Stochastic homogenization of the laser intensity to improve the irradiation uniformity of capsules directly driven by thousands laser beams

Illumination uniformity of a spherical capsule directly driven by laser beams has been assessed numerically. Laser facilities characterized by ND = 12, 20, 24, 32, 48 and 60 directions of irradiation with associated a single laser beam or a bundle of NB laser beams have been considered. The laser beam intensity profile is assumed super-Gaussian and the calculations take into account beam imperfections as power imbalance and pointing errors. The optimum laser intensity profile, which minimizes the root-mean-square deviation of the capsule illumination, depends on the values of the beam imperfections. Assuming that the NB beams are statistically independents is found that they provide a stochastic homogenization of the laser intensity associated to the whole bundle, reducing the errors associated to the whole bundle by the factor  , which in turn improves the illumination uniformity of the capsule. Moreover, it is found that the uniformity of the irradiation is almost the same for all facilities and only depends on the total number of laser beams Ntot = ND × NB.

El problema del rozamiento en el análisis de estructuras de fábrica mediante modelos de sólidos rígidos

La evaluación de la seguridad de estructuras antiguas de fábrica es un problema abierto.El material es heterogéneo y anisótropo, el estado previo de tensiones difícil de conocer y las condiciones de contorno inciertas. A comienzos de los años 50 se demostró que el análisis límite era aplicable a este tipo de estructuras, considerándose desde entonces como una herramienta adecuada. En los casos en los que no se produce deslizamiento la aplicación de los teoremas del análisis límite estándar constituye una herramienta formidable por su simplicidad y robustez. No es necesario conocer el estado real de tensiones. Basta con encontrar cualquier solución de equilibrio, y que satisfaga las condiciones de límite del material, en la seguridad de que su carga será igual o inferior a la carga real de inicio de colapso. Además esta carga de inicio de colapso es única (teorema de la unicidad) y se puede obtener como el óptimo de uno cualquiera entre un par de programas matemáticos convexos duales. Sin embargo, cuando puedan existir mecanismos de inicio de colapso que impliquen deslizamientos, cualquier solución debe satisfacer tanto las restricciones estáticas como las cinemáticas, así como un tipo especial de restricciones disyuntivas que ligan las anteriores y que pueden plantearse como de complementariedad. En este último caso no está asegurada la existencia de una solución única, por lo que es necesaria la búsqueda de otros métodos para tratar la incertidumbre asociada a su multiplicidad. En los últimos años, la investigación se ha centrado en la búsqueda de un mínimo absoluto por debajo del cual el colapso sea imposible. Este método es fácil de plantear desde el punto de vista matemático, pero intratable computacionalmente, debido a las restricciones de complementariedad 0 y z 0 que no son ni convexas ni suaves. El problema de decisión resultante es de complejidad computacional No determinista Polinomial (NP)- completo y el problema de optimización global NP-difícil. A pesar de ello, obtener una solución (sin garantía de exito) es un problema asequible. La presente tesis propone resolver el problema mediante Programación Lineal Secuencial, aprovechando las especiales características de las restricciones de complementariedad, que escritas en forma bilineal son del tipo y z = 0; y 0; z 0 , y aprovechando que el error de complementariedad (en forma bilineal) es una función de penalización exacta. Pero cuando se trata de encontrar la peor solución, el problema de optimización global equivalente es intratable (NP-difícil). Además, en tanto no se demuestre la existencia de un principio de máximo o mínimo, existe la duda de que el esfuerzo empleado en aproximar este mínimo esté justificado. En el capítulo 5, se propone hallar la distribución de frecuencias del factor de carga, para todas las soluciones de inicio de colapso posibles, sobre un sencillo ejemplo. Para ello, se realiza un muestreo de soluciones mediante el método de Monte Carlo, utilizando como contraste un método exacto de computación de politopos. El objetivo final es plantear hasta que punto está justificada la busqueda del mínimo absoluto y proponer un método alternativo de evaluación de la seguridad basado en probabilidades. Las distribuciones de frecuencias, de los factores de carga correspondientes a las soluciones de inicio de colapso obtenidas para el caso estudiado, muestran que tanto el valor máximo como el mínimo de los factores de carga son muy infrecuentes, y tanto más, cuanto más perfecto y contínuo es el contacto. Los resultados obtenidos confirman el interés de desarrollar nuevos métodos probabilistas. En el capítulo 6, se propone un método de este tipo basado en la obtención de múltiples soluciones, desde puntos de partida aleatorios y calificando los resultados mediante la Estadística de Orden. El propósito es determinar la probabilidad de inicio de colapso para cada solución.El método se aplica (de acuerdo a la reducción de expectativas propuesta por la Optimización Ordinal) para obtener una solución que se encuentre en un porcentaje determinado de las peores. Finalmente, en el capítulo 7, se proponen métodos híbridos, incorporando metaheurísticas, para los casos en que la búsqueda del mínimo global esté justificada. Abstract Safety assessment of the historic masonry structures is an open problem. The material is heterogeneous and anisotropic, the previous state of stress is hard to know and the boundary conditions are uncertain. In the early 50's it was proven that limit analysis was applicable to this kind of structures, being considered a suitable tool since then. In cases where no slip occurs, the application of the standard limit analysis theorems constitutes an excellent tool due to its simplicity and robustness. It is enough find any equilibrium solution which satisfy the limit constraints of the material. As we are certain that this load will be equal to or less than the actual load of the onset of collapse, it is not necessary to know the actual stresses state. Furthermore this load for the onset of collapse is unique (uniqueness theorem), and it can be obtained as the optimal from any of two mathematical convex duals programs However, if the mechanisms of the onset of collapse involve sliding, any solution must satisfy both static and kinematic constraints, and also a special kind of disjunctive constraints linking the previous ones, which can be formulated as complementarity constraints. In the latter case, it is not guaranted the existence of a single solution, so it is necessary to look for other ways to treat the uncertainty associated with its multiplicity. In recent years, research has been focused on finding an absolute minimum below which collapse is impossible. This method is easy to set from a mathematical point of view, but computationally intractable. This is due to the complementarity constraints 0 y z 0 , which are neither convex nor smooth. The computational complexity of the resulting decision problem is "Not-deterministic Polynomialcomplete" (NP-complete), and the corresponding global optimization problem is NP-hard. However, obtaining a solution (success is not guaranteed) is an affordable problem. This thesis proposes solve that problem through Successive Linear Programming: taking advantage of the special characteristics of complementarity constraints, which written in bilinear form are y z = 0; y 0; z 0 ; and taking advantage of the fact that the complementarity error (bilinear form) is an exact penalty function. But when it comes to finding the worst solution, the (equivalent) global optimization problem is intractable (NP-hard). Furthermore, until a minimum or maximum principle is not demonstrated, it is questionable that the effort expended in approximating this minimum is justified. XIV In chapter 5, it is proposed find the frequency distribution of the load factor, for all possible solutions of the onset of collapse, on a simple example. For this purpose, a Monte Carlo sampling of solutions is performed using a contrast method "exact computation of polytopes". The ultimate goal is to determine to which extent the search of the global minimum is justified, and to propose an alternative approach to safety assessment based on probabilities. The frequency distributions for the case study show that both the maximum and the minimum load factors are very infrequent, especially when the contact gets more perfect and more continuous. The results indicates the interest of developing new probabilistic methods. In Chapter 6, is proposed a method based on multiple solutions obtained from random starting points, and qualifying the results through Order Statistics. The purpose is to determine the probability for each solution of the onset of collapse. The method is applied (according to expectations reduction given by the Ordinal Optimization) to obtain a solution that is in a certain percentage of the worst. Finally, in Chapter 7, hybrid methods incorporating metaheuristics are proposed for cases in which the search for the global minimum is justified.

