Electron transfer in chemically and genetically modified myoglobins

The temperature dependences of the reduction potentials (E^o') of wildtype human myoglobin (Mb) and three site-directed mutants have been measured by using thin-layer spectroelectrochemistry. Residue Val68, which is in van der Waals contact with the heme in Mb, has been replaced by Glu, Asp, and Asn. At pH 7.0, reduction of the heme iron (III) in the former two proteins is accompanied by uptake of a proton by the protein. The changes in E^o', and the standard entropy (ΔS^o') and enthalpy (ΔH^o') of reduction in the mutant proteins were determined relative to values for wild-type; the change in E^o' at 25°C was about -200 millivolts for the Glu and Asp mutants, and about -80 millivolts for the Asn mutant. Reduction of Fe(III) to Fe(II) in the Glu and Asp mutants is accompanied by uptake of a proton. These studies demonstrate that Mb can tolerate substitution of a buried hydrophobic group by potentially charged and polar residues, and that such amino acid replacements can lead to substantial changes in the redox thermodynamics of the protein.

Through analysis of the temperature dependence and shapes of NMR dispersion signals, it is determined that a water molecule is bound to the sixth coordination site of the ferric heme in the Val68Asp and in the Val68Asn recombinant proteins while the carboxyl group of the sidechain of Glu68 occupies this position in Val68Glu. The relative rhombic distortions in the ESR spectra of these mutant proteins combined with H₂¹⁷O and spin interconversion experiments performed on them confirm the conclusions of the NMRD study.

The rates of intramolecular electron transfer (ET) of (NH₃)₅Ru-His48 (Val68Asp, His81GIn, Cys110AIa)Mb and (NH₃)₅Ru-His48 (Val68GIu,His81GIn,Cys110Ala)Mb were measured to be .85(3)s^-1 and .30(2)s^-1, respectively. This data supports the hypothesis that entropy of 111 reduction and reorganization energy of ET are inversely related. The rates of forward and reverse ET for (NH₃)₅ Ru-His48 (Val68GIu, His81 GIn, Cys110AIa)ZnMb -7.2(5)•10⁴s^-1and 1.4(2)•10⁵s^-1, respectively- demonstrate that the placement of a highly polar residue nearby does not significantly change the reorganization energy of the photoactive Zn porphyrin.

The distal histidine imidazoles of (NH₃)₄isnRu-His48 SWMb and (NH₃)₅Ru-His48 SWMb were cyanated with BrCN. The intramolecular ET rates of these BrCN-modified Mb derivatives are 5.5(6)s^-1 and 3.2(5)s^-1, respectively. These respective rates are 20 and 10 times faster than those of their noncyanated counterparts after the differences in ET rate from driving force are scaled according to the Marcus equation. This increase in ET rate of the cyanated Mb derivatives is attributed to lower reorganization energy since the cyanated Mb heme is pentacoordinate in both oxidation states; whereas, the native Mb heme loses a water molecule upon reduction so that it changes from six to five coordinate. The reorganization energy from Fe-OH₂ dissociation is estimated to be .2eV. This conclusion is used to reconcile data from previous experiments in our lab. ET in photoactive porphyrin-substituted myoglobins proceed faster than predicted by Marcus Theory when it is assumed that the only difference in ET parameters between photoactive porphyrins and native heme systems is driving force. However, the data can be consistently fit to Marcus Theory if one corrects for the smaller reorganization in the photoactive porphyrin systems since they do not undergo a coordination change upon ET.

Finally, the intramolecular ET rate of (NH₃)₄isnRu-His48 SWMb was measured to be 3.0(4)s^-1. This rate is within experimental error of that for (NH₃)₄pyrRu-His48 SWMb even though the former has 80mV more driving force. One likely possibility for this observation is that the tetraamminepyridineruthenium group undergoes less reorganization upon ET than the tetraammineisonicotinamideruthenium group. Moreover, analysis of the (NH₃)₄isnRu-His48 SWMb experimental system gives a likely explanation of why ET was not observed previously in (NH₃)₄isnRu-Cytochrome C.

