981 resultados para Catalysis.


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The origin of the catalytic power of enzymes is discussed, paying attention to evolutionary constraints. It is pointed out that enzyme catalysis reflects energy contributions that cannot be determined uniquely by current experimental approaches without augmenting the analysis by computer simulation studies. The use of energy considerations and computer simulations allows one to exclude many of the popular proposals for the way enzymes work. It appears that the standard approaches used by organic chemists to catalyze reactions in solutions are not used by enzymes. This point is illustrated by considering the desolvation hypothesis and showing that it cannot account for a large increase in kcat relative to the corresponding kcage for the reference reaction in a solvent cage. The problems associated with other frequently invoked mechanisms also are outlined. Furthermore, it is pointed out that mutation studies are inconsistent with ground state destabilization mechanisms. After considering factors that were not optimized by evolution, we review computer simulation studies that reproduced the overall catalytic effect of different enzymes. These studies pointed toward electrostatic effects as the most important catalytic contributions. The nature of this electrostatic stabilization mechanism is far from being obvious because the electrostatic interaction between the reacting system and the surrounding area is similar in enzymes and in solution. However, the difference is that enzymes have a preorganized dipolar environment that does not have to pay the reorganization energy for stabilizing the relevant transition states. Apparently, the catalytic power of enzymes is stored in their folding energy in the form of the preorganized polar environment.

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The x-ray crystal structures of the sulfide oxidase antibody 28B4 and of antibody 28B4 complexed with hapten have been solved at 2.2-angstrom and 1.9-angstrom resolution, respectively. To our knowledge, these structures are the highest resolution catalytic antibody structures to date and provide insight into the molecular mechanism of this antibody-catalyzed monooxygenation reaction. Specifically, the data suggest that entropic restriction plays a fundamental role in catalysis through the precise alignment of the thioether substrate and oxidant. The antibody active site also stabilizes developing charge on both sulfur and periodate in the transition state via cation-pi and electrostatic interactions, respectively. In addition to demonstrating that the active site of antibody 28B4 does indeed reflect the mechanistic information programmed in the aminophosphonic acid hapten, these high-resolution structures provide a basis for enhancing turnover rates through mutagenesis and improved hapten design.

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In this paper, the chemical reactivity of C3 of phosphoenolpyruvate (PEP) has been analyzed in terms of density functional theory quantified through quantum chemistry calculations. PEP is involved in a number of important enzymatic reactions, in which its C3 atom behaves like a base. In three different enzymatic reactions analyzed here, C3 sometimes behaves like a soft base and sometimes behaves like a hard base in terms of the hard-soft acid-base principle. This dual nature of C3 of PEP was found to be related to the conformational change of the molecule. This leads to a testable hypothesis: that PEP adopts particular conformations in the enzyme-substrate complexes of different PEP-using enzymes, and that the enzymes control the reactivity through controlling the dihedral angle between the carboxylate and the C==C double bond of PEP.

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Chorismate mutase (EC 5.4.99.5) catalyzes the intramolecular rearrangement of chorismate to prephenate. Arg-90 in the active site of the enzyme from Bacillus subtilis is in close proximity to the substrate's ether oxygen and may contribute to efficient catalysis by stabilizing the presumed dipolar transition state that would result upon scission of the C--O bond. To test this idea, we have developed a novel complementation system for chorismate mutase activity in Escherichia coli by reengineering parts of the aromatic amino acid biosynthetic pathway. The codon for Arg-90 was randomized, alone and in combination with that for Cys-88, and active clones were selected. The results show that a positively charged residue either at position 88 (Lys) or 90 (Arg or Lys) is essential. Our data provide strong support for the hypothesis that the positive charge is required for stabilization of the transition state of the enzymatic chorismate rearrangement. The new selection system, in conjunction with combinatorial mutagenesis, renders the mechanism of the natural enzyme(s) accessible to further exploration and opens avenues for the improvement of first generation catalytic antibodies with chorismate mutase activity.

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A simple and highly sensitive catalysis assay is demonstrated based on analyzing reactions with acridonetagged compounds by thin-layer chromatography. As little as 1 pmol of product is readily visualized by its blue fluorescence under UV illumination and identified by its retention factor (Rf). Each assay requires only 10 microliters of solution. The method is reliable, inexpensive, versatile, and immediately applicable in repetitive format for screening catalytic antibody libraries. Three examples are presented: (i) the epoxidation of acridone labeled (S)-citronellol. The pair of stereoisomeric epoxides formed is resolved on the plate, which provides a direct selection method for enantioselective epoxidation catalysts. (ii) Oxidation of acridone-labeled 1-hexanol to 1-hexanal. The activity of horse liver alcohol dehydrogenase is detected. (iii) Indirect product labeling of released aldehyde groups by hydrazone formation with an acridone-labeled hydrazide. Activity of catalytic antibodies for hydrolysis of enol ethers is detected.

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Engineering site-specific amino acid substitutions into the protein-tyrosine phosphatase (PTPase) PTP1 and the dual-specific vaccinia H1-related phosphatase (VHR), has kinetically isolated the two chemical steps of the reaction and provided a rare opportunity for examining transition states and directly observing the phosphoenzyme intermediate. Changing serine to alanine in the active-site sequence motif HCXXGXXRS shifted the rate-limiting step from intermediate formation to intermediate hydrolysis. Using phosphorus 31P NMR, the covalent thiol-phosphate intermediate was directly observed during catalytic turnover. The importance of the conserved aspartic acid (D92 in VHR and D181 in PTP1) in both chemical steps was established. Kinetic analysis of D92N and D181N mutants indicated that aspartic acid acts as a general acid by protonating the leaving-group phenolic oxygen. Structure-reactivity experiments with native and aspartate mutant enzymes established that proton transfer is concomitant with P-O cleavage, such that no charge develops on the phenolic oxygen. Steady- and presteady-state kinetics, as well as NMR analysis of the double mutant D92N/S131A (VHR), suggested that the conserved aspartic acid functions as a general base during intermediate hydrolysis. As a general base, aspartate would activate a water molecule to facilitate nucleophilic attack. The amino acids involved in transition-state stabilization for cysteinylphosphate hydrolysis were confirmed by the x-ray structure of the Yersinia PTPase complexed with vanadate, a transition-state mimic that binds covalently to the active-site cysteine. Consistent with the NMR, x-ray, biochemical, and kinetic data, a unifying mechanism for catalysis is proposed.

