Characterization of redox centers in dimethyl sulfide dehydrogenase from Rhodovulum sulfidophilum

Dimethyl sulfide dehydrogenase from the purple phototrophic bacterium Rhodovulum sulfidophilum catalyzes the oxidation of dimethyl sulfide to dimethyl sulfoxide. Recent DNA sequence analysis of the ddh operon, encoding dimethyl sulfide dehydrogenase (ddhABC), and biochemical analysis (1) have revealed that it is a member of the DMSO reductase family of molybdenum enzymes and is closely related to respiratory nitrate reductase (NarGHI). Variable temperature X-band EPR spectra (120122 K) of purified heterotrimeric dimethyl sulfide dehydrogenase showed resonances arising from multiple redox centers, Mo(V), [3Fe-4S](+), [4Fe-4S](+), and a b-type heme. A pH-dependent EPR study of the Mo(V) center in (H2O)-H-1 and (H2O)-H-2 revealed the presence of three Mo(V) species in equilibrium, Mo(V)-OH2, Mo(v)-anion, and Mo(V)-OH. Above pH 8.2 the dominant species was Mo(V)-OH. The maximum specific activity occurred at pH 9.27. Comparison of the rhombicity and anisotropy parameters for the Mo(V) species in DMS dehydrogenase with other molybdenum enzymes of the DMSO reductase family showed that it was most similar to the low-pH nitrite spectrum of Escherichia coli nitrate reductase (NarGHI), consistent with previous sequence analysis of DdhA and NarG. A sequence comparison of DdhB and NarH has predicted the presence of four [Fe-S] clusters in DdhB. A [3Fe-4S](+) cluster was identified in dimethyl sulfide dehydrogenase whose properties resembled those of center 2 of NarH. A [4Fe-4S](+) cluster was also identified with unusual spin Hamiltonian parameters, suggesting that one of the iron atoms may have a fifth non-sulfur ligand. The g matrix for this cluster is very similar to that found for the minor conformation of center 1 in NarH [Guigliarelli, B., Asso, M., More, C., Augher, V., Blasco, F., Pommier, J., Giodano, G., and Bertrand, P. (1992) Eur. J. Biochem. 307,63-68]. Analysis of a ddhC mutant showed that this gene encodes the b-type cytochrome in dimethyl sulfide dehydrogenase. Magnetic circular dichroism studies revealed that the axial ligands to the iron in this cytochrome are a histidine and methionine, consistent with predictions from protein sequence analysis. Redox potentiometry showed that the b-type cytochrome has a high midpoint redox potential (E-o = +315 mV, pH 8).

A system for the heterologous expression of complex redox proteins in Rhodobacter capsulatus: characterisation of recombinant sulphite : cytochrome c oxidoreductase from Starkeya novella

The phototrophic purple non-sulfur bacterium Rhodobacter capsulatus expresses a wide variety of complex redox proteins in response to changing environmental conditions. Here we report the construction and evaluation of an expression system for recombinant proteins in that organism which makes use of the dor promoter from the same organism. A generic expression vector, pDorEX, was constructed and used to express sulphite:cytochrome c oxidoreductase from Starkeya novella, a heterodimeric protein containing both molybdenum and haem c. The recombinant protein was secreted to the periplasm and its biochemical properties were very similar to those of the native enzyme. The pDorEX system therefore seems to be potentially useful for heterologous expression of multi-subunit proteins containing complex redox cofactors. (C) 2002 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Redox active macrocyclic receptors for neutral guests

A novel series of triazine-appended macrocyclic complexes has been investigated as potential hydrogen bonding receptors for complementarily disposed heterocycles. Cocrystallization of a melamine-appended azacyclam complex of Cull has been achieved with barbitone, the barbiturate anion and thymine. In each case, a complementary DAD/ADA hydrogen bonding motif between the melamine group and the heterocycle has been identified by X-ray crystallography. Electrochemical studies of the copper macrocycles in both nonaqueous and aqueous solution show anodic shifts of the CuII/I redox couple of more than 60 mV upon addition of guest molecules with matching H-bonding motifs. The Zn-II analogues have been synthesized via transmetalation of the Cull complex, and their guest binding properties investigated by NMR spectroscopy. H-1 NMR shifts of up to 0.8 ppm were observed upon addition of guest, and stability constants are similar to those obtained electrochemically.