Techniques to accelerate convergence of stress-controlled molecular dynamics simulations of dislocation motion

Dislocation mobility —the relation between applied stress and dislocation velocity—is an important property to model the mechanical behavior of structural materials. These mobilities reflect the interaction between the dislocation core and the host lattice and, thus, atomistic resolution is required to capture its details. Because the mobility function is multiparametric, its computation is often highly demanding in terms of computational requirements. Optimizing how tractions are applied can be greatly advantageous in accelerating convergence and reducing the overall computational cost of the simulations. In this paper we perform molecular dynamics simulations of ½ 〈1 1 1〉 screw dislocation motion in tungsten using step and linear time functions for applying external stress. We find that linear functions over time scales of the order of 10–20 ps reduce fluctuations and speed up convergence to the steady-state velocity value by up to a factor of two.

Electron temperature versus laser intensity times wavelength squared: a comparison of theory and experiments

The peak temperature in the corona of plasma ejected by a laser-irradiated slab is discussed in terms of a one-electron-temperature model. Both heat-flux saturation and pulse rise-time effects are considered;the intensity in the rising half of the pulse is approximated by a linear function of time, I(t) = Iot/r. The temperature is found to be proportional to (IQX2)273 and a function of I0X4/r. Above a certain value of I0X4/T, the plasma presents two characteristic temperatures (at saturation and at the critical surface) which can be identified with experimentally observed cold- and hot-electron temperatures. The results are compared with extensive experimental data available for both nd and CO2 lasers, I0(W'cnf2) X2 (/um) starting around 1012. The agreement is good if substantial flux inhibition is assumed (flux-limit factor f = 0.03), and fails for I0X2 above 1O1S. Results for both ablation pressure and mass ablation rate are also given.