Information-theoretic Studies and Capacity Bounds: Group Network Codes and Energy Harvesting Communication Systems

Network information theory and channels with memory are two important but difficult frontiers of information theory. In this two-parted dissertation, we study these two areas, each comprising one part. For the first area we study the so-called entropy vectors via finite group theory, and the network codes constructed from finite groups. In particular, we identify the smallest finite group that violates the Ingleton inequality, an inequality respected by all linear network codes, but not satisfied by all entropy vectors. Based on the analysis of this group we generalize it to several families of Ingleton-violating groups, which may be used to design good network codes. Regarding that aspect, we study the network codes constructed with finite groups, and especially show that linear network codes are embedded in the group network codes constructed with these Ingleton-violating families. Furthermore, such codes are strictly more powerful than linear network codes, as they are able to violate the Ingleton inequality while linear network codes cannot. For the second area, we study the impact of memory to the channel capacity through a novel communication system: the energy harvesting channel. Different from traditional communication systems, the transmitter of an energy harvesting channel is powered by an exogenous energy harvesting device and a finite-sized battery. As a consequence, each time the system can only transmit a symbol whose energy consumption is no more than the energy currently available. This new type of power supply introduces an unprecedented input constraint for the channel, which is random, instantaneous, and has memory. Furthermore, naturally, the energy harvesting process is observed causally at the transmitter, but no such information is provided to the receiver. Both of these features pose great challenges for the analysis of the channel capacity. In this work we use techniques from channels with side information, and finite state channels, to obtain lower and upper bounds of the energy harvesting channel. In particular, we study the stationarity and ergodicity conditions of a surrogate channel to compute and optimize the achievable rates for the original channel. In addition, for practical code design of the system we study the pairwise error probabilities of the input sequences.

Supernovae explosions induced by pair production instability

Stars with a core mass greater than about 30 M_⊙ become dynamically unstable due to electron-positron pair production when their central temperature reaches 1.5-2.0 x 10^{9 0}K. The collapse and subsequent explosion of stars with core masses of 45, 52, and 60 M_⊙ is calculated. The range of the final velocity of expansion (3,400 – 8,500 km/sec) and of the mass ejected (1 – 40 M_⊙) is comparable to that observed for type II supernovae.

An implicit scheme of hydrodynamic difference equations (stable for large time steps) used for the calculation of the evolution is described.

For fast evolution the turbulence caused by convective instability does not produce the zero entropy gradient and perfect mixing found for slower evolution. A dynamical model of the convection is derived from the equations of motion and then incorporated into the difference equations.

Thermopower in Two-Dimensional Electron Systems

The subject of this thesis is the measurement and interpretation of thermopower in high-mobility two-dimensional electron systems (2DESs). These 2DESs are realized within state-of-the-art GaAs/AlGaAs heterostructures that are cooled to temperatures as low as T = 20 mK. Much of this work takes place within strong magnetic fields where the single-particle density of states quantizes into discrete Landau levels (LLs), a regime best known for the quantum Hall effect (QHE). In addition, we review a novel hot-electron technique for measuring thermopower of 2DESs that dramatically reduces the influence of phonon drag.

Early chapters concentrate on experimental materials and methods. A brief overview of GaAs/AlGaAs heterostructures and device fabrication is followed by details of our cryogenic setup. Next, we provide a primer on thermopower that focuses on 2DESs at low temperatures. We then review our experimental devices, temperature calibration methods, as well as measurement circuits and protocols.

Latter chapters focus on the physics and thermopower results in the QHE regime. After reviewing the basic phenomena associated with the QHE, we discuss thermopower in this regime. Emphasis is given to the relationship between diffusion thermopower and entropy. Experimental results demonstrate this relationship persists well into the fractional quantum Hall (FQH) regime.

Several experimental results are reviewed. Unprecedented observations of the diffusion thermopower of a high-mobility 2DES at temperatures as high as T = 2 K are achieved using our hot-electron technique. The composite fermion (CF) effective mass is extracted from measurements of thermopower at LL filling factor ν = 3/2. The thermopower versus magnetic field in the FQH regime is shown to be qualitatively consistent with a simple entropic model of CFs. The thermopower at ν = 5/2 is shown to be quantitatively consistent with the presence of non-Abelian anyons. An abrupt collapse of thermopower is observed at the onset of the reentrant integer quantum Hall effect (RIQHE). And the thermopower at temperatures just above the RIQHE transition suggests the existence of an unconventional conducting phase.

