Heme oxygenase 1 is required for mammalian iron reutilization

The majority of iron for essential mammalian biological activities such as erythropoiesis is thought to be reutilized from cellular hemoproteins. Here, we generated mice lacking functional heme oxygenase 1 (Hmox1; EC 1.14.99.3), which catabolizes heme to biliverdin, carbon monoxide, and free iron, to assess its participation in iron homeostasis. Hmox1-deficient adult mice developed an anemia associated with abnormally low serum iron levels, yet accumulated hepatic and renal iron that contributed to macromolecular oxidative damage, tissue injury, and chronic inflammation. Our results indicate that Hmox1 has an important recycling role by facilitating the release of iron from hepatic and renal cells, and describe a mouse model of human iron metabolic disorders.

Reduced stress defense in heme oxygenase 1-deficient cells

Stressed mammalian cells up-regulate heme oxygenase 1 (Hmox1; EC 1.14.99.3), which catabolizes heme to biliverdin, carbon monoxide, and free iron. To assess the potential role of Hmox1 in cellular antioxidant defense, we analyzed the responses of cells from mice lacking functional Hmox1 to oxidative challenges. Cultured Hmox1−/− embryonic fibroblasts demonstrated high oxygen free radical production when exposed to hemin, hydrogen peroxide, paraquat, or cadmium chloride, and they were hypersensitive to cytotoxicity caused by hemin and hydrogen peroxide. Furthermore, young adult Hmox1−/− mice were vulnerable to mortality and hepatic necrosis when challenged with endotoxin. Our in vitro and in vivo results provide genetic evidence that up-regulation of Hmox1 serves as an adaptive mechanism to protect cells from oxidative damage during stress.

Femtosecond resolution of ligand-heme interactions in the high-affinity quinol oxidase bd: A di-heme active site?

Interaction of the two high-spin hemes in the oxygen reduction site of the bd-type quinol oxidase from Escherichia coli has been studied by femtosecond multicolor transient absorption spectroscopy. The previously unidentified Soret band of ferrous heme b595 was determined to be centered around 440 nm by selective excitation of the fully reduced unliganded or CO-bound cytochrome bd in the α-band of heme b595. The redox state of the b-type hemes strongly affects both the line shape and the kinetics of the absorption changes induced by photodissociation of CO from heme d. In the reduced enzyme, CO photodissociation from heme d perturbs the spectrum of ferrous cytochrome b595 within a few ps, pointing to a direct interaction between hemes b595 and d. Whereas in the reduced enzyme no heme d-CO geminate recombination is observed, in the mixed-valence CO-liganded complex with heme b595 initially oxidized, a significant part of photodissociated CO does not leave the protein and recombines with heme d within a few hundred ps. This caging effect may indicate that ferrous heme b595 provides a transient binding site for carbon monoxide within one of the routes by which the dissociated ligand leaves the protein. Taken together, the data indicate physical proximity of the hemes d and b595 and corroborate the possibility of a functional cooperation between the two hemes in the dioxygen-reducing center of cytochrome bd.

Bilirubin, formed by activation of heme oxygenase-2, protects neurons against oxidative stress injury

Heme oxygenase (HO) catalyzes the conversion of heme to carbon monoxide, iron, and biliverdin, which is immediately reduced to bilirubin (BR). Two HO active isozymes exist: HO1, an inducible heat shock protein, and HO2, which is constitutive and highly concentrated in neurons. We demonstrate a neuroprotective role for BR formed from HO2. Neurotoxicity elicited by hydrogen peroxide in hippocampal and cortical neuronal cultures is prevented by the phorbol ester, phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) via stimulation of protein kinase C. We observe phosphorylation of HO2 through the protein kinase C pathway with enhancement of HO2 catalytic activity and accumulation of BR in neuronal cultures. The neuroprotective effects of PMA are prevented by the HO inhibitor tin protoporphyrin IX and in cultures from mice with deletion of HO2 gene. Moreover, BR, an antioxidant, is neuroprotective at nanomolar concentrations.

