Thermodynamic and kinetic modelling of the redox properties of tetrahaem cytochromes C3

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Bioquímica,especialidade Bioquímica-Física, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Cincias e Tecnologia

Transferència d’electrò i protó als intermediaris de reacció de les hemo-catalases

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a l’University of Pennsylvania, EUA, entre els mesos d’agosta a desembre del 2006. Les hemo-catalases són enzims que protegeixen les cèl•lules dels efectes tòxics del peròxid d'hidrogen. Aquesta reacció té lloc en dues etapes, via l'intermediari Compost I (Cpd I). Tanmateix, el Compost I pot seguir una reacció secundària, a través de l'intermediari Compost II. Hi ha dos tipus d'hemo-catalases: les hemo-b (com la d'Helicobacter pylori, HPC) i les hemo-d catalases (com la de Penicillium vitale, PVC). Experimentalment s'observa que les hemo-b catalases formen Cpd II més fàcilment que les hemo-d. La formació del Cpd II consta de dos processos: la reducció del catió radical porfirínic i la protonació del grup oxoferril. Durant l'estada, es va estudiar el procès de transferència electrònica a la porfirina utilitzant una metodologia desenvolupada recentment. Els resultats mostren que per PVC la reducció és més fàcil que per HPC. Posteriorment hem realitzat una sèrie de optimitzacions de geometria CPMD QM/MM al llarg del camí per la transferència de protó (PT) de la histidina distal a l'oxoferril. Mentre que per HPC aquesta PT és espontània, per PVC l'isòmer hidroxoferrílic és menys estable que el catió imidazoli.

Breath acetone to monitor life style interventions in field conditions: An exploratory study.

OBJECTIVE: To assess whether breath acetone concentration can be used to monitor the effects of a prolonged physical activity on whole body lipolysis and hepatic ketogenesis in field conditions. METHODS: Twenty-three non-diabetic, 11 type 1 diabetic, and 17 type 2 diabetic subjects provided breath and blood samples for this study. Samples were collected during the International Four Days Marches, in the Netherlands. For each participant, breath acetone concentration was measured using proton transfer reaction ion trap mass spectrometry, before and after a 30-50 km walk on four consecutive days. Blood non-esterified free fatty acid (NEFA), beta-hydroxybutyrate (BOHB), and glucose concentrations were measured after walking. RESULTS: Breath acetone concentration was significantly higher after than before walking, and was positively correlated with blood NEFA and BOHB concentrations. The effect of walking on breath acetone concentration was repeatedly observed on all four consecutive days. Breath acetone concentrations were higher in type 1 diabetic subjects and lower in type 2 diabetic subjects than in control subjects. CONCLUSIONS: Breath acetone can be used to monitor hepatic ketogenesis during walking under field conditions. It may, therefore, provide real-time information on fat burning, which may be of use for monitoring the lifestyle interventions.

Rat splanchnic net oxygen consumption. Energetic implications

1. The blood flow, PO2, pH and PCO2 have been estimated in portal and suprahepatic veins as well as in hepatic artery of fed and overnight starved rats given an oral glucose load. From these data the net intestinal, hepatic and splanchnic balances for oxygen and bicarbonate were calculated. The oxygen consumption of the intact animal has also been measured under comparable conditions. 2. The direct utilization of oxygen balances as energy equivalents when establishing the contribution of energy metabolism of liver and intestine to the overall energy expenses of the rat, has been found to be incorrect, since it incorporates the intrinsic error of interorgan proton transfer through bicarbonate. Liver and intestine produced high net bicarbonate balances in all situations tested, implying the elimination (by means of oxidative pathways, i.e. consuming additional oxygen) of high amounts of H+ generated with bicarbonate. The equivalence in energy output of the oxygen balances was then corrected for bicarbonate production to 11-54% lower values. 3. Intestine and liver consume a high proportion of available oxygen, about one-half in basal (fed or starved) conditions and about one-third after gavage, the intestine consumption being about 15% in all situations tested and the liver decreasing its oxygen consumption with gavage.