Cytotoxic iron chelators: Characterization of the structure, solution chemistry and redox activity of ligands and iron complexes of the di-2-pyridyl ketone isonicotinoyl hydrazone (HPKIH) analogues

Di-2-pyridyl ketone isonicotinoyl hydrazone (HPKIH) and a range of its analogues comprise a series of monobasic acids that are capable of binding iron (Fe) as tridentate (N,N,O) ligands. Recently, we have shown that these chelators are highly cytotoxic, but show selective activity against cancer cells. Particularly interesting was the fact that cytotoxicity of the HPKIH analogues is maintained even after complexation with Fe. To understand the potent anti-tumor activity of these compounds, we have fully characterized their chemical properties. This included examination of the solution chemistry and X-ray crystal structures of both the ligands and Fe complexes from this class and the ability of these complexes to mediate redox reactions. Potentiometric titrations demonstrated that all chelators are present predominantly in their charge-neutral form at physiological pH (7.4), allowing access across biological membranes. Keto-enol tautomerism of the ligands was identified, with the tautomers exhibiting distinctly different protonation constants. Interestingly, the chelators form low-spin (diamagnetic) divalent Fe complexes in solution. The chelators form distorted octahedral complexes with Fe-II, with two tridentate ligands arranged in a meridional fashion. Electrochemistry of the Fe complexes in both aqueous and non-aqueous solutions revealed that the complexes are oxidized to their ferric form at relatively high potentials, but this oxidation is coupled to a rapid reaction with water to form a hydrated (carbinolamine) derivative, leading to irreversible electrochemistry. The Fe complexes of the HPKIH analogues caused marked DNA degradation in the presence of hydrogen peroxide. This observation confirms that Fe complexes from the HPKIH series mediate Fenton chemistry and do not repel DNA. Collectively, studies on the solution chemistry and structure of these HPKIH analogues indicate that they can bind cellular Fe and enhance its redox activity, resulting in oxidative damage to vital biomolecules.

Discrete cyanide-bridged mixed-valence Co/Fe complexes: Outer-sphere redox behaviour

The outer-sphere redox behaviour of a series of [LnCoIII-NCFeII(CN)(5)](-) (L-n = n-membered pentadentate aza-macrocycle) complexes have been studied as a function of pH and oxidising agent. All the dinuclear complexes show a double protonation process at pH approximate to 2 that produces a shift in their UV/Vis spectra. Oxidation of the different non-protonated and diprotonated complexes has been carried out with peroxodisulfate, and of the non-protonated complexes also with trisoxalatocobaltate(III). The results are in agreement with predictions from the Marcus theory. The oxidation of [Fe(phen)(3)](3+) and [IrCl6](2-) is too fast to be measured, although for the latter the transient observation of the process has been achieved at pH = 0. The study of the kinetics of the outer-sphere redox process, with the S2O82- and [Co(ox)(3)](3-) oxidants, has been carried out as a function of pH, temperature, and pressure. As a whole, the values found for the activation volumes, entropies, and enthalpies are in the following margins, for the diprotonated and non-protonated dinuclear complexes, respectively: DeltaV(not equal) from 11 to 13 and 15 to 20 cm(3) mol(-1); DeltaS(not equal) from 110 to 30 and -60 to -90 J K-1 mol(-1); DeltaH(not equal) from 115 to 80 and 50 to 65 kJ.mol(-1). The thermal activation parameters are clearly dominated by the electrostriction occurring on outer-sphere precursor formation, while the trends found for the values of the volume of activation indicate an important degree of tuning due to the charge distribution during the electron transfer process. The special arrangement on the amine ligands in the isomer trans[(L14CoNCFeII)-N-III(CN)(5)](-) accounts for important differences in solvent-assisted hydrogen bonding occurring within the outer-sphere redox process, as has been established in redox reactions of similar compounds. ((C) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 69451 Weinheim, Germany, 2003).