Esfuerzos inducidos en presas, arco-gravedad en operación por la acción térmica medioambiental : una aportación a su análisis y evaluación

Cyclic fluctuations of the atmospheric temperature on the dam site, of the water temperature in the reservoir and of the intensity of solar radiation on the faces of the dam cause significant stresses in the body of concrete dams. These stresses can be evaluated first by introducing in analysis models a linear temperature distribution statically equivalent to the real temperature distribution in the dam; the stress valúes obtained from this first step must be complemented (especially in the área of dam faces) with the stress valúes resuiting from the difference between the real temperature law and the linear law at each node. In the case of arch gravity dams, and because of their characteristics of arch dam featuring a thick section, both types of temperature-induced stresses are of similar importance. Thermal stress valúes are directly linked to a series of factors: atmospheric and water temperature and intensity of solar radiation at dam site, site latitude, azimuth of the dam, as well as geometrical characteristics of the dam and thermal properties of concrete. This thesis first presents a complete study of the physical phenomenon of heat exchange between the environment and the dam itself, and establishes the participation scheme of all parameters involved in the problem considered. A detailed documental review of available methods and techniques is then carried out both for the estimation of environmental thermal loads and for the evaluation of the stresses induced by these loads. Variation ranges are also established for the main parameters. The definition of the geometrical parameters of the dam is provided based on the description of a wide set of arch gravity dams built in Spain and abroad. As a practical reference of the parameters defining the thermal action of the environment, a set of zones, in which thermal parameters reach homogeneous valúes, was established for Spain. The mean valué and variation range of atmospheric temperature were then determined for each zone, based on a series of historical valúes. Summer and winter temperature increases caused by solar radiation were also defined for each zone. Since the hypothesis of thermal stratification in the reservoir has been considered, máximum and mínimum temperature valúes reached at the bottom of the reservoir were determined for each climatic zone, as well as the law of temperature variation in function of depth. Various dam-and-foundation configurations were analysed by means of finite element 3D models, in which the dam and foundation were each submitted to different load combinations. The seasonal thermal behaviour of sections of variable thickness was analysed through the application of numerical techniques to one-dimensional models. Contrasting the results of both analyses led to conclusions on the influence of environmental thermal action on the stress conditions of the structure. Las oscilaciones periódicas de la temperatura ambiente en el emplazamiento y de la temperatura del agua en el embalse, así como de la incidencia de la radiación solar sobre los paramentos de la presa, son causa de tensiones importantes en el cuerpo de las presas de hormigón. Estas tensiones pueden ser evaluadas en primer lugar introduciendo en los modelos tridimensionales de análisis, distribuciones lineales de temperatura estáticamente equivalentes a las correspondientes distribuciones reales en el cuerpo de la presa; las tensiones así obtenidas han de complementarse (sobre todo en las cercanías de los paramentos) con tensiones cuyo origen está en la temperatura diferencia entre la ley real y la lineal en cada punto. En el caso de las presas arco-gravedad y en razón de su doble característica de presas arco y de sección gruesa, ambas componentes de la tensión inducida por la temperatura son de magnitud similar. Los valores de estas tensiones de origen térmico están directamente relacionados con la temperatura del emplazamiento y del embalse, con la intensidad de la insolación, con la latitud y el azimut de la presa, con las características geométricas de la estructura y con las propiedades térmicas del hormigón. En esta tesis se realiza, en primer lugar, un estudio completo del fenómeno físico del intercambio de calor entre el medio ambiente y el cuerpo de la presa, estableciendo el mecanismo de participación de todos los parámetros que configuran el problema. En segundo lugar se realiza a cabo una revisión documental detallada de los métodos y técnicas utilizables tanto en la estimación de las cargas térmicas ambientales como en la evaluación de las tensiones inducidas por dichas cargas. En tercer lugar se establecen rangos de variación para los principales parámetros que configuran el problema. Los parámetros geométricos de la presa se definen a partir de la descripción de un amplio conjunto de presas arco-gravedad tanto españolas como del resto del mundo. Como referencia práctica de los parámetros que definen la acción térmica ambiental se establecen en España un conjunto de zonas caracterizadas por que, en cada una de ellas, los parámetros térmicos alcanzan valores homogéneos. Así, y en base a series de valores históricos, se establecen la media y la amplitud de la variación anual de la temperatura ambiental en cada una de las zonas. Igualmente, se han definido para cada zona los incrementos de temperatura que, en invierno y en verano, produce la insolación. En relación con el agua del embalse y en la hipótesis de estratificación térmica de este, se han definido los valores, aplicables en cada una de las zonas, de las temperaturas máxima y mínima en el fondo así como la ley de variación de la temperatura con la profundidad. Utilizando modelos tridimensionales de elementos finitos se analizan diferentes configuraciones de la presa y la cimentación sometidas, cada una de ellas, a diferentes combinaciones de carga. Aplicando técnicas numéricas a modelos unidimensionales se analiza el comportamiento térmico temporal de secciones de espesor variable. Considerando conjuntamente los resultados de los análisis anteriores se obtienen conclusiones parametrizadas de detalle sobre la influencia que tiene en el estado tensional de la estructura la consideración de la acción térmica ambiental.

