Suppressor mutations in Escherichia coli methionyl-tRNA formyltransferase: Role of a 16-amino acid insertion module in initiator tRNA recognition

The specific formylation of initiator methionyl-tRNA by methionyl-tRNA formyltransferase (MTF; EC 2.1.2.9) is important for the initiation of protein synthesis in eubacteria and in eukaryotic organelles. The determinants for formylation in the tRNA are clustered mostly in the acceptor stem. As part of studies on the molecular mechanism of recognition of the initiator tRNA by MTF, we report here on the isolation and characterization of suppressor mutations in Escherichia coli MTF, which compensate for the formylation defect of a mutant initiator tRNA, lacking a critical determinant in the acceptor stem. We show that the suppressor mutant in MTF has a glycine-41 to arginine change within a 16-amino acid insertion found in MTF from many sources. A mutant with glycine-41 changed to lysine also acts as a suppressor, whereas mutants with changes to aspartic acid, glutamine, and leucine do not. The kinetic parameters of the purified wild-type and mutant Arg-41 and Lys-41 enzymes, determined by using the wild-type and mutant tRNAs as substrates, show that the Arg-41 and Lys-41 mutant enzymes compensate specifically for the strong negative effect of the acceptor stem mutation on formylation. These and other considerations suggest that the 16-amino acid insertion in MTF plays an important role in the specific recognition of the determinants for formylation in the acceptor stem of the initiator tRNA.

The role of zinc in the binding of killer cell Ig-like receptors to class I MHC proteins

The binding of killer cell Ig-like Receptors (KIR) to their Class I MHC ligands was shown previously to be characterized by extremely rapid association and dissociation rate constants. During experiments to investigate the biochemistry of receptor–ligand binding in more detail, the kinetic parameters of the interaction were observed to alter dramatically in the presence of Zn2+ but not other divalent cations. The basis of this phenomenon is Zn2+-induced multimerization of the KIR molecules as demonstrated by BIAcore, analytical ultracentrifugation, and chemical cross-linking experiments. Zn2+-dependent multimerization of KIR may be critical for formation of the clusters of KIR and HLA-C molecules, the “natural killer (NK) cell immune synapse,” observed at the site of contact between the NK cell and target cell.

Human MTH1 protein hydrolyzes the oxidized ribonucleotide, 2-hydroxy-ATP

The human nucleotide pool sanitization enzyme, MTH1, hydrolyzes 2-hydroxy-dATP and 8-hydroxy-dATP in addition to 8-hydroxy-dGTP. We report here that human MTH1 is highly specific for 2-hydroxy-ATP, among the cognate ribonucleoside triphosphates. The pyrophosphatase activities for 8-hydroxy-GTP, 2-hydroxy-ATP and 8-hydroxy-ATP were measured by high-performance liquid chromatography. The kinetic parameters thus obtained indicate that the catalytic efficiencies of MTH1 are in the order of 2-hydroxy-dATP > 2-hydroxy-ATP > 8-hydroxy-dGTP > 8-hydroxy-dATP >> dGTP > 8-hydroxy-GTP > 8-hydroxy-ATP. Notably, MTH1 had the highest affinity for 2-hydroxy-ATP among the known substrates. ATP is involved in energy metabolism and signal transduction, and is a precursor in RNA synthesis. We suggest that the 2-hydroxy-ATP hydrolyzing activity of MTH1 might prevent the perturbation of these ATP-related pathways by the oxidized ATP.

Characterization of the wild-type form of 4a-carbinolamine dehydratase and two naturally occurring mutants associated with hyperphenylalaninemia.