Synthesis, characterization and redox behaviour of benzoyldiazenido- and oxorhenium complexes bearing N,N- and S,S-type ligands

The reactions of [ReCl2{eta(2)-N2C(O)Ph}(PPh3)(2)](1) with 2-aminopyrimidine (H(2)Npyrm), 2,2'-bipyridine (bpy) and tetraethylthiuram disulfide (tds), in MeOH upon reflux, lead to the new eta(1)-(benzoyldiazenido)-rhenium(III) complexes [ReCl{eta(1)-N2C(O)Ph}(HNpyrm)(PPh3)(2)](2)and [ReCl2{eta(1)-N2C(O)Ph}(bpy)(PPh3)] (3), and the known oxo(diethyldithiocarbamato)dirhenium(v)complex [Re2O2(mu O){Et2NC(S)S}(4)](4), respectively. The Et2NC(S)S ligands in 4 result from S-S bond rupture of tds molecules. The obtained compounds have been characterized by IR, H-1, P-31{H-1} and C-13{H-1} NMR spectroscopies, FAB(+)-MS, elemental and single-crystal X-ray diffraction (for 2 and 4)analyses. Complex 2 represents the first structurally characterized Re compound derived from 2-aminopyrimidine. Besides, the redox behaviour of 2-4 in CH2Cl2 solution has been studied by cyclic voltammetry, and the Lever electrochemical ligand parameter (E-L)has been estimated, for the first time, for HNpyrm. The electrochemical results are discussed in terms of electronic properties of the Re centres and the ligands.

Controlo de desactivação de catalisadores em destilação reactiva

A presente dissertação tem como objectivo estudar o efeito da desactivação do catalisador em colunas de destilação reactiva e estratégias para manter a coluna em funcionamento após o início da desactivação do catalisador. Investiga-se a utilização da temperatura da alimentação como forma de manter o desempenho em situações de desactivação parcial do catalisador. O sistema considerado para o estudo é a metátese das olefinas em que o 2-penteno é convertido em 2-buteno e 3-hexeno (2C5H10  C4H8 + C6H12). Desenvolveram-se vários casos, com diferentes cenários de possíveis colunas de destilação reactivas utilizando a reacção acima mencionada, e foram efectuados vários estudos de simulação, estado estacionário e dinâmico, recorrendo ao software Aspen PlusTM/Aspen DynamicsTM. Com base nos estudos efectuados foi então possível realizar uma análise de custos comparativos, conseguindo assim desenvolver um modelo de custos e com este se concluir que a alternativa de prolongar as purezas iniciais dos produtos controlando as temperaturas de alimentação das colunas de destilação reactiva, enquanto o catalisador se encontra em processo de desactivação, esta é uma alternativa mais rentável, ao invés de uma paragem do processo para a troca do catalisador.

Estudo do uso de hidrotalcites de Mg-Al como catalisadores heterogéneos para produção de biodiesel

