kinetics were studied over the 1.0 ´ 10)3±0.1 mol dm)3 alkali range. The reaction order with respect to DPC, as well as iodide, was found to be unity when [DPC] [I)]. In the 1.0 ´ 10)3±1.0 ´ 10)2 mol dm)3 alkali region, the rate decreased with increase in the alkali concentration and a plot of the pseudo-®rst order rate constant, k versus 1/[OH)] was linear. Above 5.0 ´ 10)2 mol dm)3, a plot of k versus [OH)] was also linear with a non-zero intercept. An increase in ionic strength of the reaction mixtures showed no e ect on k at low alkali concentrations, whereas at high concentrations an increase in ionic strength leads to an increase in k. A plot of 1/k versus [periodate] was linear with an intercept in both alkali ranges. Iodine was found to accelerate the reaction at the three di erent alkali concentrations employed. The observed results indicated the following equilibria for DPC.

Synthesis, characterization and kinetic studies on complex formed between amantadine hydrochloride and sodium molybdate at physiological pH

The title reaction was undertaken to establish the interaction between amantadine and molybdate at physiological pH. Identical FTIR spectra, TG-DTA curves and CHN data of the complexes formed from three solutions at pH 1.5, 7.4 and 8.0 indicate that the same complex was formed at all the three pHs. The FTIR spectrum shows shift in peaks corresponding to primary amino group of the drug due to coordination to molybdate. An octahedral geometry is assigned to the complex. The kinetics of the complexation has been studied at low concentrations of the reactants using UV-visible spectrophotometry. At pH 7.4, the initial rate varies linearly with [molybdate]. A plot of initial rate versus [drug] is linear passing through origin. These results indicate that the drug and molybdate react at pH 7.4 even at low concentrations. At pH 1.5, the rate increases linearly with increase in [drug] but decreases with [molybdate]. The effect of pH and ionic strength on the rate of the reaction has also been studied. A suitable mechanism has been proposed for the reaction. Reaction between the drug and molybdate even at low concentrations and the fact that the amino group of amantadine required to be free for its function as antiviral, is bound to molybdate in the complex suggests that simultaneous administration of the drug and molybdate supplements should be avoided.