The crystal and molecular structure of bis (pyridoxamine) copper (II) dinitrate monohydrate

The crystal structure of Cu(PM)2(N03hoH20 (where PM is pyridoxamine, CSHI2N202) has been determined from three dimensional x-ray diffraction data. The crystals are triclinic, space group pI, a = 14.248 (2), b = 8.568 (1), c = 9.319 (1) 1, a = 94.08 (1), e = 89.73 (1), y~~ 99.18 (1)°, z = 2, jl(MoK) = 10.90 em-I, Po = 1.61 g/cm3 and Pc = 1.61 g/em3• The structure a was solved by Patterson techniques from data collected on a Picker 4-circle diffractometer to 26max = 45°. All atoms, including hydrogens, have been located. Anisotropic thermal parameters have been refined for all nonhydrogen atoms. For the 2390 independent reflections with F ? 3cr(F) , R = 0.0408. The results presented here provide the first detailed structural information of a metal complex with PM itself. The copper atoms are located on centres of symmetry and each is chela ted by two PM zwitterions through the amino groups and phenolate oxygen atoms. The zwitterionic form found in this structure involves the loss of a proton from the phenolate group and protonation of the pyridine ring nitrogen atoms. The two independent Cu(PM)2 moieties are symmetrically bridged by a single oxygen atom from one of the nitrate groups. The second nitrate group is not coordinated to the copper atoms but is central to an extensive hydrogen bonding network involving the water molecule and uncoordinated functional groups of PM.

The influence of water on the glucose affinity of hexokinase

In the present thesis, the role of hydration during the glucose induced conformational change of hexokinase is investigated. This is accomplished by applying the osmotic stress technique. The osmotic stress technique is founded on varying of the activity of water in a system in order to determine ifs effects. This is accomplished by adding inert solute molecules that are excluded from the system under study. The solute molecules used within the present investigation are Polyethylene glycols (PEGs). PEGs aid in the removal of water from hexokinase by exerting osmotic pressure. The osmotic pressures of the PEG solutions are also measured with both vapour pressure osmometry and secondary osmometry with phospholipids. An interesting discovery is made in that the osmotic pressures of PEG and co-solute solutions are non-additive. This indicates that PEG concentrates co-solutes in solution by making a certain proportion of the water inaccessible. Glucose binding was measured fluorometrically and the glucose equilibrium dissociation constant (GEDC) of hexokinase is measured in solutions containing the different MW PEGs. Changes in the sensitivity of the glucose affinity with osmotic pressure allows the calculation of the change in the numbers of polymer-inaccessible water molecules upon the binding of glucose to hexokinase ~Nw. It was determined the ~Nw decreases with increases in osmotic pressure in the presence of all MW PEGs. ~Nw decreases from values between 45-290 water molecules at low pressure to approximately 15 at high pressure. There is also a molecular weight dependence observed. There are large decreases in ~Nw with osmotic pressure in the presence of PEGs above MW 1000. However, below MW 1500 changes in ~Nw with osmotic pressure are relatively small. These findings are interpreted with respect to two possible mechanisms involving changes in the conformation of hexokinase u~der osmotic pressure and the access of the PEG molecules to water surrounding hexokinase.

The role of water in determining structure and function of macromolecules and macromolecular assemblies /