NMR reveals hydrogen bonds between oxygen and distal histidines in oxyhemoglobin

Compared with free heme, the proteins hemoglobin (Hb) and myoglobin (Mb) exhibit greatly enhanced affinity for oxygen relative to carbon monoxide. This physiologically vital property has been attributed to either steric hindrance of CO or stabilization of O2 binding by a hydrogen bond with the distal histidine. We report here the first direct evidence of such a hydrogen bond in both α- and β-chains of oxyhemoglobin, as revealed by heteronuclear NMR spectra of chain-selectively labeled samples. Using these spectra, we have assigned the imidazole ring 1H and 15N chemical shifts of the proximal and distal histidines in both carbonmonoxy- and oxy-Hb. Because of their proximity to the heme, these chemical shifts are extremely sensitive to the heme pocket conformation. Comparison of the measured chemical shifts with values predicted from x-ray structures suggests differences between the solution and crystal structures of oxy-Hb. The chemical shift discrepancies could be accounted for by very small displacements of the proximal and distal histidines. This suggests that NMR could be used to obtain very high-resolution heme pocket structures of Hb, Mb, and other heme proteins.

Redox-dependent activation of CO dehydrogenase from Rhodospirillum rubrum

Studies of initial activities of carbon monoxide dehydrogenase (CODH) from Rhodospirillum rubrum show that CODH is mostly inactive at redox potentials higher than −300 mV. Initial activities measured at a wide range of redox potentials (0–500 mV) fit a function corresponding to the Nernst equation with a midpoint potential of −316 mV. Previously, extensive EPR studies of CODH have suggested that CODH has three distinct redox states: (i) a spin-coupled state at −60 to −300 mV that gives rise to an EPR signal termed Cred1; (ii) uncoupled states at <−320 mV in the absence of CO2 referred to as Cunc; and (iii) another spin-coupled state at <−320 mV in the presence of CO2 that gives rise to an EPR signal termed Cred2B. Because there is no initial CODH activity at potentials that give rise to Cred1, the state (Cred1) is not involved in the catalytic mechanism of this enzyme. At potentials more positive than −380 mV, CODH recovers its full activity over time when incubated with CO. This reductant-dependent conversion of CODH from an inactive to an active form is referred to hereafter as “autocatalysis.” Analyses of the autocatalytic activation process of CODH suggest that the autocatalysis is initiated by a small fraction of activated CODH; the small fraction of active CODH catalyzes CO oxidation and consequently lowers the redox potential of the assay system. This process is accelerated with time because of accumulation of the active enzyme.

Kinetic coupling between electron and proton transfer in cytochrome c oxidase: simultaneous measurements of conductance and absorbance changes.

Bovine heart cytochrome c oxidase is an electron-current driven proton pump. To investigate the mechanism by which this pump operates it is important to study individual electron- and proton-transfer reactions in the enzyme, and key reactions in which they are kinetically and thermodynamically coupled. In this work, we have simultaneously measured absorbance changes associated with electron-transfer reactions and conductance changes associated with protonation reactions following pulsed illumination of the photolabile complex of partly reduced bovine cytochrome c oxidase and carbon monoxide. Following CO dissociation, several kinetic phases in the absorbance changes were observed with time constants ranging from approximately 3 microseconds to several milliseconds, reflecting internal electron-transfer reactions within the enzyme. The data show that the rate of one of these electron-transfer reactions, from cytochrome a3 to a on a millisecond time scale, is controlled by a proton-transfer reaction. These results are discussed in terms of a model in which cytochrome a3 interacts electrostatically with a protonatable group, L, in the vicinity of the binuclear center, in equilibrium with the bulk through a proton-conducting pathway, which determines the rate of proton transfer (and indirectly also of electron transfer). The interaction energy of cytochrome a3 with L was determined independently from the pH dependence of the extent of the millisecond-electron transfer and the number of protons released, as determined from the conductance measurements. The magnitude of the interaction energy, 70 meV (1 eV = 1.602 x 10(-19) J), is consistent with a distance of 5-10 A between cytochrome a3 and L. Based on the recently determined high-resolution x-ray structures of bovine and a bacterial cytochrome c oxidase, possible candidates for L and a physiological role for L are discussed.