Spatiotemporal segmentation based on two-dimensional spatiotemporal entropic thresholding

A novel spatiotemporal segmentation technique is further developed for extracting uncovered background and moving objects from the image sequences, then the following motion estimation is performed only on the regions corresponding to moving objects. The frame difference contrast (FCON) and local variance contrast (LCON), which are related to the temporal and spatial homogeneity of the image sequence, are selected to form the 2-D spatiotemporal entropy. Then the spatial segmentation threshold is determined by maximizing the 2-D spatiotemporal entropy, and the temporal segmentation point is selected to minimize the complexity measure for image sequence coding. Since both temporal and spatial correlation of an image sequence are exploited, this proposed spatiotemporal segmentation technique can further be used to determine the positions of reference frames adaptively, hence resulting in a low bit rate. Experimental results show that this segmentation-based coding scheme is more efficient than usual fixed-size coding algorithms. (C) 1997 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Unveiling the factors shaping the distribution of widely distributed alpine vertebrates, using multi-scale ecological niche modelling of the bat Plecotus macrobullaris

Several alpine vertebrates share a distribution pattern that extends across the South-western Palearctic but is limited to the main mountain massifs. Although they are usually regarded as cold-adapted species, the range of many alpine vertebrates also includes relatively warm areas, suggesting that factors beyond climatic conditions may be driving their distribution. In this work we first recognize the species belonging to the mentioned biogeographic group and, based on the environmental niche analysis of Plecotus macrobullaris, we identify and characterize the environmental factors constraining their ranges. Distribution overlap analysis of 504 European vertebrates was done using the Sorensen Similarity Index, and we identified four birds and one mammal that share the distribution with P. macrobullaris. We generated 135 environmental niche models including different variable combinations and regularization values for P. macrobullaris at two different scales and resolutions. After selecting the best models, we observed that topographic variables outperformed climatic predictors, and the abruptness of the landscape showed better predictive ability than elevation. The best explanatory climatic variable was mean summer temperature, which showed that P. macrobullaris is able to cope with mean temperature ranges spanning up to 16 degrees C. The models showed that the distribution of P. macrobullaris is mainly shaped by topographic factors that provide rock-abundant and open-space habitats rather than climatic determinants, and that the species is not a cold-adapted, but rather a cold-tolerant eurithermic organism. P. macrobullaris shares its distribution pattern as well as several ecological features with five other alpine vertebrates, suggesting that the conclusions obtained from this study might be extensible to them. We concluded that rock-dwelling and open-space foraging vertebrates with broad temperature tolerance are the best candidates to show wide alpine distribution in the Western Palearctic.

Caracterização de imagens de microtomografia de raios X baseada em descritores de textura

A microtomografia computadorizada (computed microtomography - μCT) permite uma análise não destrutiva de amostras, além de possibilitar sua reutilização. A μCT permite também a reconstrução de objetos tridimensionais a partir de suas seções transversais que são obtidas interceptando a amostra através de planos paralelos. Equipamentos de μCT oferecem ao usuário diversas opções de configurações que alteram a qualidade das imagens obtidas afetando, dessa forma, o resultado esperado. Nesta tese foi realizada a caracterização e análise de imagens de μCT geradas pelo microtomógrafo SkyScan1174 Compact Micro-CT. A base desta caracterização é o processamento de imagens. Foram aplicadas técnicas de realce (brilho, saturação, equalização do histograma e filtro de mediana) nas imagens originais gerando novas imagens e em seguida a quantificação de ambos os conjuntos, utilizando descritores de textura (probabilidade máxima, momento de diferença, momento inverso de diferença, entropia e uniformidade). Os resultados mostram que, comparadas às originais, as imagens que passaram por técnicas de realce apresentaram melhoras quando gerados seus modelos tridimensionais.

Estudo do efeito magnetocalórico nos compostos da série Gd1-xDyxAl2

Nesta dissertação, foram investigadas as propriedades magnéticas e magnetocalóricas nos compostos intermetálicos de terras-raras Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) usando abordagens teórica e experimental. Do ponto de vista teórico, a série Gd1-xDyxAl2 foi descrita através de um modelo para o hamiltoniano magnético, incluindo o efeito Zeeman, interação de troca e a anisotropia de campo elétrico cristalino. As entropias da rede e eletrônica foram consideradas nas aproximações de Debye e de gás de elétrons livres, respectivamente. A parte experimental inclui a preparação do material, sua caracterização e medidas das quantidades magnéticas e magnetocalóricas. Os resultados experimentais e os cálculos teóricos da variação adiabática da temperatura (ΔTad) e da variação isotérmica da entropia (ΔS T), sob variações de campo magnético ao longo da direção de fácil magnetização, estão de bom acordo. O efeito da aplicação do campo magnético ao longo de uma direção de difícil magnetização foi estudado e as componentes da magnetização em função da temperatura foram investigadas. Também foi observado que a temperatura de reorientação de spin, TR, diminui quando a intensidade do campo magnético aumenta. Além disso, as concentrações molares ótimas de um material híbrido formado pelos compostos Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) foram simuladas usando um método numérico de matriz proposto por Smaili e Chahine. O compósito apresenta um bom intervalo de temperatura para um refrigerador magnético de 60 até 170 K.