The interaction of biological molecules with water is an important determinant of structural properties both in molecular assemblies, and in conformation of individual macromolecules. By observing the effects of manipulating the activity of water (which can be accomplished by limiting its concentration or by adding additional solutes, "osmotic stress"), one can learn something about intrinsic physical properties of biological molecules as well as measure an energetic contribution of closely associated water molecules to overall equilibria in biological reactions. Here two such studies are reported. The first of these examines several species of lysolipid which, while present in relatively low concentrations in biomembranes, have been shown to affect many cellular processes involving membrane-protein or membrane-membrane interactions. Monolayer elastic constants were determined by combining X-ray diffraction and the osmotic stress technique. Spontaneous radii of curvature of lysophosphatidylcholines were determined to be positive and in the range +30A to +70A, while lysophosphatidylethanolamines proved to be essentially flat. Neither lysolipid significantly affected the bending modulus of the monolayer in which it was incorporated. The second study examines the role of water in theprocess of polymerization of actin into filaments. Water activity was manipulated by adding osmolytes and the effect on the equilibrium dissociation constant (measured as the criticalmonomer concentration) was determined. As water activity was decreased, the critical concentration was reduced for Ca-actin but not for Mg-actin, suggesting that 10-12 fewer water molecules are associated with Ca-actin in the polymerized state. Thisunexpectedly small amount of water is discussed in the context of the common structural motif of a nucleotide binding cleft.

Self-assembly of PS-PVP block copolymers and their complexes at the air/water interface

Une compréhension approfondie et un meilleur contrôle de l'auto-assemblage des copolymères diblocs (séquencés) et de leurs complexes à l'interface air/eau permettent la formation contrôlée de nanostructures dont les propriétés sont connues comme alternative à la nanolithographie. Dans cette thèse, des monocouches obtenues par les techniques de Langmuir et de Langmuir-Blodgett (LB) avec le copolymère dibloc polystyrène-poly(4-vinyl pyridine) (PS-PVP), seul ou complexé avec de petites molécules par liaison hydrogène [en particulier, le 3-n-pentadécylphénol (PDP)], ont été étudiées. Une partie importante de notre recherche a été consacrée à l'étude d'une monocouche assemblée atypique baptisée réseau de nanostries. Des monocouches LB composées de nanostries ont déjà été rapportées dans la littérature mais elles coexistent souvent avec d'autres morphologies, ce qui les rend inutilisables pour des applications potentielles. Nous avons déterminé les paramètres moléculaires et les conditions expérimentales qui contrôlent cette morphologie, la rendant très reproductible. Nous avons aussi proposé un mécanisme original pour la formation de cette morphologie. De plus, nous avons montré que l'utilisation de solvants à haut point d’ébullition, non couramment utilisés pour la préparation des films Langmuir, peut améliorer l'ordre des nanostries. En étudiant une large gamme de PS-PVP avec des rapports PS/PVP et des masses molaires différents, avec ou sans la présence de PDP, nous avons établi la dépendance des types principaux de morphologie (planaire, stries, nodules) en fonction de la composition et de la concentration des solutions. Ces observations ont mené à une discussion sur les mécanismes de formation des morphologies, incluant la cinétique, l’assemblage moléculaire et l’effet du démouillage. Nous avons aussi démontré pour la première fois que le plateau dans l'isotherme des PS-PVP/PDP avec morphologie de type nodules est relié à une transition ordre-ordre des nodules (héxagonal-tétragonal) qui se produit simultanément avec la réorientation du PDP, les deux aspects étant clairement observés par AFM. Ces études ouvrent aussi la voie à l'utilisation de films PS-PVP/PDP ultraminces comme masque. La capacité de produire des films nanostructurés bien contrôlés sur différents substrats a été démontrée et la stabilité des films a été vérifiée. Le retrait de la petite molécule des nanostructures a fait apparaître une structure interne à explorer lors d’études futures.

Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.

Développement d’une méthode de simulation multi-échelle pour l’étude des grandes transformations dans les protéines

Les films de simulations qui accompagnent le document ont été réalisés avec Pymol.