Stem CO2 efflux and its contribution to ecosystem CO2 efflux decrease with drought in a Mediterranean forest stand

tThe rate of metabolic processes demanding energy in tree stems changes in relation with prevailing cli-matic conditions. Tree water availability can affect stem respiration through impacts on growth, phloemtransport or maintenance of diverse cellular processes, but little is known on this topic. Here we moni-tored seasonal changes in stem CO2efflux (Fs), radial growth, sap flow and non-structural carbohydrates intrees of Quercus ilex in a Mediterranean forest stand subjected since 2003 to either partial (33%) through-fall exclusion (E) or unchanged throughfall (C). Fsincreased exponentially during the day by an effectof temperature, although sap flow attenuated the increase in Fsduring the day time. Over the year, Fsalso increased exponentially with increasing temperatures, but Fscomputed at a standard temperatureof 15?C (F15s) varied by almost 4-fold among dates. F15swas the highest after periods of stem growth anddecreased as tree water availability decreased, similarly in C and E treatments. The decline in F15swas notlinked to a depletion of soluble sugars, which increased when water stress was higher. The proportionof ecosystem respiration attributed to the stems was highest following stem growth (23.3%) and lowestduring the peak of drought (6.5%). High within-year variability in F15smakes unadvisable to pool annualdata of Fsvs. temperature to model Fsat short time scales (hours to months) in Mediterranean-type for-est ecosystems. We demonstrate that water availability is an important factor governing stem CO2effluxand suggest that trees in Mediterranean environments acclimate to seasonal drought by reducing stemrespiration. Stem respiratory rates do not seem to change after a long-term increase in drought intensity,however.

Efectos de una intervención nutricional personalizada a largo plazo sobre los hábitos alimentarios de jugadores profesionales de baloncesto y su influencia en la percepción del esfuerzo y la fatiga

