Rotation of subunits during catalysis by Escherichia coli F1-ATPase.

During oxidative and photo-phosphorylation, F0F1-ATP synthases couple the movement of protons down an electrochemical gradient to the synthesis of ATP. One proposed mechanistic feature that has remained speculative is that this coupling process requires the rotation of subunits within F0F1. Guided by a recent, high-resolution structure for bovine F1 [Abrahams, J. P., Leslie, A. G., Lutter, R. & Walker, J. E. (1994) Nature (London) 370, 621-628], we have developed a critical test for rotation of the central gamma subunit relative to the three catalytic beta subunits in soluble F1 from Escherichia coli. In the bovine F1 structure, a specific point of contact between the gamma subunit and one of the three catalytic beta subunits includes positioning of the homolog of E. coli gamma-subunit C87 (gamma C87) close to the beta-subunit 380DELSEED386 sequence. A beta D380C mutation allowed us to induce formation of a specific disulfide bond between beta and gamma C87 in soluble E. coli F1. Formation of the crosslink inactivated beta D380C-F1, and reduction restored full activity. Using a dissociation/reassembly approach with crosslinked beta D380C-F1, we incorporated radiolabeled beta subunits into the two noncrosslinked beta-subunit positions of F1. After reduction of the initial nonradioactive beta-gamma crosslink, only exposure to conditions for catalytic turnover results in similar reactivities of unlabeled and radiolabeled beta subunits with gamma C87 upon reoxidation. The results demonstrate that gamma subunit rotates relative to the beta subunits during catalysis.

Genetic dissection of Alzheimer disease, a heterogeneous disorder.

The genetics of Alzheimer disease (AD) are complex and not completely understood. Mutations in the amyloid precursor protein gene (APP) can cause early-onset autosomal dominant AD. In vitro studies indicate that cells expressing mutant APPs overproduce pathogenic forms of the A beta peptide, the major component of AD amyloid. However, mutations in the APP gene are responsible for 5% or less of all early-onset familial AD. A locus on chromosome 14 is responsible for AD in other early-onset AD families and represents the most severe form of the disease in terms of age of onset and rate of decline. Attempts to identify the AD3 gene by positional cloning methods are underway. At least one additional early-onset AD locus remains to be located. In late-onset AD, the apolipoprotein E gene allele epsilon 4 is a risk factor for AD. This allele appears to act as a dose-dependent age-of-onset modifier. The epsilon 2 allele of this gene may be protective. Other late-onset susceptibility factors remain to be identified.

Use of binding energy by an RNA enzyme for catalysis by positioning and substrate destabilization.

A fundamental catalytic principle for protein enzymes in the use of binding interactions away from the site of chemical transformation for catalysis. We have compared the binding and reactivity of a series of oligonucleotide substrates and products of the Tetrahymena ribozyme, which catalyzes a site-specific phosphodiester cleavage reaction: CCCUCUpA+G<-->CCCUCU-OH+GpA. The results suggest that this RNA enzyme, like protein enzymes, can utilize binding interactions to achieve substantial catalysis via entropic fixation and substrate destabilization. The stronger binding of the all-ribose oligonucleotide product compared to an analog with a terminal 3' deoxyribose residue gives an effective concentration of 2200 M for the 3' hydroxyl group, a value approaching those obtained with protein enzymes and suggesting the presence of a structurally well defined active site capable of precise positioning. The stabilization from tertiary binding interactions is 40-fold less for the oligonucleotide substrate than the oligonucleotide product, despite the presence of the reactive phosphoryl group in the substrate. This destabilization is accounted for by a model in which tertiary interactions away from the site of bond cleavage position the electron-deficient 3' bridging phosphoryl oxygen of the oligonucleotide substrate next to an electropositive Mg ion. As the phosphodiester bond breaks and this 3' oxygen atom develops a negative charge in the transition state, the weak interaction of the substrate with Mg2+ becomes strong. These strategies of "substrate destabilization" and "transition state stabilization" provide estimated rate enhancements of approximately 280- and approximately 60-fold, respectively. Analogous substrate destabilization by a metal ion or hydrogen bond donor may be used more generally by RNA and protein enzymes catalyzing reactions of phosphate esters.