The characterization of 4a-carbinolamine dehydratase with the enzymatically synthesized natural substrate revealed non-Michaelis-Menten kinetics. A Hill coefficient of 1.8 indicates that the dehydratase exists as a multisubunit enzyme that shows cooperativity. A mild form of hyperphenylalaninemia with high 7-biopterin levels has been linked to mutations in the human 4a-carbinolamine dehydratase gene. We have now cloned and expressed two mutant forms of the protein based on a patient's DNA sequences. The kinetic parameters of the mutant C82R reveal a 60% decrease in Vmax but no change in Km (approximately 5 microM), suggesting that the cysteine residue is not involved in substrate binding. Its replacement by arginine possibly causes a conformational change in the active center. Like the wild-type enzyme, this mutant is heat stable and forms a tetramer. The susceptibility to proteolysis of C82R, however, is markedly increased in vitro compared with the wild-type protein. We have also observed a decrease in the expression levels of C82R protein in transfected mammalian cells, which could be due to proteolytic instability. The 18-amino acid-truncated mutant GLu-87--> termination could not be completely purified and characterized due to minute levels of expression and its extremely low solubility as a fusion protein. No dehydratase activity was detected in crude extracts from transformed bacteria or transfected mammalian cells. Considering the decrease in specific activity and stability of the mutants, we conclude that the patient probably has less than 10% residual dehydratase activity, which could be responsible for the mild hyperphenylalaninemia and the high 7-biopterin levels.

Analysis of the interaction of ZAP-70 and syk protein-tyrosine kinases with the T-cell antigen receptor by plasmon resonance.

Tyrosine phosphorylation of a 17-amino acid immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM), conserved in each of the signaling subunits of the T-cell antigen receptor (TCR), mediates the recruitment of ZAP-70 and syk protein-tyrosine kinases (PTKs) to the activated receptor. The interaction between the two tandemly arranged Src-homology 2 (SH2) domains of this family of PTKs and each of the phosphotyrosine-containing ITAMs was examined by real-time measurements of kinetic parameters. The association rate and equilibrium binding constants for the ZAP-70 and syk SH2 domains were determined for the CD3 epsilon ITAM. Both PTKs bound with ka and Kd values of 5 x 10(6) M-1.sec-1 and approximately 25 nM, respectively. Bindings to the other TCR ITAMs (zeta 1, zeta 2, gamma, and delta ITAMs) were comparable, although the zeta 3 ITAM bound approximately 2.5-fold less well. Studies of the affinity of a single functional SH2 domain of ZAP-70 provided evidence for the cooperative nature of binding of the dual SH2 domains. Mutation of either single SH2 domain decreased the Kd by > 100-fold. Finally, the critical features of the ITAM for syk binding were found to be similar to those required for ZAP-70 binding. These data provide insight into the mechanism by which the multisubunit TCR interacts with downstream effector molecules.

Produção de hidrogênio por fermentação por um novo isolado de Clostridium beijerinckii

O hidrogênio (H2) tem sido considerado uma fonte de energia limpa bastante promissora, pois sua combustão origina apenas moléculas de água, sendo uma alternativa ao uso de combustíveis fósseis. Entretanto, os métodos atuais de produção de H2 demandam matérias-primas finitas e uma grande quantidade de energia, tornando a sua obtenção não sustentável. Mais recentemente, a via fermentativa tem sido considerada para a produção de H2, utilizando como matérias-primas efluentes industriais, materiais lignocelulósicos e biomassa de algas, denominado de bio-hidrogênio de primeira, segunda e terceira geração, respectivamente. Neste trabalho foi isolada uma bactéria anaeróbia a partir de uma cultura mista (lodo) de um sistema de tratamento de vinhaça, após pré-tratamento do lodo a pH 3 por 12 horas. Este microrganismo foi identificado com 99% de similaridade como Clostridium beijerinckii com base na sequência do gene RNAr 16S denominado de C. beijerinckii Br21. A temperatura e o pH mais adequados para o crescimento e produção de H2 por esta cultura foi 35 °C e pH inicial 7,0. A bactéria possui a capacidade de utilizar ampla variedade de fontes de carbono para a produção de H2 por fermentação, especialmente, monossacarídeos resultantes da hidrólise de biomassa de algas, tais como glicose, galactose e manose. Foram realizados ensaios em batelada para a produção de H2 com a bactéria isolada empregando diferentes concentrações de glicose e galactose, visando a sua futura utilização em hidrolisados de alga. Os parâmetros cinéticos dos ensaios de fermentação estimados pelo modelo de Gompertz modificado, como a velocidade máxima de produção (Rm), a quantidade máxima de hidrogênio produzido (Hmáx) e o tempo necessário para o início da produção de hidrogênio (fase lag) para a glicose (15 g/L) foram de: 58,27 mL de H2/h, 57,68 mmol de H2 e 8,29 h, respectivamente. Para a galactose (15 g/L), a Rm, Hmáx e foram de 67,64 mL de H2/h, 47,61 mmol de H2 e 17,22 horas, respectivamente. O principal metabólito detectado ao final dos ensaios de fermentação, foi o ácido butírico, seguido pelo ácido acético e o etanol, tanto para os ensaios com glicose, como com galactose. C. beijerinckii é um candidato bastante promissor para a produção de H2 por fermentação a partir de glicose e galactose e, consequentemente, a partir de biomassa de algas como substratos.