El presente trabajo consistió en el desarrollo de una intervención nutricional a largo plazo llevada a cabo con jugadores profesionales de baloncesto, en función al cumplimiento de las recomendaciones nutricionales, con los siguientes dos objetivos: 1) valorar los cambios que dicha intervención produce sobre las prácticas nutricionales diarias de estos deportistas y 2) conocer la influencia de las modificaciones nutricionales producidas sobre la tasa de percepción del esfuerzo por sesión (RPE-Sesión) y la fatiga, a lo largo de una temporada competitiva, tanto para entrenamientos como partidos oficiales. Los objetivos del estudio se fundamentan en: 1) la numerosa evidencia científica que muestra la inadecuación de los hábitos nutricionales de los jugadores de baloncesto y otros deportistas respecto a las recomendaciones nutricionales; 2) el hecho ampliamente reconocido en la literatura especializada de que una ingesta nutricional óptima permite maximizar el rendimiento deportivo (a nivel físico y cognitivo), promoviendo una rápida recuperación y disminuyendo el riesgo de enfermedades y lesiones deportivas. No obstante, pocos estudios han llevado a cabo una intervención nutricional a largo plazo para mejorar los hábitos alimentarios de los deportistas y ninguno de ellos fue realizado con jugadores de baloncesto; 3) la elevada correlación entre la percepción del esfuerzo (RPE) y variables fisiológicas relacionadas al desarrollo de un ejercicio (por ej.: frecuencia cardíaca, consumo máximo de oxígeno o lactato sanguíneo) y los múltiples estudios que muestran la atenuación de la RPE durante la realización del ejercicio mediante una ingesta puntual de nutrientes, (especialmente de hidratos de carbono) aunque ninguno fue desarrollado en baloncesto; 4) el estudio incipiente de la relación entre la ingesta nutricional y la RPE-Sesión, siendo éste un método validado en baloncesto y otros deportes de equipo como indicador de la carga de trabajo interna, el rendimiento deportivo y la intensidad del ejercicio realizado; 5) el hecho de que la fatiga constituye uno de los principales factores influyentes en la percepción del esfuerzo y puede ser retrasada y/o atenuada mediante la ingesta de carbohidratos, pudiendo disminuir consecuentemente la RPE-Sesión y la carga interna del esfuerzo físico, potenciando el rendimiento deportivo y las adaptaciones inducidas por el entrenamiento; 6) la reducida evidencia acerca del comportamiento de la RPE-Sesión ante la modificación de la ingesta de nutrientes, encontrándose sólo un estudio llevado a cabo en baloncesto y 7) la ausencia de investigaciones acerca de la influencia que puede tener la mejora del patrón nutricional de los jugadores sobre la RPE-Sesión y la fatiga, desconociéndose si la adecuación de los hábitos nutricionales conduce a una disminución de estas variables en el largo plazo para todos los entrenamientos y partidos oficiales a nivel profesional. Por todo esto, este trabajo comienza con una introducción que presenta el marco teórico de la importancia y función de la nutrición en el deporte, así como de las recomendaciones nutricionales actuales a nivel general y para baloncesto. Además, se describen las intervenciones nutricionales llevadas a cabo previamente con otros deportistas y las consecuentes modificaciones sobre el patrón alimentario, coincidiendo este aspecto con el primer objetivo del presente estudio. Posteriormente, se analiza la RPE, la RPE-Sesión y la fatiga, focalizando el estudio en la relación de dichas variables con la carga de trabajo físico, la intensidad del entrenamiento, el rendimiento deportivo y la recuperación post ejercicio. Finalmente, se combinan todos los aspectos mencionados: ingesta nutricional, RPE percepción del esfuerzo y fatiga, con el fin de conocer la situación actual del estudio de la relación entre dichas variables, conformando la base del segundo objetivo de este estudio. Seguidamente, se exponen y fundamentan los objetivos antes mencionados, para dar lugar después a la explicación de la metodología utilizada en el presente estudio. Ésta consistió en un diseño de estudios de caso, aplicándose una intervención nutricional personalizada a tres jugadores de baloncesto profesional (cada jugador = un estudio de caso; n = 1), con el objetivo de adecuar su ingesta nutricional en el largo plazo a las recomendaciones nutricionales. A su vez, se analizó la respuesta individual de cada uno de los casos a dicha intervención para los dos objetivos del estudio. Para ello, cada jugador completó un registro diario de alimentos (7 días; pesada de alimentos) antes, durante y al final de la intervención. Además, los sujetos registraron diariamente a lo largo del estudio la RPE-Sesión y la fatiga en entrenamientos físicos y de balón y en partidos oficiales de liga, controlándose además en forma cuantitativa otras variables influyentes como el estado de ánimo y el sueño. El análisis de los datos consistió en el cálculo de los estadísticos descriptivos para todas las variables, la comparación de la ingesta en los diferentes momentos evaluados con las recomendaciones nutricionales y una comparación de medias no paramétrica entre el período pre intervención y durante la intervención con el test de Wilcoxon (medidas repetidas) para todas las variables. Finalmente, se relacionaron los cambios obtenidos en la ingesta nutricional con la percepción del esfuerzo y la fatiga y la posible influencia del estado de ánimo y el sueño, a través de un estudio correlacional (Tau_b de Kendall). Posteriormente, se presentan los resultados obtenidos y la discusión de los mismos, haciendo referencia a la evidencia científica relacionada que se encuentra publicada hasta el momento, la cual facilitó el análisis de la relación entre RPE-Sesión, fatiga y nutrición a lo largo de una temporada. Los principales hallazgos y su correspondiente análisis, por lo tanto, pueden resumirse en los siguientes: 1) los tres jugadores de baloncesto profesional presentaron inicialmente hábitos nutricionales inadecuados, haciendo evidente la necesidad de un nutricionista deportivo dentro del cuerpo técnico de los equipos profesionales; 2) las principales deficiencias correspondieron a un déficit pronunciado de energía e hidratos de carbono, que fueron reducidas con la intervención nutricional; 3) la ingesta excesiva de grasa total, ácidos grasos saturados, etanol y proteínas que se halló en alguno/s de los casos, también se adecuó a las recomendaciones después de la intervención; 4) la media obtenida durante un período de la temporada para la RPE-Sesión y la fatiga de entrenamientos, podría ser disminuida en un jugador individual mediante el incremento de su ingesta de carbohidratos a largo plazo, siempre que no existan alteraciones psico-emocionales relevantes; 5) el comportamiento de la RPE-Sesión de partidos oficiales no parece estar influido por los factores nutricionales modificados en este estudio, dependiendo más de la variación de elementos externos no controlables, intrínsecos a los partidos de baloncesto profesional. Ante estos resultados, se pudo observar que las diferentes características de los jugadores y las distintas respuestas obtenidas después de la intervención, reforzaron la importancia de utilizar un diseño de estudio de casos para el análisis de los deportistas de élite y, asimismo, de realizar un asesoramiento nutricional personalizado. Del mismo modo, la percepción del esfuerzo y la fatiga de cada jugador evolucionaron de manera diferente después de la intervención nutricional, lo cual podría depender de las diferentes características de los sujetos, a nivel físico, psico-social, emocional y contextual. Por ello, se propone que el control riguroso de las variables cualitativas que parecen influir sobre la RPE y la fatiga a largo plazo, facilitaría la comprensión de los datos y la determinación de factores desconocidos que influyen sobre estas variables. Finalmente, al ser la RPE-Sesión un indicador directo de la carga interna del entrenamiento, es decir, del