Oxidação eletroquímica de etanol em temperatura ambiente e intermediária: estudo quantitativo das vias reacionais por espectrometria de massas on-line

Na primeira parte do trabalho, foram investigados materiais ativos para eletro-oxidar etanol e acetaldeído seletivos para a rota C2 (Carbono 2) e, também, ativos para eletro-oxidar hidrogênio molecular, visando a aplicação em células a combustível de hidrogênio indireto. Neste tipo de célula, um processador de combustível externo desidrogena o etanol e os produtos desta reação, contendo H2, acetaldeído e, possivelmente, etanol residual, são direcionados para alimentar o ânodo. Neste sentido, o eletrocatalisador anódico pode ser ativo para a eletro-oxidação de etanol residual, bem como acetaldeído, mas este deve catalisar a reação via C2 com o objetivo de evitar a formação de espécies que envenenam a superfície catalítica (CO ou CHx), ou seja, a ligação C-C deve permanecer intacta. Os eletrocatalisadores bimetálicos foram formados por M/Pt/C (onde M = W, Ru ou Sn) e os produtos reacionais foram analisados por DEMS On-line. Os resultados mostraram que Ru/Pt/C e Sn/Pt/C apresentaram maiores taxas de reação global, no entanto, eles não foram seletivos. Por outro lado, W2/Pt3/C foi mais seletivo para a rota C2, dada a não formação de CH4 e CO2. Além disso, este material também foi ativo e estável para a eletro-oxidação de H2, mesmo na presença de acetaldeído, o que o torna um potencial catalisador para aplicação no ânodo de células a combustível de hidrogênio indireto. Na segunda parte do trabalho, o objetivo foi relacionado com o estudo de eletrocatalisadores seletivos para a rota C1 (Carbono 1). A oxidação eletroquímica do etanol e de seus produtos reacionais foram investigados por DEMS on-line em temperatura ambiente e intermediária (245oC). Para temperatura ambiente, utilizou-se solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4) e, para temperatura intermediária, utilizou-se ácido sólido (CsH2PO4) como eletrólito. Os eletrocatalisadores investigados foram formados por SnOxRuOx-Pt/C e Pt/C. Em temperatura ambiente, os resultados de polarização potenciodinâmica mostraram uma maior atividade eletrocatalítica para o material SnOxRuOx-Pt/C, com eficiência de corrente para formação de CO2 de 15,6% contra 15,2% para Pt/C, sob condições estagnantes, sem controle por transporte de massa. O stripping de resíduos reacionais, após a eletro-oxidação de etanol bulk, sob condições de fluxo, mostraram o acúmulo de espécies com 1 átomo de carbono (CO e CHx) que causam o bloqueio dos sítios ativos e são oxidadas eletroquimicamente somente em mais altos potenciais (ca. 1,0 V). Por outro lado, as curvas de polarização a 245oC mostraram maiores valores de eficiências de correntes para formação de CO2 (45% para Pt/C em ambos potenciais 0,5 V e 0,8 V contra 36% e 50% para SnOxRuOx-Pt/C em 0,5 V e 0,8 V respectivamente) quando comparado com os valores obtidos em temperatura ambiente, mas com atividades similares para SnOxRuOx-Pt/C e Pt/C. Para ambos os eletrocatalisadores, os estudos de espectrometria de massas a 245oC evidenciaram que as rotas eletroquímicas ocorrem em paralelo com rotas puramente químicas, envolvendo catálise heterogênea, de decomposição do etanol, produzindo H2 e CO2 como produtos majoritários.

Image Noise Removal on Heterogeneous CPU-GPU Configurations

A parallel algorithm to remove impulsive noise in digital images using heterogeneous CPU/GPU computing is proposed. The parallel denoising algorithm is based on the peer group concept and uses an Euclidean metric. In order to identify the amount of pixels to be allocated in multi-core and GPUs, a performance analysis using large images is presented. A comparison of the parallel implementation in multi-core, GPUs and a combination of both is performed. Performance has been evaluated in terms of execution time and Megapixels/second. We present several optimization strategies especially effective for the multi-core environment, and demonstrate significant performance improvements. The main advantage of the proposed noise removal methodology is its computational speed, which enables efficient filtering of color images in real-time applications.