Rat splanchnic net oxygen consumption. Energetic implications

1. The blood flow, PO2, pH and PCO2 have been estimated in portal and suprahepatic veins as well as in hepatic artery of fed and overnight starved rats given an oral glucose load. From these data the net intestinal, hepatic and splanchnic balances for oxygen and bicarbonate were calculated. The oxygen consumption of the intact animal has also been measured under comparable conditions. 2. The direct utilization of oxygen balances as energy equivalents when establishing the contribution of energy metabolism of liver and intestine to the overall energy expenses of the rat, has been found to be incorrect, since it incorporates the intrinsic error of interorgan proton transfer through bicarbonate. Liver and intestine produced high net bicarbonate balances in all situations tested, implying the elimination (by means of oxidative pathways, i.e. consuming additional oxygen) of high amounts of H+ generated with bicarbonate. The equivalence in energy output of the oxygen balances was then corrected for bicarbonate production to 11-54% lower values. 3. Intestine and liver consume a high proportion of available oxygen, about one-half in basal (fed or starved) conditions and about one-third after gavage, the intestine consumption being about 15% in all situations tested and the liver decreasing its oxygen consumption with gavage.

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.

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

Aerosol properties, in-canopy gradients, turbulent fluxes and VOC concentrations at a pristine forest site in Amazonia

Aerosol physical and chemical properties were measured in a forest site in central Amazonia (Cuieiras reservation, 2.61S; 60.21W) during the dry season of 2004 (Aug-Oct). Aerosol light scattering and absorption, mass concentration, elemental composition and size distributions were measured at three tower levels (Ground: 2 m; Canopy: 28 m, and Top: 40 m). For the first time, simultaneous eddy covariance fluxes of fine mode particles and volatile organic compounds (VOC) were measured above the Amazonian forest canopy. Aerosol fluxes were measured by eddy covariance using a Condensation Particle Counter (CPC) and a sonic anemometer. VOC fluxes were measured by disjunct eddy covariance using a Proton Transfer Reaction Mass Spectrometer (PTR-MS). At nighttime, a strong vertical gradient of phosphorus and potassium in the aerosol coarse mode was observed, with higher concentrations at Ground level. This suggests a source of primary biogenic particles below the canopy. Equivalent black carbon measurements indicate the presence of light-absorbing aerosols from biogenic origin. Aerosol number size distributions typically consisted of superimposed Aitken (76 nm) and accumulation modes (144 nm), without clear events of new particle formation. Isoprene and monoterpene fluxes reached respectively 7.4 and 0.82 mg m(-2) s(-1) around noon. An average fine particle flux of 0.05 +/- 0.10 10(6) m(-2) s(-1) was calculated, denoting an equilibrium between emission and deposition fluxes of fine mode particles at daytime. No significant correlations were found between VOC and fine mode aerosol concentrations or fluxes. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

L-(2-Quinolyl)-2-naphthol: A new intra-intermolecular photoacid-photobase molecule

Photochemical and photophysical properties of 1-(2-quinolyl)-2-naphthol (2QN) in water and organic solvents, as well in glassy media were studied to investigate the occurrence of intramolecular excited state prototropic reactions between the naphthol and quinoline rings. Spectral data show the two chromophores apparently behaving independently. However, in acid aqueous media or in low polarity solvents a new electronic transition red shifted band with respect to that of the parent compounds assigned to an intramolecular H-bond and to a quinoid form, respectively, shows up. Model calculations and R-X data lend support to a minimum energy conformer having a dihedral angle of similar to 39 degrees between the two groups. Singlet excited state properties (S-1) show a high suppressive effect of one ring over the other, resulting in very low emission yields at room temperature. The occurrence of excited state intramolecular proton transfer is observed in water (zwitter ion form) and in low polarity media (quinoid form) and originates from a previously CT H-bonded state. Phosphorescence data allowed a reasonable description of the electronic states of 2QN. In addition two new derivatives were prepared having the N atom blocked by methylation and both the N and O groups blocked by a CH2 bridge. The spectral data of these two compounds confirmed the attributions made for 2QN. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

