Serotonin synthesis, release and reuptake in terminals: a mathematical model.

BACKGROUND: Serotonin is a neurotransmitter that has been linked to a wide variety of behaviors including feeding and body-weight regulation, social hierarchies, aggression and suicidality, obsessive compulsive disorder, alcoholism, anxiety, and affective disorders. Full understanding of serotonergic systems in the central nervous system involves genomics, neurochemistry, electrophysiology, and behavior. Though associations have been found between functions at these different levels, in most cases the causal mechanisms are unknown. The scientific issues are daunting but important for human health because of the use of selective serotonin reuptake inhibitors and other pharmacological agents to treat disorders in the serotonergic signaling system. METHODS: We construct a mathematical model of serotonin synthesis, release, and reuptake in a single serotonergic neuron terminal. The model includes the effects of autoreceptors, the transport of tryptophan into the terminal, and the metabolism of serotonin, as well as the dependence of release on the firing rate. The model is based on real physiology determined experimentally and is compared to experimental data. RESULTS: We compare the variations in serotonin and dopamine synthesis due to meals and find that dopamine synthesis is insensitive to the availability of tyrosine but serotonin synthesis is sensitive to the availability of tryptophan. We conduct in silico experiments on the clearance of extracellular serotonin, normally and in the presence of fluoxetine, and compare to experimental data. We study the effects of various polymorphisms in the genes for the serotonin transporter and for tryptophan hydroxylase on synthesis, release, and reuptake. We find that, because of the homeostatic feedback mechanisms of the autoreceptors, the polymorphisms have smaller effects than one expects. We compute the expected steady concentrations of serotonin transporter knockout mice and compare to experimental data. Finally, we study how the properties of the the serotonin transporter and the autoreceptors give rise to the time courses of extracellular serotonin in various projection regions after a dose of fluoxetine. CONCLUSIONS: Serotonergic systems must respond robustly to important biological signals, while at the same time maintaining homeostasis in the face of normal biological fluctuations in inputs, expression levels, and firing rates. This is accomplished through the cooperative effect of many different homeostatic mechanisms including special properties of the serotonin transporters and the serotonin autoreceptors. Many difficult questions remain in order to fully understand how serotonin biochemistry affects serotonin electrophysiology and vice versa, and how both are changed in the presence of selective serotonin reuptake inhibitors. Mathematical models are useful tools for investigating some of these questions.

Binding of serum albumin to the anthelmintic drugs albendazole, triclabendazole and their sulphoxides

The binding of drugs to plasma proteins – especially serum albumin – is an important factor in controlling the availability and distribution of these drugs. In this study we have investigated the binding of two drugs commonly used to treat liver fluke infections, albendazole (ABZ) and triclabendazole (TCBZ), and their sulphoxide metabolites to bovine serum albumin (BSA). Both ABZ and TCBZ caused shifts in the mobility of BSA in native gel electrophoresis. No such changes were observed with the sulphoxides under identical conditions. The drugs, and their sulphoxides, caused quenching of the intrinsic tryptophan fluorescence of BSA, indicating association between the drugs and this protein. Quantification of this quenching suggested a 5–10-fold reduction in affinity of the sulphoxides compared to the parent compounds. These results are discussed in respect to previous work on the pharmacodynamics of these fasciolicides and will inform the design of novel anthelmintics.

Comprehensive Inhibitor Profiling Of The Proteus Mirabilis Metalloprotease Virulence Factor Zapa (Mirabilysin)

In this study we report for the first time the comprehensive inhibitor profiling of the Proteus mirabilis metalloprotease virulence factor, ZapA (mirabilysin) using a 160 compound focused library of N-alpha mercaptoamide dipeptides, in order to map the S1´ and S2´ binding site preferences of this important enzyme. This study has revealed a preference for the aromatic residues tyrosine and tryptophan in P1´ and aliphatic residues in P2´. From this library, six compounds were identified which exhibited sub- to low micromolar Ki values. The most potent inactivator, SH-CO2-Y-V-NH2 was capable of preventing ZapA-mediated hydrolysis of heat denatured IgA, indicating these inhibitors may be capable of protecting host proteins against ZapA during colonisation and infection.

