Aspects of the hemes and modulation of hydrogen donors in catalases from bovine liver, yeast, and escherichia coli

Catalase is the enzyme which decomposes hydrogen peroxide to water and oxygen. Escherichia coli contains two catalases. Hydroperoxidase I (HPI) is a bifunctional catalase-peroxidase. Hydroperoxidase II (HPII) is only catalytically active toward H202. Expression of the genes encoding these proteins is controlled by different regimes. HPJI is thought to be a hexamer, having one heme d cis group per enzymatic subunit. HPII wild type protein and heme containing mutant proteins were obtained from the laboratory of P. Loewen (Univ. of Manitoba). Mutants constructed by oligonucleotidedirected mutagenesis were targeted for replacement of either the His128 residue or the Asn201 residue in the vicinity of the HPII heme crevice. His128 is the residue thought to be analogous to the His74 distal axial ligand of the heme in the bovine liver enzyme, and Asn201 is believed to be a residue critical to the function of the enzyme because of its role in orienting and interacting with the substrate molecule. Investigation of the nature of the hemes via absorption spectroscopy of the unmodified catalase proteins and their derived pyridine hemochromes showed that while the bovine and Saccharomyces cerevisiae catalase enzymes are protoheme-containing, the HPII wild type protein contains heme d, and the mutant proteins contain either solely protoheme, or heme d-protoheme mixtures. Cyanide binding studies supported this, as ligand binding was monophasic for the bovine, Saccharomyces cerevisiae, and wild type HPII enzymes, but biphasic for several of the HPII mutant proteins. Several mammalian catalases, and at least two prokaryotic catalases, are known to be NADPH binding. The function of this cofactor appears to be the prevention of inactivation of the enzyme, which occurs via formation of the inactive secondary catalase peroxide compound (compound II). No physiologically plausible scheme has yet been proposed for the NADPH mediation of catalase activity. This study has shown, via fluorescence and affinity chromatography techniques, that NADPH binds to the T (Typical) and A (Atypical) catalases of Saccharomyces cerevisiae, and that wild type HPII apparently does not bind NADPH. This study has also shown that NADPH is unlike any other hydrogen donor to catalase, and addresses its features as a unique donor by proposing a mechanism whereby NADPH is oxidized and catalase is protected from inactivation via the formation of protein radical species. Migration of this radical to a position close to the NADPH is also proposed as an adjunct hypothesis, based on similar electron migrations that are known to occur within metmyoglobin and cytochrome c peroxidase when reacted with H202. Validation of these hypotheses may be obtained in appropriate future experiments.

Comparative electron impact and fast atom bombardment mass spectrometric studies of some HMPA adducts of phenyltin and phenyllead halides and studies of strong hydrogen bonding by FAB-MS

The fragmentation patterns and mass spectra of some phenyl tin and -lead halide adducts with hexamethylphosphoramide are compared by subjecting them t~ electron impact and fast atom bombardment ionization in a mass spectrometer. This comparison is restricted to the metal-containing ions. Ligand-exchange mechanisms of some of the metal-containing species are explored by FAB-MS. Several moisturesensitive organo-metallics and H-bonded systems have been examined by FAB for attempted characterization, but without any success. Scavenging and trapping of water molecules by complex aggregates in solutions of quaternary ammonium fluorides and hydroxides are investigated by FAB to complement previous NMR-studies.

Factors affecting DNA uptake by mammalian cells

The ability to introduce DNA and express custom DNA sequences in bacteria opened the door for improvements in a large number of fields including agriculture, pharmacology, medicine, nutrition, etc. The ability to introduce foreign DNA sequences into mammalian cells in an efficient manner would have a large impact on therapeutic applications especially gene therapy. The methods in use today suffer from low efficiencies and sometimes toxicity. In this work a number of factors were evaluated for their effect onONA uptake efficiency. The factors studied included exposure to sublethal concentration of hydrogen peroxide which have been show to lead to destabilisation ofthe lysosomes. These exposures have proven to be very toxic to cells when combined with either the calcium phosphate or the lipofectAMINE® transfection methods. Another factor evaluated was exposure to Electro-Magnetic Fields (EMF). This was fuelled by the fact that EMF have been shown to mediate a number of effects on cell structure and/or physiology. EMF exposure by itself was not sufficient to induce the cells to pick up the DNA, therefore its effect on calcium phosphate and lipofectAMINE® was tested. Although some positive results were obtained, the variability of these results exceeded by far any observed enhancements which discouraged any further work on EMF. Also tested was the possible effect the presence of the cytomegalovirus (CMV) sequence might have on DNA uptake (based on previous results in this lab). It was found that the presence ofCMV in the DNA sequence does not enhance uptake or slow down degradation of the internalised DNA. The final factor tested was the effect of basic amino acids on transfection efficiency. It was found that arginine can enhance DNA uptake by about 170% v/ith calcium phosphate and about 200% with LipofectAMINE®. A model was proposed to explain the effect of arginine as well as the lack of effect from other amino acids.