A transesterificação de óleos vegetais ou gorduras animais com um álcool de baixo peso molecular é o principal processo utilizado na produção de biodiesel. Actualmente os processos industriais utilizam catalisadores homogéneos para acelerar a reacção. No entanto a utilização de catalisadores heterogéneos, no processo de transesterificação, tem sido sugerido por vários investigadores pois, são amigos do ambiente e podem ser regenerados e reutilizados portanto possibilitam a utilização de processos contínuos. Neste contexto, a utilização de hidrotalcites Mg-Al, como catalisadores heterogéneos para produção de biodiesel foi investigada neste trabalho experimental. As hidrotalcites com diferentes razões molares Mg/Al (Mg/Al=1, 2, 3 e 4) foram preparadas pelo método de co-precipitação. As diversas matrizes catalíticas obtidas, calcinadas a diferentes temperaturas, foram caracterizadas por difracção de raios X (DRX), análise térmica (TG-DSC), espectroscopia de infravermelhos (MIR), microscopia electrónica de varrimento (SEM) e isotérmicas de adsorção com azoto (BET). Estes catalisadores foram testados na metanólise de óleos vegetais para produzir biodiesel. As hidrotalcites Mg/Al=2, HT2A e HT2B (preparada com metade da quantidade de NaOH) calcinadas a 507 ºC e 700 ºC, respectivamente, foram as que apresentaram melhores resultados ao catalisar a reacção com um rendimento em éster superior a 97%, utilizando 2.5% da massa de catalisador, em relação à massa do óleo, razão molar metanol/óleo igual a 12, temperatura reaccional de 65 ºC durante 4h. Foi também investigada a reutilização do catalisador e o efeito da temperatura de calcinação. Constatou-se que o catalisador hidrotalcite HT2B apresentou melhor comportamento catalítico pois permitiu catalisar a reacção de transesterificação até três ciclos reaccionais, convertendo em ésteres 97%, 92% e 34% no primeiro, segundo e terceiro ciclos reaccionais, respectivamente. A análise de, algumas propriedades do biodiesel obtido como, o índice de acidez, a viscosidade e o índice de iodo mostraram que os resultados obtidos estão dentro dos valores limite recomendados pela norma EN 14214. Em anexo apresenta-se uma comunicação à First International Conference on Materials for Energy, Karlsruhe, 2010.

A disfunção redox espinhal na dor neuropática

As espécies reativas de oxigénio (ROS) estão envolvidas no desenvolvimento de dor neuropática. No entanto, a aplicação clínica de moléculas antioxidantes no tratamento desta patologia tem demonstrado pouca eficácia. A inibição da NADPH oxidase (NOX), uma das principais fontes de ROS, poderá ser uma boa estratégia terapêutica. O nosso grupo verificou que a apocinina (inibidor da NOX) melhora parcialmente os sintomas de dor neuropática e a disfunção redox espinhal no modelo SNI (spared nerve injury). De forma a melhorar este efeito terapêutico, o presente estudo insere-se num projeto maior, que visa identificar as isoformas da NOX envolvidas na fisiopatologia da doença e avaliar o efeito da administração de inibidores específicos para essas isoformas. Assim, propusemo-nos a avaliar a disfunção redox espinhal em fases precoces dador neuropática periférica induzida pelo modelo SNI no Rato, relacionando-a com os comportamentos de dor demonstrados pelos animais. Foram constituídos três grupos experimentais: SNI, sham e naïve, com subgrupos testados e sacrificados aos dias 1, 3, 7 e 14 após a cirurgia. Avaliou-se a sensibilidade mecânica (vonFrey e pinprick) e ao frio (acetona) dos animais, sacrificaram-se e recolheram-se as medulas espinhais para análise imunohistoquímica, com marcadores de dano oxidativo no DNA e de dano nitrosativo. Ao contrário dos animais sham, que demonstraram um comportamento muito próximo dos naïve, os animais SNI desenvolveram alodínia mecânica e ao frio e hiperalgesia mecânica na pata ipsilateral. No entanto, o dano oxidativo no corno dorsal ipsilateral da medula espinhal apresentou-se idêntico nos grupos SNI e sham ao longo dos 14 dias de estudo, não havendo também diferenças entre os cornos ipsi e contralateral à lesão nervosa. É possível que o desenvolvimento de dor neuropática nos animais SNI não se faça acompanhar de disfunção redox espinhal, pelo menos até aos 14 dias pós indução. O facto de a lesão nervosa no modelo SNI se localizar numa porção distal do ciático, ao contrário de outros modelos em que o stresse oxidativo espinhal foi já descrito, poderia explicar essas diferenças. Em todo o caso, considerando que os resultados comportamentais obtidos indicam que as cirurgias SNI e sham causam diferentes níveis de sensibilização nos animais, parece-nos fulcral prolongar os tempos de neuropatia, e executar uma avaliação do estado redox com outros marcadores, de forma a elucidar se, de facto, existem ROS envolvidas nesta sensibilização e, em caso positivo, poder identificar essas espécies, bem como as suas fontes.