Elementary steps in aqueous proton transfer reactions : a first principles molecular dynamics study

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

Développement et validation d'un modèle de simulation numérique personnalisé à une athlète de plongeon

Les entraîneurs en sports acrobatiques disposent de peu d’outils permettant d’améliorer leur compréhension des saltos vrillés et la performance des athlètes. L’objectif de ce mémoire était de développer un environnement graphique de simulation numérique réaliste et utile des acrobaties aériennes. Un modèle composé de 17 segments et de 42 degrés de liberté a été développé et personnalisé à une athlète de plongeon. Un système optoélectronique échantillonné à 300 Hz a permis l’acquisition de huit plongeons en situation réelle d’entraînement. La cinématique articulaire reconstruite avec un filtre de Kalman étendu a été utilisée comme entrée du modèle. Des erreurs quadratiques moyennes de 20° (salto) et de 9° (vrille) entre les performances simulées et réelles ont permis de valider le modèle. Enfin, une formation basée sur le simulateur a été offerte à 14 entraîneurs en sports acrobatiques. Une augmentation moyenne de 11 % des résultats aux questionnaires post-test a permis de constater le potentiel pédagogique de l’outil pour la formation.

Simulation de la nage anguilliforme

Ce document traite premièrement des diverses tentatives de modélisation et de simulation de la nage anguilliforme puis élabore une nouvelle technique, basée sur la méthode de la frontière immergée généralisée et la théorie des poutres de Reissner-Simo. Cette dernière, comme les équations des fluides polaires, est dérivée de la mécanique des milieux continus puis les équations obtenues sont discrétisées afin de les amener à une résolution numérique. Pour la première fois, la théorie des schémas de Runge-Kutta additifs est combinée à celle des schémas de Runge-Kutta-Munthe-Kaas pour engendrer une méthode d’ordre de convergence formel arbitraire. De plus, les opérations d’interpolation et d’étalement sont traitées d’un nouveau point de vue qui suggère l’usage des splines interpolatoires nodales en lieu et place des fonctions d’étalement traditionnelles. Enfin, de nombreuses vérifications numériques sont faites avant de considérer les simulations de la nage.

Biochemical and molecular characterization of pathogenic vibrios from hatcheries and aquaculture farms

Vibrio are important during hatchery rearing. aquaculture phase and post-harvest quality of shrimps. Vibrio spp are of concern to shrimp farmers and hatchery operators because certain species can cause Vibriosis. Vibrio species are of concern to humans because certain species cause serious diseases.With the progress in aquaculture, intensive systems used for shrimp aquaculture create an artificial environment that increases bacterial growth. To maintain the productivity of such an intensive aquaculture, high inputs of fish protein have to be employed for feeding together with high levels of water exchange and the massive use of antibiotics/ probiotics / chemicals. It seems that the combination of these conditions favours the proliferation of vibrios and enhances their virulence and disease prevalence. The risk of a microbial infection is high, mainly at larval stages. The effect and severity are related to Vibrio species and dose, water, feed, shrimp quality and aquaculture management.Consumption of seafood can occasionally result in food-bome illnesses due to the proliferation of indigenous pathogens like Vibrio.Of the l2 pathogenic Vibrio species, 8 species are known to be directly food associated. Strict quality guidelines have been laid by the importing nations, for the food products that enter their markets. The microbiological quality requirement for export of frozen shrimp products is that V.cholerae, V.parahaemolyticus and V. vulnificus should be absent in 25g of the processed shrimp (Export Inspection Council of India, 1995). The mere presence of these pathogenic Vibrios is sufficient for the rejection of the exported product.The export rejections cause serious economic loss to the shrimp industry and might harm the brand image of the shrimp products from the countiy.There is a need for an independent study on the incidence of different pathogenic vibrios in shrimp aquaculture and investigate their biochemical characteristics to have a better understanding about the growth and survival of these organisms in the shrimp aquaculture niche. PCR based methods (conventional PCR, duplex PCR, multiplex-PCR and Real Time PCR) for the detection of the pathogenic Vibrios is important for rapid post-harvest quality assessment. Studies on the genetic heterogeneity among the specific pathogenic vibrio species isolated from shrimp aquaculture system provide; valuable information on the extent of genetic diversity of the pathogenic vibrios, the shrimp aquaculture system.So the present study was undertaken to study the incidence of pathogenic Vibrio spp. in Penaeus monodon shrimp hatcheries and aquaculture farms, to carry out biochemical investigations of the pathogenic Vibrio spp isolated from P. monodon hatchery and. aquaculture environments, to assess the effect of salt (NaCl) on the growth and enzymatic activities of pathogenic Vibrio spp., to study the effect of preservatives, and chemicals on the growth of pathogenic Vibrio spp. and to employ polymerase chain reaction (PCR) methods for the detection of pathogenic V ibrio spp.Samples of water (n=7) and post-larvae (n=7) were obtained from seven Penaeus monodon hatcheries and samples of water (n=5), sediment (n=5) and shrimp (n=5) were obtained from five P. monodon aquaculture farms located on the East Coast of lndia. The microbiological examination of water, sediment, post-larvae and shrimp samples was carried out employing standard methods and by using standard media.The higher bacterial loads were obtained in pond sediments which can be attributed to the accumulation of organic matter at the pond bottom which stimulated bacterial growth.Shrimp head. (4.78 x 105 +/- 3.0 x 104 cfu/g) had relatively higher bacterial load when compared to shrimp muscle 2.7 x 105 +/- 1.95 x 104 cfu/g). ln shrimp hatchery samples, the post-larvae (2.2 x 106 +/- 1.9 x 106 cfu/g) had higher bacterial load than water (5.6 x 103 +/- 3890 cfu/ml).The mean E.coli counts were higher in aquaculture pond sediment (204+/-13 cfu/g) and pond water (124+/-88 cfu/ml). Relatively lower Escherichia coli counts were obtained from shrimp samples (12+/-11 to 16+/-16.7 cfu/g). The presence of E.coli in aquaculture environment might have been from the source water. E.coli was not detected in hatchery waters and post-larvae.