NMR studies of strong hydrogen bond to fluoride ion

Systems such as MF/diol (M = alkali metal) and }1F/carboxylic acid were subjected to IH, I9F and 13C nmr study to investigate the nature of the very strong H-bonding of fluoride ions with these systems. Evidence indicates a strong H-bond in diol-fluoride systems (~H ~ -(56) kJ mol-I) which is stronger than most 'typical' H-bonds (~H = -(12-40) kJ mol-I), but weaker than that reported for carboxylic acid-fluoride systems (~H ~ -(120) kJ mol-I). Approximate fluoride H-bonded shifts (o(OH)OHF) were evaluated for MF/diol systems from IH chemical shift measurements. No direct correlation was observed between I9F chemical shift and H-bond strength. Thermodynamic parameters were calculated from temperature dependent IH and 19F shifts. Preliminary studies of BUn 4NF-acetylacetone by I9F nmr were conducted at low temperatures and a possible Jmax (ca. 400 Hz) is reported for the fluoride ion H-bonded to acetylacetone. Highfield shift for non-protonated carbons and downfield shift for protonated carbons were observed in carboxylic acid/KF systems. Significant decreas$in I3C TI due to strong H-bonding to fluoride ions were also detected in both diol and carboxylic acid systems. Anomalous results were obtained, such as increasing NOE with increasing temperature in neat 1,2-ethanediol (values above the theoretical maximum of 1.988) and in 1,2-ethanediol/KF. The large 13C NOE's for carboxy carbons in neat carboxylic acids which are. further enhanced by the addition of KF are also unusual.

Strong hydrogen bonding in organic synthesis

The preparation of phenacyl and para-phenylphenacyl esters, the reactions of carboxylic acids, phenols, 2-nitropropane and alcohols with alkyl halides in the presence of fluoride anion are described. The reactions are thought to be accelerated by the formation of hydrogen bonds between the fluoride anion and the organic electron acceptor. The fluoride ,carboxylic acids, fluoride-phenols and fluoride-2-nitropropane are better reaction systems than the fluoride-alcohol. The source of the fluoride anion and the choice of solvents are also discussed.

The importance of hydrogen bonding in the alkylation of phenols

Hydrogen bond assisted alkylation of phenols is compared with the classical base assisted reactions. The influence of solvents on the fluoride assisted reactions is discussed,· with emphasis on the localization of hydrogen bond charge density. Polar aprotic solvents such as DMF favour a-alkylation, and nonpolar aprotic solvents such as toluene favourC-alkylation of phenol. For more reactive and soluble fluorides, such as tetrabu~ylammoniumfluoride, the polar aprotic solvent favours a-alkylation and nonpolar aprotic solvent favours fluorination. Freeze-dried potassium fluoride is a better catalytic agent in hydrogen bond assisted alkylation reactions of phenol than the oven-dried fluoride. The presence of water in the alkylation reactions reduces the expected yield drastically. The tolerance of the reaction to water has also been studied. The use ofa phase transfer catalyst such as tetrabutylammonium bromide in the alkylation reactions of phenol in the presence of potassium fluoride is very effective under anhydrous conditions. Sterically hindered phenols such as 2,6-ditertiarybutyl-4-methyl phenol could not be alkylated even by using the more reactive fluorides, such as tetrabutylammonium fluoride in either polar or nonpolar aprotic solvents. Attempts were also made to alkylate phenols in the presence of triphenylphosphine oxide.