Cellular polarity in aging: role of redox regulation and nutrition

Cellular polarity concerns the spatial asymmetric organization of cellular components and structures. Such organization is important not only for biological behavior at the individual cell level, but also for the 3D organization of tissues and organs in living organisms. Processes like cell migration and motility, asymmetric inheritance, and spatial organization of daughter cells in tissues are all dependent of cell polarity. Many of these processes are compromised during aging and cellular senescence. For example, permeability epithelium barriers are leakier during aging; elderly people have impaired vascular function and increased frequency of cancer, and asymmetrical inheritance is compromised in senescent cells, including stem cells. Here, we review the cellular regulation of polarity, as well as the signaling mechanisms and respective redox regulation of the pathways involved in defining cellular polarity. Emphasis will be put on the role of cytoskeleton and the AMP-activated protein kinase pathway. We also discuss how nutrients can affect polarity-dependent processes, both by direct exposure of the gastrointestinal epithelium to nutrients and by indirect effects elicited by the metabolism of nutrients, such as activation of antioxidant response and phase-II detoxification enzymes through the transcription factor nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2). In summary, cellular polarity emerges as a key process whose redox deregulation is hypothesized to have a central role in aging and cellular senescence.

Preparação de catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel

A produção de biodiesel como combustível para motores diesel, aumentou fortemente nos últimos anos e espera-se que cresça mais e mais num futuro próximo. O aumento do consumo de biodiesel exige processos de produção optimizados que permitam grandes capacidades de produção, operações simplificadas, rendimentos altos, bem como a utilização de matérias-primas mais económicas. Por isso, o desenvolvimento de processos de produção de baixo custo exige a especificação de catalisadores heterogéneos eficientes na promoção da reacção de transesterificação, permitindo a imediata separação da glicerina pura, não necessitando de uma purificação dispendiosa deste subproduto. Os xerogéis de carbono surgem então como materiais promissores para aplicação como catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel, devido às suas excelentes propriedades ao nível da sua textura e superfície química. Neste trabalho o principal objectivo foi a preparação de um xerogel de carbono, com o intuito de posteriormente ser aplicado na produção de biodiesel por catálise heterogénea. Amostras de xerogel de carbono foram preparadas pelo método sol-gel e oxidadas em fase líquida sendo posteriormente caracterizados os seus grupos funcionais e a sua área específica. Os resultados obtidos mostram que é possivel obter um xerogel de carbono com área superficial alta, tendo sido atingido um valor máximo para a amostra número dois (803 m2/g). Os resultados atingidos ao nível da preparação do catalisador permitem concluir que as condições de operação influenciam a estrutura final do xerogel de carbono. Quanto à caracterização da química superficial do xerogel, foi possível verificar que a diferença do número de acidez entre as amostras oxidadas e não oxidadas do mesmo lote é alta, o que permite afirmar que a oxidação do material de carbono incrementa a concentração de grupos oxigénio à superfície do xerogel. O valor máximo para o número de acidez foi obtido com a amostra número três (Amostra oxidada - 916 μmol/g, Amostra não oxidada - 207 μmol/g). Apesar de terem sido realizados ensaios para a produção de biodiesel os resultados obtidos foram nulos. A escolha das condições de reacção para a catálise heterogénea com este tipo de material poderá não ter sido a mais indicada, assim como a quantidade e o tipo de grupos funcionais introduzidos no catalisador não terem acidez suficiente para permitir uma catálise efectiva.