Utilização de metanol, etanol e metano como doadores de elétrons para a desnitrificação

Esta tese apresenta e discute os dados obtidos a partir de trabalho experimental projetado para avaliar comparativamente o desempenho de reatores desnitrificantes em batelada, tendo etanol, metanol e gás metano como doadores de elétrons. Os experimentos foram realizados em reatores em escala de bancada. Os ensaios com gás metano objetivaram verificar a efetividade deste sub-produto de reatores anaeróbios em substituir os doadores exógenos de elétrons comumente utilizados, tais como metanol e etanol. Para alcançar o objetivo principal deste trabalho, os parâmetros cinéticos de desnitrificação, para os doadores de elétrons ensaiados, foram determinados nas diferentes condições operacionais. Além disso, as alterações ocorridas na população microbiana, ao longo do período experimental, foram avaliadas em relação à diversidade microbiana, por meio de análises microscópicas (óptica, de fluorescência e eletrônica de varredura) e da técnica de Biologia Molecular de PCR/DGGE. A completa desnitrificação foi alcançada para todos os compostos testados, e o etanol foi o doador de elétrons mais eficiente para a desnitrificação. A melhor razão carbono-nitrogênio para a desnitrificação foi igual a 1,0. Contudo, este parâmetro foi encontrado ser inadequado para utilização no processo de desnitrificação, uma vez que não expressa a capacidade real do composto usado em doar elétrons. A desnitrificação com metano ocorreu tanto na presença como na ausência de oxigênio, embora a baixas velocidades quando comparado com os outros compostos. No entanto, a configuração do reator utilizado neste estudo não foi adequada para promover a efetiva dissolução do gás metano na fase líquida. Por essa razão, sugere-se o desenvolvimento de configurações de reatores apropriadas para minimizar as resistências à transferência de massa da fase gasosa para a líquida e também desta para a biomassa.

Gaseificação de microalgas: estudo termogravimétrico e modelagem matemática do processo em reator solar.

Devido ao esgotamento de recursos não renováveis e o aumento das preocupações sobre as alterações climáticas, a produção de combustível renovável a partir de microalgas continua a atrair muita a atenção devido ao seu potencial para taxas rápidas de crescimento, alto teor de óleo, capacidade de crescer em cenários não convencionais e a neutralidade de carbono, além de eliminar a preocupação da disputa com as culturas alimentares. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de um processo de conversão das microalgas em gás combustível, em destaque o gás de síntese. Visando essa importância, estudou-se a reação de gaseificação da microalga Chlorella vulgaris através de experimentos de análise termogravimétrica para estimar os parâmetros cinéticos das reações e através da simulação de um modelo matemático dinâmico termoquímico do processo usando equações de conservação de massa e energia acoplados a cinética de reação. Análises termogravimétricas isotérmicas e dinâmicas foram realizadas usando dois diferentes tipos de modelos cinéticos: isoconversionais e reações paralelas independentes (RPI). Em ambos os modelos, os valores dos parâmetros cinéticos estimados apresentaram bons ajustes e permaneceram dentro daqueles encontrados na literatura. Também foram analisados os efeitos dos parâmetros cinéticos do modelo RPI sobre a conversão da microalga no intuito de observar quais mais se pronunciavam diante a variação de valores. Na etapa de simulação do sistema controlado pelo reator solar, o modelo matemático desenvolvido foi validado por meio da comparação dos valores de temperatura e concentrações de produtos obtidos medidos experimentalmente pela literatura, apresentando boa aproximação nos valores e viabilizando, juntamente com a etapa experimental de termogravimetria, a produção de gás de síntese através da gaseificação da microalga Chlorella vulgaris.