Optimizing the Curie temperature of pseudo-binary RxR2-x ' Fe-17 (R, R ' = rare earth) for magnetic refrigeration

Several pseudo-binary RxR2-x'Fe-17 alloys (with R = Y, Ce, Pr, Gd and Dy) were synthesized with rhombohedral Th2Zn17-type crystal structure determined from x-ray and neutron powder diffraction. The choice of compositions was done with the aim of tuning the Curie temperature (T-C) in the 270 +/- 20 K temperature range, in order to obtain the maximum magneto-caloric effect around room temperature. The investigated compounds exhibit broad isothermal magnetic entropy changes, Delta S-M(T), with moderate values of the refrigerant capacity, even though the values of Delta S-M(Peak) are relatively low compared with those of the R2Fe17 compounds with R = Pr or Nd. The reduction on the Delta S-M(Peak) is explained in terms of the diminution in the saturation magnetization value. Furthermore, the Delta S-M(T) curves exhibit a similar caret-like behavior, suggesting that the magneto-caloric effect is mainly governed by the Fe-sublattice. A single master curve for Delta S-M/Delta S-M(Peak)(T) under different values of the magnetic field change are obtained for each compound by rescaling of the temperature axis.

Investigação do efeito magnetocalórico convencional e anisotrópico no sistema Er(1-y)Ho(y)N

O efeito magnetocalórico, base da refrigeração magnética, é caracterizado por duas quantidades: a variação isotérmica da entropia (ΔST) e a variação adiabática da temperatura (ΔTad) as quais podem ser obtidas sob variações na intensidade de um campo magnético aplicado. Em sistemas que apresentam anisotropia magnética, pode‐se definir o efeito magnetocalórico anisotrópico, o qual, por definição, é calculado através da variação na direção de aplicação de um campo magnético cuja intensidade se mantém fixa. Nos materiais de nosso interesse, o efeito magnetocalórico é estudado teoricamente partindo de um hamiltoniano modelo que leva em conta a rede magnética (que pode ser composta por diversas sub-redes magnéticas acopladas), rede cristalina e a dinâmica dos elétrons de condução. No hamiltoniano magnético são consideradas as interações de troca, Zeeman e campo cristalino (esta ultima responsável pela anisotropia magnética). Recentemente, estudamos o efeito magnetocalórico convencional e o efeito magnetocalórico anisotrópico nos compostos mononitretos com terras-raras, a saber: Ho(y)Er(1-y)N para as concentrações y= 0,1,0.5 e 0.75. Comparações entre nossos resultados teóricos e os dados experimentais para o EMC foram bastante satisfatórias [3,9]. Além disso, diversas predições teóricas como a existência de uma fase ferrimagnética no sistema Ho(y)Er(1-y)N (para a concentração y=0.5) e reorientações de spin nas sub-redes do Ho e Er foram feitas [25].

Problemas inversos em engenharia financeira: regularização com critério de entropia