Galactokinases: potential biotechnological applications as biocatalysts

Galactokinase, a member of the GHMP (galactokinase, homoserine kinase, mevalonate kinase, phosphomevalonate kinase) family of kinases, catalyses the ATP-dependent phosphorylation of galactose at position 1 on the sugar. This reaction is important in the Leloir pathway of galactose catabolism. The need to produce monosaccharides phosphorylated at position 1 for the synthesis of complex molecules, including aminoglycoside antibiotics, has stimulated interest in exploiting the catalytic potential of galactokinases. However, the enzyme is quite specific, generally only catalysing the phosphorylation of D-galactose and closely related molecules. Directed evolution strategies have identified a key tyrosine residue (Tyr-371 in the Escherichia coli enzyme) which, although distant from the active site, influences the specificity of the enzyme. Alteration of this residue to histidine in E. coli and Lactococcus lactis galactokinases dramatically expanded the substrate range to include both D- and L-sugars. Similar experiments with the human enzyme demonstrated that alteration of the equivalent tyrosine (Tyr-379) to cysteine, lysine, arginine, serine or tryptophan increased the catalytic promiscuity of the enzyme. It has been hypothesised that these specificity changes arise because of alterations in the flexibility of the polypeptide chain. This hypothesis has yet to be tested experimentally. The biotechnological potential of galactokinases is clearly considerable and exploitation of closely related enzymes such as N-acetylgalactosamine kinase and arabinose kinase would expand that potential still further.

In Vitro Release from Reverse Poloxamine/alpha-Cyclodextrin Matrices: Modelling and Comparison of Dissolution Profiles

Gels obtained by complexation of octablock star polyethylene oxide/polypropylene oxide copolymers (Tetronic 90R4) with -cyclodextrin (-CD) were evaluated as matrices for drug release. Both molecules are biocompatible so they can be potentially applied to drug delivery systems. Two different types of matrices of Tetronic 90R4 and -CD were evaluated: gels and tablets. These gels are capable to gelifying in situ and show sustained erosion kinetics in aqueous media. Tablets were prepared by freeze-drying and comprising the gels. Using these two different matrices, the release of two model molecules, L-tryptophan (Trp), and a protein, bovine serum albumin (BSA), was evaluated. The release profiles of these molecules from gels and tablets prove that they are suitable for sustained delivery. Mathematical models were applied to the release curves from tablets to elucidate the drug delivery mechanism. Good correlations were found for the fittings of the release curves to different equations. The results point that the release of Trp from different tablets is always governed by Fickian diffusion, whereas the release of BSA is governed by a combination of diffusion and tablet erosion. 

Study of oxidation and non-enzymatic glycosylation posttranslational modifications using a proteomic approach

A glicosilação não-enzimática e o stress oxidativo representam dois processos importantes visto desempenharem um papel importante no que respeita às complicações de vários processos patofisiológicos. No presente, a associação entre a glicosilação não-enzimática e a oxidação de proteínas é reconhecida como sendo um dos principais responsáveis pela acumulação de proteínas não-funcionais que, por sua vez, promove uma contínua sensibilização para um aumento do stress oxidativo ao nível celular. Embora esteja disponível bastante informação no que respeita aos dois processos e suas consequências ao nível estrutural e funcional, permanecem questões por esclarecer acerca do que se desenvolve ao nível molecular. Com o objectivo de contribuir para uma melhor compreensão da relação entre a glicosilação não-enzimática e a oxidação, proteínas modelo (albumina, insulina e histonas H2B e H1) foram submetidas a sistemas in vitro de glicosilação não-enzimática e oxidação em condições controladas e durante um período de tempo específico. A identificação dos locais de glicosilação e oxidação foi realizada através de uma abordagem proteómica, na qual após digestão enzimática se procedeu à análise por cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massa tandem (MALDI-TOF/TOF). Esta abordagem permitiu a obtenção de elevadas taxas de cobertura das sequências proteicas, permitindo a identificação dos locais preferenciais de glicosilação e oxidação nas diferentes proteínas estudadas. Como esperado, os resíduos de lisina foram os preferencialmente glicosilados. No que respeita à oxidação, além das modificações envolvendo hidroxilações e adições de oxigénio, foram identificadas deamidações, carbamilações e conversões oxidativas específicas de vários aminoácidos. No geral, os resíduos mais afectados pela oxidação foram os resíduos de cisteína, metionina, triptofano, tirosina, prolina, lisina e fenilalanina. Ao longo do período de tempo estudado, os resultados indicaram que a oxidação teve início em zonas expostas da proteína e/ou localizadas na vizinhança de resíduos de cisteína e metionina, ao invés de exibir um comportamente aleatório, ocorrendo de uma forma nãolinear por sua vez dependente da estabilidade conformacional da proteína. O estudo ao longo do tempo mostrou igualmente que, no caso das proteínas préglicosiladas, a oxidação das mesmas ocorreu de forma mais rápida e acentuada, sugerindo que as alterações estruturais induzidas pela glicosilação promovem um estado pro-oxidativo. No caso das proteínas pré-glicosiladas e oxidadas, foi identificado um maior número de modificações oxidativas assim como de resíduos modificados na vizinhança de resíduos glicosilados. Com esta abordagem é realizada uma importante contribuição na investigação das consequências do dano ‘glico-oxidativo’ em proteínas ao nível molecular através da combinação da espectrometria de massa e da bioinformática.