estrés psico-fisiológico experimentado por el deportista, la posible atenuación de esta variable mediante la adecuación de los hábitos nutricionales, permitiría aplicar las cargas externas de entrenamiento planificadas, con menor estrés interno y mejor recuperación entre sesiones, disminuyendo también la sensación de fatiga, a pesar del avance de la temporada. ABSTRACT This study consisted in a long-term nutritional intervention carried out with professional basketball players according to nutritional recommendations, with the following two main objectives: 1) to evaluate the changes produced by the intervention on daily nutritional practices of these athletes and 2) to determine the influence of long term nutritional intake modifications on the rate of perceived exertion per session (Session-RPE) and fatigue, throughout a competitive season for training as well as competition games. These objectives are based on: 1) much scientific evidence that shows an inadequacy of the nutritional habits of basketball players and other athletes regarding nutritional recommendations; 2) the fact widely recognized in the scientific literature that an optimal nutrition allows to achieve the maximum performance of an athlete (both physically and cognitively), promoting fast recovery and decreasing risks of sports injuries and illnesses. However, only few studies carried out a long term nutritional intervention to improve nutritional practices of athletes and it could not be found any research with basketball players; 3) the high correlation between the rate of perceived exertion (RPE) and physiological variables related to the performance of physical exercise (e.g.: heart rate, maximum consumption of oxygen or blood lactate) and multiple studies showing the attenuation of RPE during exercise due to the intake of certain nutrients (especially carbohydrates), while none of them was developed in basketball; 4) correlation between nutritional intake and Session-RPE has been recently studied for the first time. Session-RPE method has been validated in basketball players and other team sports as an indicator of internal workload, sports performance and exercise intensity; 5) fatigue is considered one of the main influential factor on RPE and sport performance. It has also been observed that carbohydrates intake may delay or mitigate the onset of fatigue and, thus, decrease the perceived exertion and the internal training load, which could improve sports performance and training-induced adaptations; 6) there are few studies evaluating the influence of nutrient intake on Session-RPE and only one of them has been carried out with basketball players. Moreover, it has not been analyzed the possible effects of the adequacy of players’ nutritional habits through a nutritional intervention on Session-RPE and fatigue, variables that could be decreased for all training session and competition games because of an improvement of daily nutritional intake. Therefore, this work begins with an introduction that provides the conceptual framework of this research focused on the key role of nutrition in sport, as well as on the current nutritional recommendations for athletes and specifically for basketball players. In addition, previous nutritional interventions carried out with other athletes are described, as well as consequential modifications on their food pattern, coinciding with the first objective of the present study. Subsequently, RPE, Session-RPE and fatigue are analyzed, with focus on their correlation with physical workload, training intensity, sports performance and recovery. Finally, all the aforementioned aspects (nutritional intake, RPE and fatigue) were combined in order to know the current status of the relation between each other, this being the base for the second objective of this study. Subsequently, the objectives mentioned above are explained, continuing with the explanation of the methodology used in the study. The methodology consisted of a case-study design, carrying out a long term nutritional intervention with three professional basketball players (each player = one case study; n = 1), in order to adapt their nutritional intake to nutritional recommendations. At the same time, the individual response of each player to the intervention was analyzed for the two main objectives of the study. Each player completed a food diary (7 days; weighing food) in three moments: before, during and at the end of the intervention. In addition, the Session-RPE and fatigue were daily recorded throughout the study for all trainings (training with ball and resistance training) and competition games. At the same time, other potentially influential variables such as mood state and sleeping were daily controlled throughout the study. Data analysis consisted in descriptive statistics calculation for all the variables of the study, the comparison between nutritional intake (evaluated at different times) and nutritional recommendations and a non-parametric mean comparison between pre intervention and during intervention periods was made by Wilcoxon test (repeated measurements) for all variables too. Finally, the changes in nutritional intake, mood state and sleeping were correlated with the perceived exertion and fatigue through correctional study (Tau_b de Kendall). After the methodology, the study results and the associated discussion are presented. The discussion is based on the current scientific evidence that contributes to understand the relation between Session-RPE, fatigue and nutrition throughout the competitive season. The main findings and results analysis can be summarized as follows: 1) the three professional basketball players initially had inadequate nutritional habits and this clearly shows the need of a sports nutritionist in the coaching staff of professional teams; (2) the major deficiencies of the three players’ diet corresponded to a pronounced deficit of energy intake and carbohydrates consumption which were reduced with nutritional intervention; (3) the excessive intake of total fat, saturated fatty acids, ethanol and protein found in some cases were also adapted to the recommendations after the intervention; (4) Session-RPE mean and fatigue of a certain period of the competition season, could be decreased in an individual player by increasing his carbohydrates intake in the long term, if there are no relevant psycho-emotional disorders; (5) the behavior of the Session-RPE in competition games does not seem to be influenced by the nutritional factors modified in this study. They seem to depend much more on the variation of external non-controllable factors associated with the professional basketball games. Given these results, the different characteristics of each player and the diverse responses observed after the intervention in each individual for all the variables, reinforced the importance of the use of a case study design for research with elite athletes as well as personalized nutritional counselling. In the same way, the different responses obtained for RPE and fatigue in the long term for each player due to modification of nutritional habits, show that there is a dependence of such variables on the physical, psychosocial, emotional and contextual characteristics of each player. Therefore it is proposed that the rigorous control of the qualitative variables that seem to influence the RPE and fatigue in the long term, may facilitate the understanding of data and the determination of unknown factors that could influence these variables. Finally, because Session-RPE is a direct indicator of the internal load of training (psycho-physiological stress experienced by the athlete), the possible attenuation of Session-RPE through the improvement in nutritional habits, would allow to apply the planned external loads of training with less internal stress and better recovery between sessions, with a decrease in fatigue, despite of the advance of the season.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