Hydrogen sulphide as inhibitor and substrates for the cytochrome c-cytochrome c oxidase system /

It has previously been recognized that the major biochemical toxicity induced by sulphide is due to an inhibition of cytochrome ~ oxidase. Inhibition of this enzyme occurs at 30°C and pH 7.4 with a Ki of approximately 0.2 ~M, and a kon of 104 M-1 s-l, under catalytic conditions. However, the equimo1ar mixture of sulphide and the enzyme shows identical catalytic behaviour to that of the native enzyme. This cannot readily be attributed to rapid dissociation of sulphide, as both spectroscopic and plot analysis indicate the koff value is low. The addition of stoichiometric sulphide to the resting oxidized enzyme gives rise to the appearance of a low-spin ferric-type spectrum not identical with that seen on the addition of excess sulphide to the enzyme aerobically. Sulphide added to the enzyme anaerobically gives rise to another low-spin, probably largely ferric, form which upon admission of oxygen is then converted into a 607 nm species closely resembling Compound C. The 607 nm form is probably the precursor of oxyferricytochrome aa3. The addition of successive a1iquots of Na2S solution to the enzyme induces initial uptake of approximately 3 moles of oxygen per mole of the enzyme. Thus, it is concluded that: 1. the initial product of sulphide-cytochrome c oxidase interaction is not an inhibited form of the enzyme, but the low-spin (oxyferri) ~3+~+ species; 2. a subsequent step in which sulphide reduces cytochrome ~ occurs; 3. the final inhibitory step, in which a further molecule of sulphide binds to the cytochrome ~ iron centre in the cytochrome ~2+~+ species, gives the cytochrome a2+~+-H2S form which is a half-reduced fully inhibited species;4. a 607 run form of the enzyme is produced which may be converted into a catalytically active low-spin (oxyferri) state; and therefore 5. liganded sulphide may be able to reduce the cytochrome 33 -Cu centre without securing the prior reduction of the cytochrome a_ haem group or the Cud centre associated with it.

Impacts de la fertilisation phosphatée sur la biodiversité microbienne de sols agricoles

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation.

Structure d'une tagatose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : étude d'une apparente perte de stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase de classe I qui fait montre d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-biphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-biphosphate (FBP), du sorbose-1,6-biphosphate et du psicose-1,6-biphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution de la structure native et en complexe avec le DHAP, a respectivement 1.87 et 1.92 Å de résolution. Ces mêmes structures ont permis de se représenter plus clairement le site actif de l'enzyme en général, et les résidus catalytiques en particulier. Le trempage des cristaux de TBP aldolase dans une solution saturante de DHAP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire iminium, ainsi que sa géométrie particulière en atteste. Des expériences d'échange de proton, entreprises afin d'évaluer le stéréoisomérisme du transfert de proton catalytique, ont également permis de faire une intéressante découverte : la TBP aldolase ne peut déprotoner le coté pro-R du C3 du DHAP, mais peut le protonner. Ce résultat, ainsi que la comparaison de la structure du complexe TBP aldolase-DHAP avec la structure du complexe FBP aldolase de muscle de lapin- DHAP, pointe vers un isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP. De plus, la résolution de ces deux structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Hydrogen peroxide enhances the expression and function of Giα proteins in aortic vascular smooth muscle cells from Sprague-Dawley rats : role of growth factor receptors transactivation

Nous avons récemment démontré que les espèces réactives oxygénées induisent une augmentation de l’expression des protéines Giα dans les cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) provenant d’aortes de rats spontanément hypertendus (SHR, de l’anglais spontaneously hypertensive rats). La présente étude a pour but d’étudier les effets du peroxyde d’hydrogène (H2O2), un oxydant qui induit le stress oxydatif, sur l’expression de Giα et sur l’activité de l’adénylate cyclase, et d’explorer les voies de signalisation sous-jacentes responsables de cette réponse. Nos résultats montrent que H2O2 induit une augmentation de l’expression des protéines Giα-2 et Giα-3 de manière dose- et temps-dépendante avec une augmentation maximale de 40-50% à 100 µM après 1 heure, sans affecter l’expression de Gsα. L’expression des protéines Giα a été maintenue au niveau normal en presence de AG 1478, AG1295, PD98059 et la wortmannine, des inhibiteurs d’EGF-R (de l’anglais epidermal growth factor receptor), PDGFR-β (de l’anglais platelet-derived growth factor receptor β), de la voie de signalisation ras-ERK1/2 (de l’anglais extracellular regulated kinase1/2), et de la voie de la PI3Kinase-AKT (de l’anglais phosphatidyl inositol-3 kinase), respectivement. En outre, le traitement des CMLV avec H2O2 a induit une augmentation du degré de phosphorylation d’EGF-R, PDGF-R, ERK1/2 et AKT; et cette expression a été maintenue au niveau témoin par leurs inhibiteurs respectifs. Les inhibiteurs d’EGF-R et PDGF-R ont aussi induit une diminution du degré de phosphorylation de ERK1/2, et AKT/PKB. En outre, la transfection des cellules avec le siRNA (de l’anglais, small interfering ribonucleic acid) de EGF-R et PDGFR-β a atténué la surexpression des protéines Giα-2 et Giα-3 induite par le traitement au H2O2. La surexpression des protéines Giα induite par H2O2 a été corrélée avec une augmentation de la fonction de la protéine Giα. L’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par de faibles concentrations de GTPγS après stimulation par la forskoline a augmenté de 20% dans les cellules traitées au H2O2. En outre, le traitement des CMLV au H2O2 a aussi accru l’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par les hormones inhibitrices telles que l’angiotensine II, oxotrémorine et C-ANP4-23. D’autre part, la stimulation de l’adénylate cyclase induite par GTPγS, glucagon, isoprotérénol, forskoline, et le fluorure de sodium (NaF) a été atténuée de façon significative dans les cellules traitées au H2O2. Ces résultats suggèrent que H2O2 induit la surexpression des protéines Giα-2 and Giα-3 via la transactivation des récepteurs des facteurs de croissance EGF-R, PDGFR-β et l’activation des voies de signalisation ras-ERK1/2 et PI3K-AKT Mot-cles: Protéines Giα, peroxyde d’hydrogène, stress oxydant, récepteurs des facteurs de croissance, MAP kinases, adénylate cyclase, hypertension