Esta dissertação aplica a regularização por entropia máxima no problema inverso de apreçamento de opções, sugerido pelo trabalho de Neri e Schneider em 2012. Eles observaram que a densidade de probabilidade que resolve este problema, no caso de dados provenientes de opções de compra e opções digitais, pode ser descrito como exponenciais nos diferentes intervalos da semireta positiva. Estes intervalos são limitados pelos preços de exercício. O critério de entropia máxima é uma ferramenta poderosa para regularizar este problema mal posto. A família de exponencial do conjunto solução, é calculado usando o algoritmo de Newton-Raphson, com limites específicos para as opções digitais. Estes limites são resultados do princípio de ausência de arbitragem. A metodologia foi usada em dados do índice de ação da Bolsa de Valores de São Paulo com seus preços de opções de compra em diferentes preços de exercício. A análise paramétrica da entropia em função do preços de opções digitais sínteticas (construídas a partir de limites respeitando a ausência de arbitragem) mostraram valores onde as digitais maximizaram a entropia. O exemplo de extração de dados do IBOVESPA de 24 de janeiro de 2013, mostrou um desvio do princípio de ausência de arbitragem para as opções de compra in the money. Este princípio é uma condição necessária para aplicar a regularização por entropia máxima a fim de obter a densidade e os preços. Nossos resultados mostraram que, uma vez preenchida a condição de convexidade na ausência de arbitragem, é possível ter uma forma de smile na curva de volatilidade, com preços calculados a partir da densidade exponencial do modelo. Isto coloca o modelo consistente com os dados do mercado. Do ponto de vista computacional, esta dissertação permitiu de implementar, um modelo de apreçamento que utiliza o princípio de entropia máxima. Três algoritmos clássicos foram usados: primeiramente a bisseção padrão, e depois uma combinação de metodo de bisseção com Newton-Raphson para achar a volatilidade implícita proveniente dos dados de mercado. Depois, o metodo de Newton-Raphson unidimensional para o cálculo dos coeficientes das densidades exponenciais: este é objetivo do estudo. Enfim, o algoritmo de Simpson foi usado para o calculo integral das distribuições cumulativas bem como os preços do modelo obtido através da esperança matemática.

Influência da reorientação de spin nas propriedades termomagnéticas dos compostos da série Ho1-yGdyAl2

Neste trabalho foram estudadas as propriedades estruturais e termomagnéticas dos pseudobinários Ho1-yGdyAl2, através de abordagens experimentais e teóricas. A parte experimental envolveu a preparação de cinco amostras, com as concentrações y = 0, 0,25, 0,5, 0,75 e 1, assim como medidas de magnetização, calor especifico e da variação adiabática da temperatura. Na parte teórica usamos um hamiltoniano modelo que leva em consideração a interação dos íons com o campo magnético aplicado, com o campo elétrico cristalino e a troca entre os íons magnéticos. A entropia da rede foi considerada na aproximação de Debye e a entropia eletrônica na aproximação do gás de elétrons livres. A influência das reorientações de spin, espontâneas e induzidas pelo campo magnético, na magnetização e no calor especifico foram investigadas sistematicamente tanto a partir de dados experimentais quanto teoricamente. Também obtemos resultados teóricos para a variação de entropia e variação adiabática da temperatura alterando a intensidade ou a direção do campo magnético.

Análise matemática de soluções descontínuas de leis de conservação hiperbólicas e resoluções numéricas para a captura de ondas de choque em escoamentos multifásicos em meios porosos

O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água ou gás no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração precisam ser menores do que o retorno financeiro obtido com a produção de petróleo. Objetivando-se estudar possíveis cenários para o processo de exploração, costuma-se utilizar simulações dos processos de extração. As equações que modelam esse processo de recuperação são de caráter hiperbólico e não lineares, as quais podem ser interpretadas como Leis de Conservação, cujas soluções são complexas por suas naturezas descontínuas. Essas descontinuidades ou saltos são conhecidas como ondas de choque. Neste trabalho foi abordada uma análise matemática para os fenômenos oriundos de leis de conservação, para em seguida utilizá-la no entendimento do referido problema. Foram estudadas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefação, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi considerado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. As simulações foram realizadas nos âmbitos dos escoamentos bifásicos e trifásicos, em que os fluidos são imiscíveis e os efeitos gravitacionais e difusivos, devido à pressão capilar, foram desprezados. Inicialmente, foi feito um estudo comparativo de resoluções numéricas na captura de ondas de choque em escoamento bifásico água-óleo. Neste estudo destacam-se o método Composto LWLF-k, o esquema NonStandard e a introdução da nova função de renormalização para o esquema NonStandard, onde obteve resultados satisfatórios, principalmente em regiões onde a viscosidade do óleo é muito maior do que a viscosidade da água. No escoamento bidimensional, um novo método é proposto, partindo de uma generalização do esquema NonStandard unidimensional. Por fim, é feita uma adaptação dos métodos LWLF-4 e NonStandard para a simulação em escoamentos trifásicos em domínios unidimensional. O esquema NonStandard foi considerado mais eficiente nos problemas abordados, uma vez que sua versão bidimensional mostrou-se satisfatória na captura de ondas de choque em escoamentos bifásicos em meios porosos.