Biodiesel production by acid catalysis with heteropolyacids supported on activated carbon fibers

Different catalysts, based on heteropolyacids supported on activated carbon fibers, have been prepared for palmitic acid esterification reaction. The influence of the catalyst (heteropolyacid) and the support on the catalytic activity have been analyzed. The results prove that an adequate combination of both is required to achieve the most suitable catalysts. Regarding to the heteropolyacid, phosphomolybdic acid seems to be the most suitable appropriate taking into account its lowest leaching. About the support, it must show an optimum microporosity, which must be wide enough to allow the entrance and exit of the reagents and products but not too wide in order to avoid the leaching of the catalyst. In addition, both decreasing of the catalytic activity and its recovery over several cycles have been analyzed.

Gold Nanoparticles Supported on Polyacrylamide Containing a Phosphorus Ligand as an Efficient Heterogeneous Catalyst for Three-Component Synthesis of Propargylamines in Water

Gold nanoparticles supported on a polyacrylamide containing a phosphinite ligand have been synthesized and characterized using different techniques such as TEM, SEM, EDX, XPS, and solid UV analyses. The new material was successfully applied as a heterogeneous catalyst for the three-component A3 coupling of amines, aldehydes, and alkynes to give propargylamines. Reactions are performed in neat water at 80 °C with only 0.05 mol% catalyst loading. The heterogeneous catalyst is recyclable during seven consecutive runs with small decrease in activity.

Catalytic wet peroxide oxidation: a route towards the application of hybrid magnetic carbon nanocomposites for the degradation of organic pollutants. A review

Several motivations have prompted the scientific community towards the application of hybrid magnetic carbon nanocomposites in catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) processes. The most relevant literature on this topic is reviewed, with a special focus on the synergies that can arise from the combination of highly active and magnetically separable iron species with the easily tuned properties of carbon-based materials. These are mainly ascribed to increased adsorptive interactions, to good structural stability and low leaching levels of the metal species, and to increased regeneration and dispersion of the active sites, which are promoted by the presence of the carbon-based materials in the composites. The most significant features of carbon materials that may be further explored in the design of improved hybrid magnetic catalysts are also addressed, taking into consideration the experimental knowledge gathered by the authors in their studies and development of carbon-based catalysts for CWPO. The presence of stable metal impurities, basic active sites and sulphur-containing functionalities, as well as high specific surface area, adequate porous texture, adsorptive interactions and structural defects, are shown to increase the activity of carbon materials when applied in CWPO, while the presence of acidic oxygen-containing functionalities has the opposite effect.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Influence of the Common Agricultural Policy and Heterogeneous Land Quality on Land Rent and Land Allocation. Factor Markets Working Paper No. 38, March 2013

Against the background of the current discussion about the EU’s common agricultural policy (CAP) after 2013, the question of the impact of government support on land prices is crucially important. Validation of the CAP’s success also hinges on a proper assessment of a choice of policy instruments. This study therefore has the objective of investigating on a theoretical basis the effects of different government support measures on land rental prices and land allocation. The different measures under consideration are the price support, area payments and decoupled single farm payments (SFPs) of the CAP. Our approach evaluates the potential impact of each measure based on a Ricardian land rent model with heterogeneous land quality and multiple land uses. We start with a simple model of one output and two inputs, where a Cobb-Douglas production technology is assumed between the two factors of land and non-land inputs. In a second step, an outside option is introduced. This outside option, as opposed to land use of the Ricardian type, is independent of land quality. The results show that area payments and SFPs become fully capitalised into land rents, whereas in a price support scheme the capitalisation depends on per-acreage productivity. Moreover, in a price support scheme and a historical model, the capitalisation is positively influenced by land quality. Both area payments and price supports influence land allocation across different uses compared with no subsidies, where the shift tends to be larger in an area payment scheme than in a price support scheme. By contrast, SFPs do not influence land allocation.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Bounds on scheduling algorithms for heterogeneous computing systems /

Includes bibliographical references.

Catalysis in the interaction of carbon with steam and with carbon dioxide ...

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