X-ray structure determination of a metastable state of carbonmonoxy myoglobin after photodissociation.

The x-ray structure of carbon monoxide (CO)-ligated myoglobin illuminated during data collection by a laser diode at the wavelength lambda = 690 nm has been determined to a resolution of 1.7 A at T = 36 K. For comparison, we also measured data sets of deoxymyoglobin and CO-ligated myoglobin. In the photon-induced structure the electron density associated with the CO ligand can be described by a tube extending from the iron into the heme pocket over more than 4 A. This density can be interpreted by two discrete positions of the CO molecule. One is close to the heme iron and can be identified to be bound CO. In the second, the CO is dissociated from the heme iron and lies on top of pyrrole ring C. At our experimental conditions the overall structure of myoglobin in the metastable state is close to the structure of a CO-ligated molecule. However, the iron has essentially relaxed into the position of deoxymyoglobin. We compare our results with those of Schlichting el al. [Schlichting, I., Berendzen, J., Phillips, G. N., Jr., & Sweet, R. M. (1994) Nature 317, 808-812], who worked with the myoglobin mutant (D122N) that crystallizes in the space group P6 and Teng et al. [Teng, T. Y., Srajer, V. & Moffat, K. (1994) Nat. Struct. Biol. 1, 701-705], who used native myoglobin crystals of the space group P2(1). Possible reasons for the structural differences are discussed.

Heme oxygenase 2: endothelial and neuronal localization and role in endothelium-dependent relaxation.

Heme oxygenase 2 (HO-2), which synthesizes carbon monoxide (CO), has been localized by immunohistochemistry to endothelial cells and adventitial nerves of blood vessels. HO-2 is also localized to neurons in autonomic ganglia, including the petrosal, superior cervical, and nodose ganglia, as well as ganglia in the myenteric plexus of the intestine. Enzyme studies demonstrated that tin protoporphyrin-9 is a selective inhibitor of HO with approximately 10-fold selectivity for HO over endothelial nitric oxide synthase (NOS) and soluble guanylyl cyclase. Inhibition of HO activity by tin protoporphyrin 9 reverses the component of endothelial-derived relaxation of porcine distal pulmonary arteries not reversed by an inhibitor of NOS. Thus, CO, like NO, may have endothelial-derived relaxing activity. The similarity of NOS and HO-2 localizations and functions in blood vessels and the autonomic nervous system implies complementary and possibly coordinated physiologic roles for these two mediators.

Involvement of cytochrome P450 in oxime production in glucosinolate biosynthesis as demonstrated by an in vitro microsomal enzyme system isolated from jasmonic acid-induced seedlings of Sinapis alba L.

An in vitro enzyme system for the conversion of amino acid to oxime in the biosynthesis of glucosinolates has been established by the combined use of an improved isolation medium and jasmonic acid-induced etiolated seedlings of Sinapis alba L. An 8-fold induction of de novo biosynthesis of the L-tyrosine-derived p-hydroxybenzylglucosinolate was obtained in etiolated S. alba seedlings upon treatment with jasmonic acid. Formation of inhibitory glucosinolate degradation products upon tissue homogenization was prevented by inactivation of myrosinase by addition of 100 mM ascorbic acid to the isolation buffer. The biosynthetically active microsomal enzyme system converted L-tyrosine into p-hydroxyphenylacetaldoxime and the production of oxime was strictly dependent on NADPH. The Km and Vmax values of the enzyme system were 346 microM and 538 pmol per mg of protein per h, respectively. The nature of the enzyme catalyzing the conversion of amino acid to oxime in the biosynthesis of glucosinolates has been subject of much speculation. In the present paper, we demonstrate the involvement of cytochrome P450 by photoreversible inhibition by carbon monoxide. The inhibitory effect of numerous cytochrome P450 inhibitors confirms the involvement of cytochrome P450. This provides experimental documentation of similarity between the enzymes converting amino acids into the corresponding oximes in the biosynthesis of glucosinolates and cyanogenic glycosides.

Localization of specific erythropoietin binding sites in defined areas of the mouse brain.