Matéria húmica de sapal: variações estruturais e complexação com o cobre

No presente trabalho foram estudadas as variações na composição, estrutura e comportamento das substâncias húmicas sedimentares (SHS), promovidas pela presença de duas espécies de plantas da família Chenopodiacea, presentes nos sapais da Ria de Aveiro: a Halimione portulacoides e a Arthrocnemum fruticosum. Para além das variações espaciais horizontais, foram investigadas as variações ao longo de um perfil de profundidades. Desta forma, para além da camada superficial (0-10 cm) de sedimentos com diferentes espécies de plantas e sem plantas, também foram investigadas camadas de sedimentos intermédia (20-25 cm) e profunda (45-50 cm). Para a extracção das SHS recorreu-se a uma pequena modificação do método proposto pela International Humic Substances Society (IHSS) para extracção e purificação de substâncias húmicas de solos. As SH extraídas foram caracterizadas através dos métodos espectroscópicos de absorção no ultravioleta visível, de fluorescência molecular síncrona, de absorção no infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR) e de RMN 13C em estado sólido. Estas técnicas de caracterização foram complementadas pela análise elementar e termogravimetria. Em algumas amostras, foram ainda determinados o conteúdo em alguns metais por ICP-AES e o conteúdo funcional ácido por titulações potenciométricas. Após exaustiva caracterização das amostras de AH, procedeu-se ao estudo da sua capacidade de complexação com o cobre, recorrendo a titulações monitorizadas por fluorescência molecular síncrona. Os resultados revelaram que a colonização de sedimentos por plantas vasculares superiores conduz a uma alteração profunda no ambiente sedimentar e que esta é reflectida na diagénese das substâncias húmicas sedimentares, tendo-se observado variações a uma pequena escala espacial. O estudo deste tipo de variações nunca tinha sido efectuado em trabalhos anteriores. Nos ácidos fúlvicos detectaram-se diferenças na composição e estrutura das amostras correspondentes às camadas superiores de sedimentos, reflectindo a presença de diferentes colonizações vegetais. Relativamente aos ácidos húmicos, foi possível classificá-los em dois tipos distintos. Os AH do tipo I correspondem aos sedimentos superficiais e intermédios dos locais com plantas. Neste tipo de AH verificou-se uma incorporação de polissacarídeos e estruturas peptídicas, em estados de humificação pouco desenvolvidos. Os AH do tipo II correspondem aos sedimentos mais profundos de todos os locais e aos intermédios do local sem plantas e caracterizam-se por um maior grau de humificação e polimerização, um maior conteúdo aromático e de estruturas conjugadas e um maior conteúdo de grupos carboxílicos. Essas diferenças estruturais conduzem a diferentes comportamentos ácido/base e de complexação com o cobre. Assim, os AH do tipo I, que apresentam sinais espectroscópicos mais baixos associados a grupos carboxílicos e fenólicos, têm menor conteúdo de grupos funcionais ácidos e menor capacidade de complexação com o cobre quando se consideram ligandos característicos de unidades aromáticas conjugadas. Relativamente aos valores de log K dos complexos de AHS com o cobre, as amostras representativas da camada superficial dos sedimentos com plantas apresentaram valores superiores aos das restantes amostras de AH estudadas, cujos valores de log K são similares entre si. Atendendo aos resultados de análise elementar e espectroscópica, este facto pode estar associado à presença de compostos de azoto não peptídicos. Quanto a outros ligandos para o cobre, nomeadamente os representativos de estruturas peptídicas contendo o aminoácido triptofano e estruturas aromáticas simples, não foi possível obter resultados conclusivos. Dado que os ácidos húmicos do tipo I demonstraram um maior conteúdo peptídico e menor conteúdo aromático, o estudo destes ligandos torna-se importante para compreender melhor o efeito da presença de plantas nos sedimentos de sapal sobre o comportamento dos ácidos húmicos sedimentares como ligandos para o cobre. Refere-se ainda que foram detectadas certas especificidades na variação das características do sedimento e das substâncias húmicas com a profundidade nos diferentes locais estudados que não podem ser explicadas meramente com a presença de material vegetal oriundo de diferentes espécies de plantas, requerendo um conhecimento mais aprofundado das comunidades bentónicas e do ambiente físico-químico do sedimento.