On the use of 2,1,3-benzothiadiazole derivatives as selective live cell fluorescence imaging probes

Newly designed 2,1,3-benzothiadiazole-containing fluorescent probes with four excited state intramolecular proton transfer (ESIPT) sites were successfully tested in live cell-imaging assays using a confluent monolayer of human stem-cells (tissue). All tested dyes were compared with the commercially available DAPI and gave far better results. (c) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Picosecond Dynamics of the Prototropic Reactions of 7-Hydroxyflavylium Photoacids Anchored at an Anionic Micellar Surface

Three water-insoluble, micelle-anchored flavylium salts, 7-hydroxy-3-octyl-flavylium chloride, 4`-hexyl-7-hydroxyflavylium chloride, and 6-hexyl-7-hydroxy-4-methyl-flavylium chloride, have been employed to probe excited-state prototropic reactions in micellar sodium dodecyl sulfate (SDS). In SDS micelles, the fluorescence decays of these three flavylium salts are tetraexponential functions in the pH range from 1.0 to 4.6 at temperatures from 293 to 318 K. The four components of the decays are assigned to Four kinetically coupled excited species in the micelle: specifically, promptly deprotonable (AH(+)*) and nonpromptly deprotonable (AH(h)(+)*) orientations of the acid in the micelle. the base-proton geminate pair (A*center dot center dot center dot H(+)), and the free conjugate base (A*). The initial prompt deprotonation to form the germinate pair occurs at essentially the same rate (k(d) similar to 6-7 x 10(10) s(-1)) for all three photoacids. Recombination of the germinate pair is similar to 3-fold faster than the rate of proton escape from the pair (k(rec) similar to 3 x 10(10) s(-1) and k(diss) similar to 1 x 10(10) s(-1)), corresponding to an intrinsic recombination efficiency of the pair of similar to 75%. Finally, the reprotonation of the short-lived free A* (200-350 ps, depending oil the photoacid) has two components, only one of which depends oil the proton concentration in the intermicellar aqueous phase. Ultrafast transfer of the proton to water and substantial compartmentalization of the photogenerated proton at the micelle surface Oil the picosecond time scale strongly suggest preferential transfer of the proton to preformed hydrogen-bonded water bridges between the photoacid and the anionic headgroups. This localizes the proton in the vicinity of the excited base much more efficiently than ill bulk water, resulting ill the predominance of geminate re reprotonation at the micelle surface.

DFT study of alpha-alanine as a function of the medium polarity

The zwitterionic (Z) form, neutral (N) form and transition structure (TS) connecting N to Z, have been studied at the B3LYP/6-31++G** level of calculation by using the SCRF methodology. The intramolecular proton transfer from oxygen to nitrogen atoms of alpha -alanine and vibrational spectrum were analyzed in the different environments employed: acetonitrile, ethanol, carbon tetrachloride and gas phase. The Z species is a stationary point in acetonitrile and ethanol, but not in carbon tetrachloride and gas phase media. The geometry of N, Z and TS was similar in acetonitrile and ethanol. The vibrational spectrum of Z was similar in the two solvents studied. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All lights reserved.

Bronsted Acid Catalyzed Morita-Baylis-Hillman Reaction: A New Mechanistic View for Thioureas Revealed by ESI-MS(/MS) Monitoring and DFT Calculations

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

The generator coordinate method for a reaction coordinate coupled to a harmonic oscillator bath

This paper investigates the usefulness of the generator coordinate method (GCM) for treating the dynamics of a reaction coordinate coupled to a bath of harmonic degrees of freedom. Models for the unimolecular dissociation and isomerization process (proton transfer) are analyzed. The GCM results, presented in analytical form, provide a very good description and are compared to other methods Like the basis set method and multiconfiguration time dependent self-consistent field. (C) 1998 American Institute of Physics. [S0021-9606(98)50934-8].

Water at interfaces and its influence on the electrical properties of adsorbed films

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)