The main physiological regulator of erythropoiesis is the hematopoietic growth factor erythropoietin (EPO), which is induced in response to hypoxia. Binding of EPO to the EPO receptor (EPO-R), a member of the cytokine receptor superfamily, controls the terminal maturation of red blood cells. So far, EPO has been reported to act mainly on erythroid precursor cells. However, we have detected mRNA encoding both EPO and EPO-R in mouse brain by reverse transcription-PCR. Exposure to 0.1% carbon monoxide, a procedure that causes functional anemia, resulted in a 20-fold increase of EPO mRNA in mouse brain as quantified by competitive reverse transcription-PCR, whereas the EPO-R mRNA level was not influenced by hypoxia. Binding studies on mouse brain sections revealed defined binding sites for radioiodinated EPO in distinct brain areas. The specificity of EPO binding was assessed by homologous competition with an excess of unlabeled EPO and by using two monoclonal antibodies against human EPO, one inhibitory and the other noninhibitory for binding of EPO to EPO-R. Major EPO binding sites were observed in the hippocampus, capsula interna, cortex, and midbrain areas. Functional expression of the EPO-R and hypoxic upregulation of EPO suggest a role of EPO in the brain.

Evolução estrutural e performance catalítica de nanopartículas de AuPd de composição variável

Nanopartículas bimetálicas de AuPd têm mostrado excelente atividade catalítica em reações de oxidação. O entendimento dos efeitos da variação da composição e morfologia das nanopartículas bimetálicas em suas propriedades catalíticas é fundamental para a preparação de catalisadores cada vez mais ativos e seletivos. Neste trabalho foram estudadas nanopartículas bimetálicas de AuPd de composição variável suportadas sobre um suporte constituído por nanopartículas de magnetita revestidas por sílica. O efeito da calcinação e da redução com hidrogênio sobre a morfologia e composição das nanopartículas bimetálicas foi acompanhado pelas técnicas de TEM, XEDS, XAS, XRD e XPS. A correlação entre estrutura, composição e atividade catalítica dos catalisadores preparados foi estudada pelo acompanhamento de reações de oxidação de monóxido de carbono e de oxidação de álcool benzílico. As amostras não calcinadas apresentaram segregação metálica em todas as composições estudadas. Após a etapa de calcinação, maior segregação metálica foi encontrada, com a formação de óxido de paládio na superfície das nanopartículas, exceto na amostra mais rica em ouro. O tratamento das amostras oxidadas com hidrogênio foi capaz de reduzir os metais oxidados na superfície das nanopartículas, mas um enriquecimento em paládio na superfície e maior segregação entre ouro e paládio foram observados. Uma melhora na atividade catalítica na oxidação de monóxido de carbono foi observada juntamente com um aumento na composição de paládio, além disso, observou-se uma maior atividade catalítica em relação às nanopartículas não calcinadas para as amostras calcinadas e reduzidas. Para a oxidação de álcool benzílico um aumento na atividade catalítica de até cinco vezes foi observado após a calcinação dos catalisadores, com maior atividade para a amostra de composição Au1Pd2. A queda na atividade catalítica após a redução dos catalisadores mostrou que a presença de óxido de paládio na superfície das nanopartículas é fundamental para que seja observada uma maior atividade catalítica.

Gaseificação de vinhaça em água supercrítica.