Síntese de azacalixarenos para o reconhecimento molecular de aniões

No âmbito desta dissertação são apresentados novos recetores sintéticos baseados na plataforma macrocíclica tetraazacalix[2]areno[2]triazina incorporando bases de purina ou unidades de aminoácidos naturais. Estes recetores foram preparados tendo como objectivo o reconhecimento seletivo de fármacos e aniões biologicamente relevantes. No primeiro capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica sobre recetores derivados de tetraazacalix[2]areno[2]triazina demonstrando-se que a funcionalização desta plataforma, nos anéis de triazina ou nos anéis benzénicos, encontra-se ainda na infância bem como a investigação das suas afinidades para aniões. Subsequentemente, considerando os aniões principais estudados nesta tese, aniões carboxilatos alifáticos, aromáticos e aminoácidos é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os estudos de reconhecimento molecular reportados na literatura, entre derivados de calix[4]areno e este tipo de aniões. No segundo capítulo descrevem-se as sínteses de recetores com uma ou duas unidades de aminoácido, L-alanina (AC1A, AC2A) e L-triptofano (AC2T), ancoradas nos anéis benzénicos da plataforma tetraazacalix[2]areno[2]triazina. Como demostrado no capítulo 3, os grupos N-H dos azotos em ponte são locais de reconhecimento de aniões. Neste contexto, estes macrociclos foram também metilados nos azotos em ponte (Me4AC2A e Me4AC2T) de modo a direcionar o reconhecimento cooperativo de aniões exclusivamente através dos grupos N-H das unidades de aminoácidos. A lipofilicidade destas moléculas foi alterada por substituição dos átomos de cloro das triazinas por dihexilamina. Os compostos sintetizados foram caracterizados através de técnicas espetroscópicas complementadas em alguns compostos por difração de raios X de cristal único. No capítulo 3 apresentam-se os estudos de reconhecimento molecular entre os recetores sintetizados e aniões derivados de ácidos carboxílicos (mono, di e tricarboxílicos) alifáticos, aromáticos, isoméricos e aniões inorgânicos. Estes estudos foram efetuados em DMSO-d6 ou em CDCl3 por titulações de RMN de 1H com determinação das respetivas constantes de associação. Para os recetores AC1A e AC2A o reconhecimento da maioria dos aniões estudados ocorre simultaneamente através dos grupos N-H dos azotos em ponte e do N-H da amida do braço da L-alanina. Contudo, no caso do isoftalato e tricarboxilato, com dois e três grupos carboxilato em posição meta, ocorre preferencialmente através dos dois braços de L-alanina como sugerido por estudos de dinâmica molecular em DMSO. Os estudos de associação realizados para os macrociclos que contêm unidades de L-triptofano, AC2T e Me4AC2T, mostraram que o reconhecimento de aniões é efetuado preferencialmente através de ligações de hidrogénio estabelecidas com os grupos amida e amina do grupo indole dos braços de aminoácido em detrimento das aminas em ponte como em AC1A e AC2A. Para a série dos carboxilatos alifáticos verifica-se que o recetor Me4AC2A tem maior afinidade com o anião glutarato (K= 389 M-1, DMSO-d6) enquanto o recetor Me4AC2T associa-se mais fortemente com o anião oxalato (K= 776 M-1, CDCl3). Todas as Job plots efetuadas confirmaram que as entidades estudadas obedeciam a uma estequiometria recetor/anião de 1:1.

Extraction of added-value products from biomass using ionic liquids

The main purpose of this thesis is to investigate the potential of ionic liquids (ILs) as a new class of extractive solvents for added-value products from biomass. These include phenolic compounds (vanillin, gallic, syringic and vanillic acids), alkaloids (caffeine) and aminoacids (L-tryptophan). The interest on these natural compounds relies on the wide variety of relevant properties shown by those families and further application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Aiming at developping more benign and effective extraction/purification techniques than those used, a comprehensive study was conducted using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs and inorganic/organic salts. In addition, ILs were characterized by a polarity scale, using solvatochromic probes, aiming at providing prior indications on the ILs affinity for particular added-value products. Solid-liquid (S-L) extractions from biomass and using aqueous solution of ILs were also investigated. In particular, and applying and experimental factorial design to optimize the operational conditions, caffeine was extracted from guaraná seeds and spent coffee. With both types of extractions it was found that it is possible to recover the high-value compounds and to recycle the IL and salt solutions. Finally, aiming at exploring the recovery of added-value compounds from biomass using a simpler and more suistainable technique, the solubility of gallic acid, vanillin and caffeine was studied in aqueous solutions of several ILs and common salts. With the gathered results it was possible to demonstrate that ILs act as hydrotropes and that water can be used as an adequate antisolvent. This thesis describes the use of ILs towards the development of more effective and sustainable processes.