A detailed study of the lithiation of iron phosphate as well as the development of a novel synthesis of lithium iron silicate as cathode material for lithium-ion batteries

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau.

Étude transcriptionnelle d'une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC) et son mutant Pst (phosphate specific transport)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

In vivo phosphorus spectroscopy in human subjects on a clinical 3T MRI system

Alors que l’Imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d’obtenir un large éventail de données anatomiques et fonctionnelles, les scanneurs cliniques sont généralement restreints à l’utilisation du proton pour leurs images et leurs applications spectroscopiques. Le phosphore jouant un rôle prépondérant dans le métabolisme énergétique, l’utilisation de cet atome en spectroscopie RM présente un énorme avantage dans l’observation du corps humain. Cela représente un certain nombre de déEis techniques à relever dus à la faible concentration de phosphore et sa fréquence de résonance différente. L’objectif de ce projet a été de développer la capacité à réaliser des expériences de spectroscopie phosphore sur un scanneur IRM clinique de 3 Tesla. Nous présentons ici les différentes étapes nécessaires à la conception et la validation d’une antenne IRM syntonisée à la fréquence du phosphore. Nous présentons aussi l’information relative à réalisation de fantômes utilisés dans les tests de validation et la calibration. Finalement, nous présentons les résultats préliminaires d’acquisitions spectroscopiques sur un muscle humain permettant d’identiEier les différents métabolites phosphorylés à haute énergie. Ces résultats s’inscrivent dans un projet de plus grande envergure où les impacts des changements du métabolisme énergétique sont étudiés en relation avec l’âge et les pathologies.

Molecular Networks Created by Charge-Assisted Hydrogen Bonds Between Bis(aminidinium) Cations and Carboxylates, Sulfonates, Phosphonates and Phosphates

L'objectif de cette étude est d'apprendre à créer de nouveaux matériaux moléculaires par design. À l'heure actuelle, il n'existe aucune méthode générale pour la prédiction des structures et des propriétés, mais des progrès importants ont été accomplis, en particulier dans la fabrication de matériaux moléculaires ordonnés tels que des cristaux. En ces matériaux, l'organisation peut être contrôlée efficacement par la stratégie de la tectonique moléculaire. Cette approche utilise des molécules appelées “tectons”, qui peuvent s’associer de manière dirigée par des interactions non covalentes prévisibles. De cette façon, la position de chaque molécule par rapport à ses voisins peut être programmée avec un degré élevé de fiabilité pour créer des cristaux et d'autres matériaux organisés avec des caractéristiques et des propriétés structurelles souhaitables. Le travail que nous allons décrire est axé sur l'utilisation de l'association des cations bis(aminidinium) avec des carboxylates, sulfonates, phosphonates et phosphates, afin de créer des réseaux moléculaires prévisibles. Ces réseaux promettent d'être particulièrement robuste, car ils sont maintenus ensemble par de multiples liaisons hydrogène assistées par des interactions électrostatiques.