A gaseificação utiliza o conteúdo intrínseco de carbonos e hidrogênios das matérias primas sólidas ou líquidas na geração de uma mistura de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Tal mistura pode ser utilizada como matéria prima na síntese de novos produtos ou como combustível. A gaseificação pode ser utilizada no processamento de uma gama variada de produtos, independentemente de suas características ou estado físico. A utilização de biomassa como insumo da gaseificação vem sendo cada vez mais explorada e estudada, já que apresenta benefícios não somente na esfera ambiental, mas também em âmbitos econômicos e sociais. A vinhaça é um subproduto do processo de produção de álcool, que contém grandes concentrações de nutrientes e matéria orgânica em sua composição. A sua utilização hoje está limitada a fertirrigação e a aplicações isoladas em biodigestão e outros, que não são suficientes para o consumo da produção anual crescente do resíduo. Seu uso na gaseificação permitiria o aproveitamento do conteúdo orgânico da mesma e a produção de gases de alto valor agregado. Como a umidade do insumo interfere negativamente na eficiência da gaseificação clássica, a aplicação da mesma para matérias primas com alto teor de líquidos não é recomendada. Uma alternativa viável seria a utilização do meio gaseificante supercrítico, que resulta em rendimentos constantes, independentemente da umidade da corrente de entrada do reator. O presente trabalho consiste no projeto de um módulo de gaseificação de vinhaça em água supercrítica, a ser instalado como uma unidade anexa a usinas de açúcar e álcool. Ele compreende o projeto conceitual e análise de viabilidade deste módulo, incluindo estimativas de CAPEX (Capital Expenditure) e OPEX (Operation Expenditure) e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O estudo apresenta ainda o estado da arte do conhecimento e da tecnologia de gaseificação com água supercrítica (SCWG), relacionando os gargalos a serem resolvidos, assim como os ganhos intrínsecos da definição conceitual do projeto.

Avaliação da musculatura inspiratória e expiratória na doença pulmonar obstrutiva crônica leve e grave comparada aos indivíduos saudáveis

Introdução: A DPOC é uma doença respiratória prevenível e tratável, caracterizada por limitação persistente ao fluxo aéreo, hiperinsuflação e aprisionamento aéreo. A dispneia e a intolerância aos esforços, decorrentes destas alterações fisiopatológicas sofre influência de vários fatores. Dentre estes, o recrutamento e a sobrecarga imposta aos músculos inspiratórios e expiratórios são de fundamental importância, porém a participação destes ainda não foi completamente elucidada em diferentes gravidades da doença. Objetivos: O objetivo principal deste estudo foi avaliar a mecânica ventilatória, e o grau de recrutamento da musculatura inspiratória e expiratória na DPOC leve e grave, na condição de repouso e durante um teste máximo de exercício, comparado a um grupo de indivíduos saudáveis. Metodologia: Trata-se de um estudo transversal envolvendo 36 indivíduos, sendo 24 pacientes portadores de DPOC e 12 voluntários sadios. As avaliações foram divididas em 2 visitas. No D1, foram realizadas uma avaliação clínica, avaliação de dispneia (mMRC) e de qualidade de vida (SGRQ), além da prova de função pulmonar completa. Na 2ª visita, realizada com intervalo de 1 semana, foram avaliadas: as pressões respiratórias máximas estáticas por meio de métodos volitivos (PImax, PEmax, SNIP, Pes sniff, Pga sniff e Pdi sniff) e não volitivos (Twitch cervical bilateral e T10); avaliação da sincronia toracoabdominal por pletismografia de indutância; avaliação do recrutamento dos músculos inspiratórios e expiratórios ao repouso pela eletromiografia de superfície; e, posteriormente, um teste de exercício cardiopulmonar incremental para estudo de todas essas variáveis no esforço. Resultados: Foram avaliados 24 pacientes (12 leves e 12 graves) e 12 indivíduos saudáveis da mesma faixa etária. A maioria dos pacientes apresentava comprometimento significativo da qualidade de vida e os pacientes do grupo grave eram mais sintomáticos. A função pulmonar encontrava-se alterada na maioria dos pacientes. Destes, 79,2% apresentavam aprisionamento aéreo e 70,8% tinham redução da DLCO. Tais alterações foram semelhantes nos 2 grupos de pacientes. A força muscular estática medida por métodos volitivos e não volitivos estava reduzida nos 2 grupos e mostrou relação com o VEF1. No exercício, a dispneia foi o principal motivo para interrupção do teste em 70% dos pacientes. A HD esteve presente em 87,5% dos pacientes. O comportamento das pressões respiratórias foi significativamente diferente entre os 3 grupos. Os pacientes com DPOC apresentaram maior atividade diafragmática (Pdi) comparado aos controles e a participação da musculatura expiratória também foi maior neste grupo, principalmente nos graves. Apesar disso, os pacientes com DPOC apresentaram uma eficiência mecânica reduzida, ou seja, esse incremento da força muscular foi insuficiente para manter uma ventilação adequada para uma determinada carga. Com o aumento da demanda ventilatória, houve recrutamento precoce e progressivo dos músculos inspiratórios e expiratórios durante o exercício. O trabalho resistivo e o expiratório foram significativamente diferentes entre os controles e os pacientes com DPOC desde o início do exercício. Como consequência destas alterações, a intensidade da dispneia durante o TECP foi maior nos pacientes com DPOC (leve e grave) para a mesma carga e mesma ventilação-minuto (VE), quando comparada aos indivíduos do grupo-controle. Conclusões: O conjunto destes achados demonstra que o comprometimento dos músculos inspiratórios e expiratórios contribuiu significativamente para a dispneia e a intolerância ao exercício tanto no DPOC leve quanto no DPOC grave. E que este comprometimento pode não ser detectado com os testes máximos de força ao repouso