Amino acid requirements of white seabream (Diplodus sargus) larvae: effects on growth and performance

Tese dout., Aquacultura, Universidade do Algarve, 2008

Structural stability of adenylate kinase from the sulfate-reducing bacteria Desulfovibrio gigas

Biophysical Chemistry 110 (2004) 83–92

Métodos "verdes" de produção de nanomateriais que promovem nanotecnologias sustentáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Trimethoprim-selective electrodes with molecularly imprinted polymers acting as ionophores and potentiometric transduction on graphite solid-contact

This work proposes a new biomimetic sensor material for trimethoprim. It is prepared by means of radical polymerization, having trimethylolpropane trimethacrylate as cross-linker, benzoyl peroxide as radicalar iniciator, chloroform as porogenic solvent, and methacrylic acid and 2-vinyl pyridine as monomers. Different percentages of sensor in a range between 1 and 6% were studied. Their behavior was compared to that obtained with ion-exchanger quaternary ammonium salt (additive tetrakis(p-chlorophenyl)borate or tetraphenylborate). The effect of an anionic additive in the sensing membrane was also tested. Trimethoprim sensors with 1% of imprinted particles from methacrylic acid monomers showed the best response in terms of slope (59.7 mV/decade) and detection limit (4.01 × 10− 7 mol/L). These electrodes displayed also a good selectivity towards nickel, manganese aluminium, ammonium, lead, potassium, sodium, iron, chromium, sulfadiazine, alanine, cysteine, tryptophan, valine and glycine. The sensors were not affected by pH changes from 2 to 6. They were successfully applied to the analysis of water from aquaculture.

Regulation of Nedd4-2 self-ubiquitination and stability by a PY motif located within its HECT-domain.

Ubiquitin ligases play a pivotal role in substrate recognition and ubiquitin transfer, yet little is known about the regulation of their catalytic activity. Nedd4 (neural-precursor-cell-expressed, developmentally down-regulated 4)-2 is an E3 ubiquitin ligase composed of a C2 domain, four WW domains (protein-protein interaction domains containing two conserved tryptophan residues) that bind PY motifs (L/PPXY) and a ubiquitin ligase HECT (homologous with E6-associated protein C-terminus) domain. In the present paper we show that the WW domains of Nedd4-2 bind (weakly) to a PY motif (LPXY) located within its own HECT domain and inhibit auto-ubiquitination. Pulse-chase experiments demonstrated that mutation of the HECT PY-motif decreases the stability of Nedd4-2, suggesting that it is involved in stabilization of this E3 ligase. Interestingly, the HECT PY-motif mutation does not affect ubiquitination or down-regulation of a known Nedd4-2 substrate, ENaC (epithelial sodium channel). ENaC ubiquitination, in turn, appears to promote Nedd4-2 self-ubiquitination. These results support a model in which the inter- or intra-molecular WW-domain-HECT PY-motif interaction stabilizes Nedd4-2 by preventing self-ubiquitination. Substrate binding disrupts this interaction, allowing self-ubiquitination of Nedd4-2 and subsequent degradation, resulting in down-regulation of Nedd4-2 once it has ubiquitinated its target. These findings also point to a novel mechanism employed by a ubiquitin ligase to regulate itself differentially compared with substrate ubiquitination and stability.

A WXW Motif Is Required for the Anticancer Activity of the TAT-RasGAP317-326 Peptide.

TAT-RasGAP317-326, a cell-permeable 10-amino acid-long peptide derived from the N2 fragment of p120 Ras GTPase-activating protein (RasGAP), sensitizes tumor cells to apoptosis induced by various anticancer therapies. This RasGAP-derived peptide, by targeting the deleted in liver cancer-1 (DLC1) tumor suppressor, also hampers cell migration and invasion by promoting cell adherence and by inhibiting cell movement. Here, we systematically investigated the role of each amino acid within the RasGAP317-326 sequence for the anticancer activities of TAT-RasGAP317-326. We report here that the first three amino acids of this sequence, tryptophan, methionine, and tryptophan (WMW), are necessary and sufficient to sensitize cancer cells to cisplatin-induced apoptosis and to reduce cell migration. The WMW motif was found to be critical for the binding of fragment N2 to DLC1. These results define the interaction mode between the active anticancer sequence of RasGAP and DLC1. This knowledge will facilitate the design of small molecules bearing the tumor-sensitizing and antimetastatic activities of TAT-RasGAP317-326.