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During oxidative and photo-phosphorylation, F0F1-ATP synthases couple the movement of protons down an electrochemical gradient to the synthesis of ATP. One proposed mechanistic feature that has remained speculative is that this coupling process requires the rotation of subunits within F0F1. Guided by a recent, high-resolution structure for bovine F1 [Abrahams, J. P., Leslie, A. G., Lutter, R. & Walker, J. E. (1994) Nature (London) 370, 621-628], we have developed a critical test for rotation of the central gamma subunit relative to the three catalytic beta subunits in soluble F1 from Escherichia coli. In the bovine F1 structure, a specific point of contact between the gamma subunit and one of the three catalytic beta subunits includes positioning of the homolog of E. coli gamma-subunit C87 (gamma C87) close to the beta-subunit 380DELSEED386 sequence. A beta D380C mutation allowed us to induce formation of a specific disulfide bond between beta and gamma C87 in soluble E. coli F1. Formation of the crosslink inactivated beta D380C-F1, and reduction restored full activity. Using a dissociation/reassembly approach with crosslinked beta D380C-F1, we incorporated radiolabeled beta subunits into the two noncrosslinked beta-subunit positions of F1. After reduction of the initial nonradioactive beta-gamma crosslink, only exposure to conditions for catalytic turnover results in similar reactivities of unlabeled and radiolabeled beta subunits with gamma C87 upon reoxidation. The results demonstrate that gamma subunit rotates relative to the beta subunits during catalysis.

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A fundamental catalytic principle for protein enzymes in the use of binding interactions away from the site of chemical transformation for catalysis. We have compared the binding and reactivity of a series of oligonucleotide substrates and products of the Tetrahymena ribozyme, which catalyzes a site-specific phosphodiester cleavage reaction: CCCUCUpA+G<-->CCCUCU-OH+GpA. The results suggest that this RNA enzyme, like protein enzymes, can utilize binding interactions to achieve substantial catalysis via entropic fixation and substrate destabilization. The stronger binding of the all-ribose oligonucleotide product compared to an analog with a terminal 3' deoxyribose residue gives an effective concentration of 2200 M for the 3' hydroxyl group, a value approaching those obtained with protein enzymes and suggesting the presence of a structurally well defined active site capable of precise positioning. The stabilization from tertiary binding interactions is 40-fold less for the oligonucleotide substrate than the oligonucleotide product, despite the presence of the reactive phosphoryl group in the substrate. This destabilization is accounted for by a model in which tertiary interactions away from the site of bond cleavage position the electron-deficient 3' bridging phosphoryl oxygen of the oligonucleotide substrate next to an electropositive Mg ion. As the phosphodiester bond breaks and this 3' oxygen atom develops a negative charge in the transition state, the weak interaction of the substrate with Mg2+ becomes strong. These strategies of "substrate destabilization" and "transition state stabilization" provide estimated rate enhancements of approximately 280- and approximately 60-fold, respectively. Analogous substrate destabilization by a metal ion or hydrogen bond donor may be used more generally by RNA and protein enzymes catalyzing reactions of phosphate esters.

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Catalytically active heterogeneous catalysts have been prepared via microwave deposition of iron oxide nanoparticles (0.5–1.2 wt%) on MCM-41 type silica materials with different morphologies (particles, helical and spheres). This methodology leads to iron oxide nanoparticles composed by a mixture of FeO and Fe2O3 species, being the Fe(II)/Fe(III) peak ratio near to 1.11 by XPS. DRUV spectroscopy indicates the presence of tetrahedral coordinated Fe3+ in the silica framework of the three catalysts as well as some extraframework iron species in the catalysts with particle and sphere-like morphologies. The loading of the nanoparticles does neither affect the mesopore arrangement nor the textural properties of the silica supports, as indicated by SAXS and nitrogen adsorption/desorption isotherms. A detailed investigation of the morphology of the supports in various microwave-assisted catalyzed processes shows that helical mesostructures provide optimum catalytic activities and improved reusabilities in the microwave-assisted redox (selective oxidation of benzyl alcohol) catalyzed process probably due to a combination of lower particle size and higher acidity in comparison with the supports with particle and sphere morphology.

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Different catalysts, based on heteropolyacids supported on activated carbon fibers, have been prepared for palmitic acid esterification reaction. The influence of the catalyst (heteropolyacid) and the support on the catalytic activity have been analyzed. The results prove that an adequate combination of both is required to achieve the most suitable catalysts. Regarding to the heteropolyacid, phosphomolybdic acid seems to be the most suitable appropriate taking into account its lowest leaching. About the support, it must show an optimum microporosity, which must be wide enough to allow the entrance and exit of the reagents and products but not too wide in order to avoid the leaching of the catalyst. In addition, both decreasing of the catalytic activity and its recovery over several cycles have been analyzed.

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Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

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Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

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Includes bibliographies.

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"Prepared by the Polytechnic Institute of Brooklyn...under the supervision of Dr. C.G. Overberger."