Measurement and simulation of anisotropy in the Infrared and Raman spectra of beta-FeSi2 single crystals

In this paper we show that the orthorhombic phase of FeSi2 (stable at room temperature) displays a sizable anisotropy in the infrared spectra, with minor effects in the Raman data too. This fact is not trivial at all, since the crystal structure corresponds to a moderate distortion of the fluorite symmetry. Our analysis is carried out on small single crystals grown by flux transport, through polarization-resolved far-infrared reflectivity and Raman measurements. Their interpretation has been obtained by means of the simulated spectra with tight-binding molecular dynamics.

Fluid mechanics-non-linear waves studies on korteweg-de vries equations

In this thesis the author has presented qualitative studies of certain Kdv equations with variable coefficients. The well-known KdV equation is a model for waves propagating on the surface of shallow water of constant depth. This model is considered as fitting into waves reaching the shore. Renewed attempts have led to the derivation of KdV type equations in which the coefficients are not constants. Johnson's equation is one such equation. The researcher has used this model to study the interaction of waves. It has been found that three-wave interaction is possible, there is transfer of energy between the waves and the energy is not conserved during interaction.

Gut Associated Lactic Acid Bacteria Isolated from the Estuarine Fish Mugil cephalus: Molecular Diversity and Antibacterial Activities against Pathogens

In the present study we address the issue on gut associated lactic acid bacteria (LAB) isolated from the intestine of estuarine fish Mugil cephalus using de Man Rogossa and Sharpe (MRS) agar. LAB isolates were identified biochemically and screened for their ability to inhibit in vitro growth of various fish, shrimp and human pathogens. Most of the LAB isolates displayed an improved antagonism against fish pathogens compared to shrimp and human pathogens. Selected representative strains displaying high antibacterial activity were identified using 16S rRNA gene sequence analysis. Of the selected strains Lactobacillus brevis was the most predominant. Four other species of Lactobacillus, Enterobacter hormaechei and Enterobacter ludwigii were also identified. It was also observed that even among same species, considerable diversity with respect to substrate utilization persisted. Considering the euryhaline nature of grey mullet (Mugil cephalus), the LAB isolated from the gut possessed good tolerance to varying salt concentrations. This finding merits further investigation to evaluate whether the isolated LAB could be used as probiotics in various fresh and sea water aquaculture