Requirement of mitogen-activated protein kinase kinase 3 (MKK3) for tumor necrosis factor-induced cytokine expression

The p38 mitogen-activated protein kinase is activated by treatment of cells with cytokines and by exposure to environmental stress. The effects of these stimuli on p38 MAP kinase are mediated by the MAP kinase kinases (MKKs) MKK3, MKK4, and MKK6. We have examined the function of the p38 MAP kinase signaling pathway by investigating the effect of targeted disruption of the Mkk3 gene. Here we report that Mkk3 gene disruption caused a selective defect in the response of fibroblasts to the proinflammatory cytokine tumor necrosis factor, including reduced p38 MAP kinase activation and cytokine expression. These data demonstrate that the MKK3 protein kinase is a critical component of a tumor necrosis factor-stimulated signaling pathway that causes increased expression of inflammatory cytokines.

Disruption of cellular translational control by a viral truncated eukaryotic translation initiation factor 2α kinase homolog

Phosphorylation of eukaryotic translation initiation factor 2α (eIF2α) is a common cellular mechanism to limit protein synthesis in stress conditions. Baculovirus PK2, which resembles the C-terminal half of a protein kinase domain, was found to inhibit both human and yeast eIF2α kinases. Insect cells infected with wild-type, but not pk2-deleted, baculovirus exhibited reduced eIF2α phosphorylation and increased translational activity. The negative regulatory effect of human protein kinase RNA-regulated (PKR), an eIF2α kinase, on virus production was counteracted by PK2, indicating that baculoviruses have evolved a unique strategy for disrupting a host stress response. PK2 was found in complex with PKR and blocked kinase autophosphorylation in vivo, suggesting a mechanism of kinase inhibition mediated by interaction between truncated and intact kinase domains.

Hepatitis B virus HBx protein sensitizes cells to apoptotic killing by tumor necrosis factor α

Persistent infection with hepatitis B virus (HBV) is a leading cause of human liver disease and is strongly associated with hepatocellular carcinoma, one of the most prevalent forms of human cancer. Apoptosis (programmed cell death) is an important mediator of chronic liver disease caused by HBV infection. It is demonstrated that the HBV HBx protein acutely sensitizes cells to apoptotic killing when expressed during viral replication in cultured cells and in transfected cells independently of other HBV genes. Cells that were resistant to apoptotic killing by high doses of tumor necrosis factor α (TNFα), a cytokine associated with liver damage during HBV infection, were made sensitive to very low doses of TNFα by HBx. HBx induced apoptosis by prolonged stimulation of N-Myc and the stress-mediated mitogen-activated-protein kinase kinase 1 (MEKK1) pathway but not by up-regulating TNF receptors. Cell killing was blocked by inhibiting HBx stimulation of N-Myc or mitogen-activated-protein kinase kinase 1 using dominant-interfering forms or by retargeting HBx from the cytoplasm to the nucleus, which prevents HBx activation of cytoplasmic signal transduction cascades. Treatment of cells with a mitogenic growth factor produced by many virus-induced tumors impaired induction of apoptosis by HBx and TNFα. These results indicate that HBx might be involved in HBV pathogenesis (liver disease) during virus infection and that enhanced apoptotic killing by HBx and TNFα might select for neoplastic hepatocytes that survive by synthesizing mitogenic growth factors.

The CXC chemokine stromal cell-derived factor 1 is not responsible for CD8+ T cell suppression of syncytia-inducing strains of HIV-1

Primary CD8+ T cells from HIV+ asymptomatics can suppress virus production from CD4+ T cells acutely infected with either non-syncytia-inducing (NSI) or syncytia-inducing (SI) HIV-1 isolates. NSI strains of HIV-1 predominantly use the CCR5 chemokine receptor as a fusion cofactor, whereas fusion of T cell line-adapted SI isolates is mediated by another chemokine receptor, CXCR4. The CCR5 ligands RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted), macrophage inflammatory protein 1α (MIP-1α), and MIP-1β are HIV-1 suppressive factors secreted by CD8+ cells that inhibit NSI viruses. Recently, the CXC chemokine stromal cell-derived factor 1 (SDF-1) was identified as a ligand for CXCR4 and shown to inhibit SI strains. We speculated that SDF-1 might be an effector molecule for CD8+ suppression of SI isolates and assessed several SDF-1 preparations for inhibition of HIV-1LAI-mediated cell–cell fusion, and examined levels of SDF-1 transcripts in CD8+ T cells. SDF-1 fusion inhibitory activity correlated with the N terminus, and the α and β forms of SDF-1 exhibited equivalent fusion blocking activity. SDF-1 preparations having the N terminus described by Bleul et al. (Bleul, C.C., Fuhlbrigge, R.C., Casasnovas, J.M., Aiuti, A. & Springer, T.A. (1996) J. Exp. Med. 184, 1101–1109) readily blocked HIV-1LAI-mediated fusion, whereas forms containing two or three additional N-terminal amino acids lacked this activity despite their ability to bind and/or signal through CXCR4. Though SDF-1 is constitutively expressed in most tissues, CD8 T cells contained extremely low levels of SDF-1 mRNA transcripts (<1 transcript/5,000 cells), and these levels did not correlate with virus suppressive activity. We conclude that suppression of SI strains of HIV-1 by CD8+ T cells is unlikely to involve SDF-1.