Degradação enzimática de clorofenol em microrreator.

O microrreator faz parte de conjunto de dispositivos de uma nova e promissora tecnologia, que podem ser chamados de micro fabricados, atuante em campos como a da química, biológica, farmacêutica, engenharia química e biotecnologia. Trata-se de um dispositivo que possibilita reação química, tais como os reatores convencionais, mas com dimensões menores, com canais na escala micrométrica. A tecnologia de miniaturização de dispositivos para reações químicas vem se expandindo promovendo uma importante evolução, com microssistemas que abrange dispositivos mais eficazes, com configuração e geometrias específicas e menor consumo de energia, onde reações com elevadas taxas de transporte podem ser usadas para muitas finalidades diferentes, tais como, reações rápidas, mistura, reações sensíveis à temperatura, temperatura de homogeneização, ou até mesmo precipitação de nano partículas. Devido sua escala ser extremamente reduzida em relação à escala macro, oferecem um sistema que permite uma investigação do processo em um curto espaço de tempo, sendo muito útil para o rastreio de substratos, enzimas, condições de reação, bem como a determinação de parâmetros cinéticos. O presente trabalho teve por objetivo estudar a biodegradação enzimática de 2,4,6-Triclorofenol, com a utilização das enzimas Lacase e Soybean Peroxidase em microrreator da Syrris com volume de 250 ?l, que permite o estudo de cinéticas muito rápidas. Para as análises de degradação utilizou-se duas enzimas, a Lacase em concentrações de 0,05; 0,1 e 0,2 mg/ml; e a Soybean Peroxidase em concentrações de 0,0005; 0,001 e 0,002 mg/ml com a adição de Peróxido de Hidrogênio. Através dos ensaios realizados obteve-se dados experimentais da reação enzimática, possibilitando a verificação da taxa inicial de reação e sua cinética. Posteriormente, realizou-se as análises em simulação utilizando os dados experimentais, que através de um sistema de EDOs estimando inicialmente as constantes cinéticas k1, k2 e k3 usando a ferramenta ESTIMA, onde apresentaram duas respostas, uma resposta típica de mínimos quadrados, e a outra resposta que a velocidade inicial, que foi melhor representada pelos parâmetros obtidos. O método empregado na degradação do substrato, o microrreator mostrou-se eficiente, permitindo a detecção de baixo consumo de substrato para a determinação da taxa inicial, em curto tempo de residência. Perante os ensaios realizados com Lacase e Soybean Peroxidase, o microrreator é também um equipamento eficaz na repetitividade e na reprodutibilidade dos dados obtidos em diferentes concentrações.

Corn stover thermal decomposition in pyrolytic and oxidant atmosphere

The pyrolysis and combustion of corn stover were studied by dynamic thermogravimetry and derivate thermogravimetry (TG-DTG) at heating rates of 5, 10, 20 and 50 K min−1 at atmospheric pressure. For the simulation of pyrolysis and combustion processes a kinetic model based on the distribution of activation energies was used, with three pools of reactants (three pseudocomponents) because of the complexity of the biomass samples of agricultural origin. The experimental thermogravimetric data of pyrolysis and combustion processes were simultaneously fitted to determine a single set of kinetic parameters able to describe both processes at the different heating rates. The model proposed achieves a good correlation between the experimental and calculated curves, with an error of less than 4% for fitting four heating rates simultaneously. The experimental results and kinetic parameters may provide useful data for the design of thermo decomposition processing system using corn stover as feedstock. On the other hand, analysis of the main compounds in the evolved gas is given by means of a microcromatograph.