Desfechos tardios de sobreviventes de ensaio clínico randomizado controlado (protocolo ARDSnet vs. Open Lung Approach para o manejo ventilatório da síndrome do desconforto respiratório agudo moderado-grave)

Apesar da utilização da ventilação mecânica protetora como estratégia para o tratamento da síndrome do desconforto respiratório agudo, ao menos um quarto dos pacientes com essa síndrome ainda apresentam redução na função pulmonar após 6 meses de seguimento. Não se sabe se esta redução está relacionada com a gravidade da síndrome ou associada com a forma de ventilar o paciente. Nosso objetivo neste trabalho foi avaliar a associação entre alterações funcionais e estruturais do pulmão com parâmetros de gravidade clínica e de ventilação mecânica. Foi realizada uma análise secundária dos dados obtidos em estudo randomizado e controlado que incluiu pacientes com síndrome do desconforto respiratório agudo moderada/grave, internados em seis unidades de terapia intensiva em um hospital terciário da cidade de São Paulo. Foram analisados dados de pacientes que tinham ao menos um teste de função pulmonar no seguimento. O teste funcional incluiu a medida da capacidade vital forçada, volumes pulmonares e a capacidade de difusão do monóxido de carbono após 1, 2 e 6 meses de seguimento. Foram considerados variáveis independentes o volume corrente, a pressão de distensão e a pressão positiva ao final da expiração (todos medidos após 24 horas da randomização) e um sistema de classificação de prognóstico (APACHE II), a relação PaO2/FIO2 e a complacência respiratória estática (todos medidos antes da randomização). Também foi realizada tomografia de alta resolução do tórax juntamente com os testes de função pulmonar, e posterior análise quantitativa das imagens. Na avaliação de 6 meses também foi realizado teste de caminhada de 6 minutos e um questionário de qualidade de vida (SF-36). Um total de 21 pacientes realizaram o teste de função pulmonar após 1 mês e 15 pacientes realizaram após 2 e 6 meses de seguimento. A capacidade vital forçada foi relacionada inversamente com a pressão de distensão na avaliação de 1, 2 e 6 meses (p < 0,01). A capacidade de difusão do monóxido de carbono relacionou-se inversamente com a pressão de distensão e com o APACHE II (ambos p < 0,01) na avaliação de 1 e 2 meses. Após 6 meses de seguimento, houve correlação inversa entre a pressão de distensão e a capacidade vital forçada independente do volume corrente, da pressão de platô e da complacência estática respiratória após ajustes (R2 = 0,51, p = 0,02). A pressão de distensão também se relacionou com o volume pulmonar total, a densidade pulmonar media e a porcentagem de volume pulmonar não aerado ou pobremente aerado medidos através da análise quantitativa da tomografia computadorizada de tórax realizada na avaliação de 6 meses. Também foi observada relação entre a qualidade de vida após 6 meses de seguimento e a pressão de distensão considerando o domínio estado geral de saúde. Nós concluímos que mesmo em pacientes ventilados com reduzido volume corrente e pressão de platô limitada, maiores valores de pressão de distensão relacionaram-se com menores valores de função pulmonar no seguimento de longo prazo