F-actin and G-actin binding are uncoupled by mutation of conserved tyrosine residues in maize actin depolymerizing factor (ZmADF)

Actin depolymerizing factors (ADF) are stimulus responsive actin cytoskeleton modulating proteins. They bind both monomeric actin (G-actin) and filamentous actin (F-actin) and, under certain conditions, F-actin binding is followed by filament severing. In this paper, using mutant maize ADF3 proteins, we demonstrate that the maize ADF3 binding of F-actin can be spatially distinguished from that of G-actin. One mutant, zmadf3–1, in which Tyr-103 and Ala-104 (equivalent to destrin Tyr-117 and Ala-118) have been replaced by phenylalanine and glycine, respectively, binds more weakly to both G-actin and F-actin compared with maize ADF3. A second mutant, zmadf3–2, in which both Tyr-67 and Tyr-70 are replaced by phenylalanine, shows an affinity for G-actin similar to maize ADF3, but F-actin binding is abolished. The two tyrosines, Tyr-67 and Tyr-70, are in the equivalent position to Tyr-82 and Tyr-85 of destrin, respectively. Using the tertiary structure of destrin, yeast cofilin, and Acanthamoeba actophorin, we discuss the implications of removing the aromatic hydroxyls of Tyr-82 and Tyr-85 (i.e., the effect of substituting phenylalanine for tyrosine) and conclude that Tyr-82 plays a critical role in stabilizing the tertiary structure that is essential for F-actin binding. We propose that this tertiary structure is maintained as a result of a hydrogen bond between the hydroxyl of Tyr-82 and the carbonyl of Tyr-117, which is located in the long α-helix; amino acid components of this helix (Leu-111 to Phe-128) have been implicated in G-actin and F-actin binding. The structures of human destrin and yeast cofilin indicate a hydrogen distance of 2.61 and 2.77 Å, respectively, with corresponding bond angles of 99.5° and 113°, close to the optimum for a strong hydrogen bond.

A transformation-associated complex involving tyrosine kinase signal adapter proteins and caldesmon links v-ErbB signaling to actin stress fiber disassembly

The avian erythroblastosis viral oncogene (v-erbB) encodes a receptor tyrosine kinase that possesses sarcomagenic and leukemogenic potential. We have expressed transforming and nontransforming mutants of v-erbB in fibroblasts to detect transformation-associated signal transduction events. Coimmunoprecipitation and affinity chromatography have been used to identify a transformation-associated, tyrosine phosphorylated, multiprotein complex. This complex consists of Src homologous collagen protein (Shc), growth factor receptor binding protein 2 (Grb2), son of sevenless (Sos), and a novel tyrosine phosphorylated form of the cytoskeletal regulatory protein caldesmon. Immunofluorescence localization studies further reveal that, in contrast to the distribution of caldesmon along actin stress fibers in normal fibroblasts, caldesmon colocalizes with Shc in plasma membrane blebs in transformed fibroblasts. This colocalization of caldesmon and Shc correlates with actin stress fiber disassembly and v-erbB-mediated transformation. The tyrosine phosphorylation of caldesmon, and its association with the Shc–Grb2–Sos signaling complex directly links tyrosine kinase oncogenic signaling events with cytoskeletal regulatory processes, and may define one mechanism regulating actin stress fiber disassembly in transformed cells.

Stress-induced phosphorylation of STAT1 at Ser727 requires p38 mitogen-activated protein kinase whereas IFN-γ uses a different signaling pathway

STAT1 is an essential transcription factor for macrophage activation by IFN-γ and requires phosphorylation of the C-terminal Ser727 for transcriptional activity. In macrophages, Ser727 phosphorylation in response to bacterial lipopolysaccharide (LPS), UV irradiation, or TNF-α occurred through a signaling path sensitive to the p38 mitogen-activated protein kinase (p38 MAPK) inhibitor SB203580 whereas IFN-γ-mediated Ser727 phosphorylation was not inhibited by the drug. Consistently, SB203580 did not affect IFN-γ-mediated, Stat1-dependent transcription but inhibited its enhancement by LPS. Furthermore, LPS, UV irradiation, and TNF-α caused activation of p38 MAPK whereas IFN-γ did not. An essential role for p38 MAPK activity in STAT1 Ser727 phosphorylation was confirmed by using cells expressing an SB203580-resistant p38 MAPK. In such cells, STAT1 Ser727 phosphorylation in response to UV irradiation was found to be SB203580 insensitive. Targeted disruption of the mapkap-k2 gene, encoding a kinase downstream of p38 MAPK with a key role in LPS-stimulated TNF-α production and stress-induced heat shock protein 25 phosphorylation, was without a significant effect on UV-mediated Ser727 phosphorylation. The recombinant Stat1 C terminus was phosphorylated in vitro by p38MAPKα and β but not by MAPK-activated protein kinase 2. Janus kinase 2 activity, previously reported to be required for IFN-γ-mediated Ser727 phosphorylation, was not needed for LPS-mediated Ser727 phosphorylation, and activation of Janus kinase 2 did not cause the appearance of STAT1 Ser727 kinase activity. Our data suggest that STAT1 is phosphorylated at Ser727 by a stress-activated signaling pathway either through p38 MAPK directly or through an unidentified kinase downstream of p38MAPK.