Influence of body composition on gait Kknetics throughout pregnancy and postpartum period

Pregnancy leads to several changes in body composition and morphology of women. It is not clear whether the biomechanical changes occurring in this period are due exclusively to body composition and size or to other physiological factors. The purpose was to quantify the morphology and body composition of women throughout pregnancy and in the postpartum period and identify the contribution of these parameters on the lower limb joints kinetic during gait. Eleven women were assessed longitudinally, regarding anthropometric, body composition, and kinetic parameters of gait. Body composition and body dimensions showed a significant increase during pregnancy and a decrease in the postpartum period. In the postpartum period, body composition was similar to the 1st trimester, except for triceps skinfold, total calf area, and body mass index, with higher results than at the beginning of pregnancy. Regression models were developed to predict women’s internal loading through anthropometric variables. Four models include variables associated with the amount of fat; four models include variables related to overall body weight; three models include fat-free mass; one model includes the shape of the trunk as a predictor variable. Changes in maternal body composition and morphology largely determine kinetic dynamics of the joints in pregnant women.

Comparative pharmacokinetics of metronidazole in camels, sheep and goats

The pharmacokinetics of metronidazole was determined after a single intramuscular (i.m.) dose of 30 mg.kg(-1)-body weight in five camels, sheep and goats. Marked differences were found between the three species in some of the kinetic parameters. For example, the elimination half-lives t(1/2); (h) in camels, sheep and goats were 10.0, 6.21 and 5.87, respectively. The drug maximum concentrations in plasma, C-max (mg.ml(-1)), were 28.3, 54.6 and 54.4 in camels, sheep and goats, respectively. The time to reach C-max, t(max) (h), were 5, 4 and 2 in camels, sheep and goats, respectively. The mean residence times (MRT; h) in camels, sheep and goats were 16.7, 10.8 and 8.64, respectively. In the light of the present kinetic data and known microbial sensitivities of metronidazole, we recommend an i.m. dose of 15 mg.kg(-1) in camels and 10 mg.kg(-1) in sheep and boats. every 12 h.

A dynamic mathematical model for sequential leach bed anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste

A mathematical model that describes the operation of a sequential leach bed process for anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste (MSW) is developed and validated. This model assumes that ultimate mineralisation of the organic component of the waste occurs in three steps, namely solubilisation of particulate matter, fermentation to volatile organic acids (modelled as acetic acid) along with liberation of carbon dioxide and hydrogen, and methanogenesis from acetate and hydrogen. The model incorporates the ionic equilibrium equations arising due to dissolution of carbon dioxide, generation of alkalinity from breakdown of solids and dissociation of acetic acid. Rather than a charge balance, a mass balance on the hydronium and hydroxide ions is used to calculate pH. The flow of liquid through the bed is modelled as occurring through two zones-a permeable zone with high flushing rates and the other more stagnant. Some of the kinetic parameters for the biological processes were obtained from batch MSW digestion experiments. The parameters for flow model were obtained from residence time distribution studies conducted using tritium as a tracer. The model was validated using data from leach bed digestion experiments in which a leachate volume equal to 10% of the fresh waste bed volume was sequenced. The model was then tested, without altering any kinetic or flow parameters, by varying volume of leachate that is sequenced between the beds. Simulations for sequencing/recirculating 5 and 30% of the bed volume are presented and compared with experimental results. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

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

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

Phosphotyrosyl peptides and analogues as substrates and inhibitors of purple acid phosphatases

Purple acid phosphatases are metal-containing hydrolases. While their precise biological role(s) is unknown, the mammalian enzyme has been linked in a variety of biological circumstances (e.g., osteoporosis) with increased bone resorption. Inhibition of the human enzyme is a possible strategy for the treatment of bone-resorptive diseases such as osteoporosis. Previously, we determined the crystal structure of pig purple acid phosphatase to 1.55 Angstrom and we showed that it is a good model for the human enzyme. Here, a study of the pH dependence of its kinetic parameters showed that the pig enzyme is most efficient at pH values similar to those encountered in the osteoclast resorptive space. Based on the observation that phosphotyrosine-containing peptides are good substrates for pig purple acid phosphatase, peptides containing a range of phosphotyrosine mimetics were synthesized. Kinetic analysis showed that they act as potent inhibitors of mammalian and plant purple acid phosphatases, with the best inhibitors exhibiting low micromolar inhibition constants at pH 3-5. These compounds are thus the most potent organic inhibitors yet reported for the purple acid phosphatases. (C) 2004 Published by Elsevier Inc.