Despolimerização do polimetacrilato de metilo utilizando como catalisadores argilas pilarizadas

O crescente consumo de materiais plásticos, a maioria produzidos a partir de matérias-primas derivadas do petróleo, um recurso não renovável, e a deposição dos seus resíduos não biodegradáveis na natureza, colocam problemas ambientais de solução premente. Este trabalho teve como objectivo o estudo de um processo de reciclagem química de resíduos plásticos, a despolimerização catalítica de polimetacrilato de metilo (PMMA), vulgarmente designado por vidro acrílico, com vista à obtenção do seu monómero puro, metacrilato de metilo (MMA), para posterior produção de PMMA. A utilização de catalisadores permite diminuir a temperatura do processo de despolimerização térmica, pirólise, e modificar a selectividade relativamente aos produtos desejados. A pirólise de PMMA tem sido estudada a temperaturas de 450-590 ºC. Neste caso foi realizado, a 320 ºC, num reactor de leito fluidizado, um estudo prévio do efeito de diversos metais, cobre, níquel, cério, césio e lantânio suportados numa argila pilarizada calcinada a três temperaturas diferentes, 300 ºC, 500 ºC e 700 ºC. Foram testados polímero puro e resíduo de polímero, proveniente da reciclagem automóvel (vidros e partes ópticas). Em todas as reacções realizadas, que atingiram conversões elevadas, foi obtido maioritariamente MMA, com selectividades que variaram entre 97% e 99%, sendo formadas quantidades vestigiárias de ácido acrílico e ácido metacrílico. Foi verificado que quase todos os materiais testados promovem um efeito catalítico considerável à temperatura de 320 ºC. As argilas pilarizadas não impregnadas, que serviram como suporte, apresentaram uma actividade catalítica muito significativa. Relativamente às temperaturas de calcinação observou-se que a argila calcinada a 300 ºC é a que apresenta melhores resultados, quer em termos de conversão final, como de velocidade inicial e selectividade para o monómero. Os aditivos contidos no resíduo de PMMA não apresentaram um efeito de inibição significativo na actividade dos catalisadores testados. Em consequência, conclui-se que a utilização de argilas pilarizadas à temperatura de 320 ºC(mais baixa que as aplicadas na pirólise térmica de PMMA, iguais ou superiores a 450 ºC) constitui um processo, que associado a uma considerável poupança de energia, se torna uma alternativa bastante viável à despolimerização térmica de resíduos de polimetacrilato de metilo.

Broad-temperature range spectroscopy of the two-centre modular redox metalloprotein Desulfovibrio desulfuricans desulfoferrodoxin

Dalton Trans., 2003, 3328-3338

Bilirubin directly disrupts membrane lipid polarity and fluidity, protein order, and redox status in rat mitochondria

Background/Aims: Unconjugated bilirubin (UCB) impairs crucial aspects of cell function and induces apoptosis in primary cultured neurones. While mechanisms of cytotoxicity begin to unfold, mitochondria appear as potential primary targets. Methods: We used electron paramagnetic resonance spectroscopy analysis of isolated rat mitochondria to test the hypothesis that UCB physically interacts with mitochondria to induce structural membrane perturbation, leading to increased permeability, and subsequent release of apoptotic factors. Results: Our data demonstrate profound changes on mitochondrial membrane properties during incubation with UCB, including modified membrane lipid polarity and fluidity (P , 0:01), as well as disrupted protein mobility(P , 0:001). Consistent with increased permeability, cytochrome c was released from the intermembrane space(P , 0:01), perhaps uncoupling the respiratory chain and further increasing oxidative stress (P , 0:01). Both ursodeoxycholate, a mitochondrial-membrane stabilising agent, and cyclosporine A, an inhibitor of the permeability transition, almost completely abrogated UCB-induced perturbation. Conclusions: UCB directly interacts with mitochondria influencing membrane lipid and protein properties, redox status, and cytochrome c content. Thus, apoptosis induced by UCB may be mediated, at least in part, by physical perturbation of the mitochondrial membrane. These novel findings should ultimately prove useful to our evolving understanding of UCB cytotoxicity.

Utilização de catalisadores de cracking catalítico na despolimerização do poli(metacrilato de metilo)

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica