Link between light and fatty acid synthesis: Thioredoxin-linked reductive activation of plastidic acetyl-CoA carboxylase

Fatty acid synthesis in chloroplasts is regulated by light. The synthesis of malonyl-CoA, which is catalyzed by acetyl-CoA carboxylase (ACCase) and is the first committed step, is modulated by light/dark. Plants have ACCase in plastids and the cytosol. To determine the possible involvement of a redox cascade in light/dark modulation of ACCase, the effect of DTT, a known reductant of S-S bonds, was examined in vitro for the partially purified ACCase from pea plant. Only the plastidic ACCase was activated by DTT. This enzyme was activated in vitro more efficiently by reduced thioredoxin, which is a transducer of redox potential during illumination, than by DTT alone. Chloroplast thioredoxin-f activated the enzyme more efficiently than thioredoxin-m. The ACCase also was activated by thioredoxin reduced enzymatically with NADPH and NADP-thioredoxin reductase. These findings suggest that the reduction of ACCase is needed for activation of the enzyme, and a redox potential generated by photosynthesis is involved in its activation through thioredoxin as for enzymes of the reductive pentose phosphate cycle. The catalytic activity of ACCase was maximum at pH 8 and 2–5 mM Mg2+, indicating that light-produced changes in stromal pH and Mg2+ concentration modulate ACCase activity. These results suggest that light directly modulates a regulatory site of plastidic prokaryotic form of ACCase via a signal transduction pathway of a redox cascade and indirectly modulates its catalytic activity via stromal pH and Mg2+ concentration. A redox cascade is likely to link between light and fatty acid synthesis, resulting in coordination of fatty acid synthesis with photosynthesis.

Proton uptake controls electron transfer in cytochrome c oxidase

In cytochrome c oxidase, a requirement for proton pumping is a tight coupling between electron and proton transfer, which could be accomplished if internal electron-transfer rates were controlled by uptake of protons. During reaction of the fully reduced enzyme with oxygen, concomitant with the “peroxy” to “oxoferryl” transition, internal transfer of the fourth electron from CuA to heme a has the same rate as proton uptake from the bulk solution (8,000 s−1). The question was therefore raised whether the proton uptake controls electron transfer or vice versa. To resolve this question, we have studied a site-specific mutant of the Rhodobacter sphaeroides enzyme in which methionine 263 (SU II), a CuA ligand, was replaced by leucine, which resulted in an increased redox potential of CuA. During reaction of the reduced mutant enzyme with O2, a proton was taken up at the same rate as in the wild-type enzyme (8,000 s−1), whereas electron transfer from CuA to heme a was impaired. Together with results from studies of the EQ(I-286) mutant enzyme, in which both proton uptake and electron transfer from CuA to heme a were blocked, the results from this study show that the CuA → heme a electron transfer is controlled by the proton uptake and not vice versa. This mechanism prevents further electron transfer to heme a3–CuB before a proton is taken up, which assures a tight coupling of electron transfer to proton pumping.

Photochemically induced nuclear spin polarization in reaction centers of photosystem II observed by 13C-solid-state NMR reveals a strongly asymmetric electronic structure of the P680.+ primary donor chlorophyll

We report 13C magic angle spinning NMR observation of photochemically induced dynamic nuclear spin polarization (photo- CIDNP) in the reaction center (RC) of photosystem II (PS2). The light-enhanced NMR signals of the natural abundance 13C provide information on the electronic structure of the primary electron donor P680 (chlorophyll a molecules absorbing around 680 nm) and on the pz spin density pattern in its oxidized form, P680⨥. Most centerband signals can be attributed to a single chlorophyll a (Chl a) cofactor that has little interaction with other pigments. The chemical shift anisotropy of the most intense signals is characteristic for aromatic carbon atoms. The data reveal a pronounced asymmetry of the electronic spin density distribution within the P680⨥. PS2 shows only a single broad and intense emissive signal, which is assigned to both the C-10 and C-15 methine carbon atoms. The spin density appears shifted toward ring III. This shift is remarkable, because, for monomeric Chl a radical cations in solution, the region of highest spin density is around ring II. It leads to a first hypothesis as to how the planet can provide itself with the chemical potential to split water and generate an oxygen atmosphere using the Chl a macroaromatic cycle. A local electrostatic field close to ring III can polarize the electronic charge and associated spin density and increase the redox potential of P680 by stabilizing the highest occupied molecular orbital, without a major change of color. This field could be produced, e.g., by protonation of the keto group of ring V. Finally, the radical cation electronic structure in PS2 is different from that in the bacterial RC, which shows at least four emissive centerbands, indicating a symmetric spin density distribution over the entire bacteriochlorophyll macrocycle.

A mechanism for inducing plant development: the genesis of a specific inhibitor.

Parasitic strategies are widely distributed in the plant kingdom and frequently involve coupling parasite organogenesis with cues from the host. In Striga asiatica, for example, the cues that initiate the development of the host attachment organ, the haustorium, originate in the host and trigger the transition from vegetative to parasitic mode in the root meristem. This system therefore offers a unique opportunity to study the signals and mechanisms that control plant cell morphogenesis. Here we establish that the biological activity of structural analogs of the natural inducer displays a marked dependence on redox potential and suggest the existence of a semiquinone intermediate. Building on chemistry that exploits the energetics of such an intermediate, cyclopropyl-p-benzoquinone (CPBQ) is shown to be a specific inhibitor of haustorial development. These data are consistent with a model where haustorial development is initiated by the completion of a redox circuit.

Oxidation of cysteine-322 in the repeat domain of microtubule-associated protein tau controls the in vitro assembly of paired helical filaments.

One of the hallmarks of Alzheimer disease is the pathological aggregation of tau protein into paired helical filaments (PHFs) and neurofibrillary tangles. Here we describe the in vitro assembly of recombinant tau protein and constructs derived from it into PHFs. Though whole tau assembled poorly, constructs containing three internal repeats (corresponding to the fetal tau isoform) formed PHFs reproducibly. This ability depended on intermolecular disulfide bridges formed by the single Cys-322. Blocking the SH group, mutating Cys for Ala, or keeping tau in a reducing environment all inhibited assembly. With constructs derived from four-repeat tau (having the additional repeat no. 2 and a second Cys-291), PHF assembly was blocked because Cys-291 and Cys-322 interact within the molecule. PHF assembly was enabled again by mutating Cys-291 for Ala. The synthetic PHFs bound the dye thioflavin S used in Alzheimer disease diagnostics. The data imply that the redox potential in the neuron is crucial for PHF assembly, independently or in addition to pathological phosphorylation reactions.

Caracterização e aplicação analítica de eletrodos modificados com sistemas porfirínicos supramoleculares

Estudos com eletrodos modificados foram conduzidos utilizando dois sistemas porfirínicos supramoleculares diferentes. O primeiro foi baseado na modificação de eletrodo de carbono vítreo com uma porfirina de níquel tetrarrutenada, [NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]4+. A modificação do eletrodo foi realizada por meio de sucessivos ciclos voltamétricos em meio alcalino (pH 13), gerando um eletrodo com característica similar a eletrodos modificados com α-Ni(OH)2. A caracterização química do filme formado foi realizada através das técnicas de voltametria cíclica, ressonância paramagnética eletrônica, espectroscopia eletrônica por reflectância e espectroscopia Raman com ensaio espectro-eletroquímico. Os resultados sugerem a formação de um polímero de coordenação, [µ-O2-NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]n, composto por subunidades porfirínicas ligadas entre si por pontes µ-peroxo axialmente coordenadas aos átomos de níquel (Ni-O-O-Ni). O crescimento do filme apresentou dependência da alcalinidade do meio pela formação do precursor octaédrico [Ni(OH)2TRPyP]2+ em solução, pela coordenação de OH- nas posições axiais do átomo de níquel. O processo de eletropolimerização indicou a participação de radical hidroxil, gerado por oxidação eletrocatalítica da água nos sítios periféricos da porfirina contendo o complexo de rutênio. O mesmo eletrodo foi aplicado como sensor eletroquímico para análise amperométrica de ácido fólico em comprimidos farmacêuticos. O sensor foi associado a um sistema de Batch Injection Analysis (BIA) alcançando considerável rapidez e baixo limite de detecção. Para as análises das amostras também foi proposto um método para a remoção da lactose, que agia como interferente. O segundo estudo envolveu a modificação de eletrodos de carbono vítreo com diferentes hemoglobinas, naturais (HbA0, HbA2 e HbS) e sintéticas (Hb-PEG5K2, αα-Hb-PEG5K2 e BT-PEG5K4), para a avaliação da eficiência na redução eletrocatalítica de nitrito mediada por FeI-heme. Os filmes foram produzidos pela mistura de soluções das hemoglobinas com brometo de didodecildimetiltrimetilamônio (DDAB), aplicados nas superfícies com consecutiva evaporação, formando filmes estáveis. Os valores de potencial redox para os processos do grupo heme e a sua associação com a disponibilidade do grupo na proteína foram avaliados por voltametria cíclica. Os valores das constantes de velocidade, k, para redução de nitrito foram obtidos por cronoamperometria em -1,1 V (vs Ag/AgCl(KCl 3M)) que foram utilizados para estudo comparativo entre as espécies sintéticas para eventual aplicação clínica.

Biochemical mechanisms involved in pulmonary hypo-alveolarization induced by peroxides contaminating parenteral nutrition in newborn guinea pig

La dysplasie broncho-pulmonaire (DBP), caractérisée par un défaut de l’alvéolarisation, est une complication pathologique associée à un stress oxydant chez le nouveau-né prématuré. La DBP est présente chez près de 50 % des nouveau-nés de moins de 29 semaines de gestation. La nutrition parentérale (NP) que ces nouveau-nés reçoivent pour cause d’immaturité gastro-intestinale est une source importante de stress oxydant. En effet, leur NP est contaminée par des peroxydes, dont l’ascorbylperoxyde qui est une forme peroxydée du déshydroascorbate. La génération des peroxydes est catalysée par la lumière ambiante. La photoprotection de la NP, quoique difficile d’application en clinique, est associée à une diminution de l’incidence de la DBP chez les enfants prématurés. Chez l’animal nouveau-né, la photoprotection de la NP est associée à un meilleur développement alvéolaire. Ainsi, nous émettons l’hypothèse que l’ascorbylperoxide infusé avec la NP cause la perte d’alvéoles suite à une apoptose exagérée induite par l’oxydation du potentiel redox du glutathion. Cette oxydation du potentiel redox serait occasionnée par l’inhibition de la transformation hépatique de la méthionine en cystéine, menant à une diminution de la synthèse de glutathion au foie et dans les tissus tels que les poumons. La confirmation de cette hypothèse suggérera qu’un ajout de glutathion dans la NP permettra une meilleure détoxification de l’ascorbylperoxide par l’action de la glutathion peroxydase, et préviendra l’oxydation du potentiel redox et ainsi, la perte d'alvéoles par apoptose. Objectifs : Le but de mon projet de recherche est de comprendre les mécanismes biochimiques liant la NP et le développement de la DBP chez le nouveau-né prématuré et de proposer une alternative nutritionnelle prévenant le développement de cette complication fréquemment observée dans cette population. Les objectifs spécifiques sont : 1) d’évaluer l’impact, au poumon, de l’infusion de l’ascorbylperoxyde sur l’axe métabolique potentiel redox du glutathion - apoptose - le développement alvéolaire; 2) d’étudier l’impact de l’ascorbylperoxyde et du potentiel redox sur l’activité hépatique de la méthionine adénosyltransférase (MAT), première enzyme de la cascade métabolique transformant la méthionine en cystéine; et 3) de tenter de prévenir l’impact négatif de la NP ou de l’infusion d’ascorbylperoxyde sur le poumon en améliorant le statut en glutathion. Méthodes: Par un cathéter fixé dans la jugulaire, des cochons d’Inde de trois jours de vie (n = 8 par groupe) ont reçu en continu durant 4 jours une NP ou une solution de base (dextrose + NaCl) enrichie des différentes molécules à l’essai. Le premier objectif a été atteint en enrichissant la solution de base en ascorbylperoxyde à 0, 20, 60 et 180 μM. Ces solutions contenaient ou non 350 μM H2O2 pour se rapprocher des conditions cliniques. Le second objectif a été atteint en investiguant les mécanismes d’inhibition de la MAT dans des animaux infusés ou non avec des solutions contenant la solution de base, des peroxydes, du glutathion et la NP (dextrose + acides aminés + multivitamines + lipides). Le troisième objectif a été atteint en ajoutant ou non à une solution d’ascorbylperoxide ou à la NP 10 μM de glutathion (GSSG), afin d’obtenir une concentration plasmatique normale de glutathion. Après 4 jours, les poumons étaient prélevés et traités pour la détermination de GSH et GSSG par électrophorèse capillaire, le potentiel redox était calculé selon l'équation de Nernst et le niveau de caspase-3 actif (marqueur d’apoptose) par Western blot et l’index d’alvéolarisation quantifié par le nombre d’interceptes entre des structures histologiques et une droite calibrée. Les données étaient comparées par ANOVA, les effets étaient considérés comme significatifs si le p était inférieur à 0,05. Résultats: L’infusion de l’ascorbylperoxyde, indépendamment du H2O2, a induit une hypoalvéolarisation, une activation de la caspase-3 et une oxydation du potentiel redox de manière dose-dépendante. Ces effets ont été empêchés par l’ajout de GSSG à la NP ou à la solution d’ascorbylperoxyde (180 M). L’ascorbylperoxyde et le H2O2 ont inhibé l’activité de MAT tandis qu’elle était linéairement modulée par la valeur du potentiel redox hépatique. Conclusion : Nos résultats suggèrent que l’ascorbylperoxyde est l’agent actif de la NP conduisant au développement de la DBP. Ainsi la correction des bas niveaux de glutathion induits par les peroxydes de la NP favorise la détoxification des peroxydes et la correction du potentiel redox pulmonaire ; ce qui a protégé les poumons des effets délétères de la NP en outrepassant l’inhibition de la MAT hépatique. Nos résultats sont d'une grande importance car ils donnent de l'espoir pour une prévention possible de la DBP.

Biochemical mechanisms involved in pulmonary hypo-alveolarization induced by peroxides contaminating parenteral nutrition in newborn guinea pig

La dysplasie broncho-pulmonaire (DBP), caractérisée par un défaut de l’alvéolarisation, est une complication pathologique associée à un stress oxydant chez le nouveau-né prématuré. La DBP est présente chez près de 50 % des nouveau-nés de moins de 29 semaines de gestation. La nutrition parentérale (NP) que ces nouveau-nés reçoivent pour cause d’immaturité gastro-intestinale est une source importante de stress oxydant. En effet, leur NP est contaminée par des peroxydes, dont l’ascorbylperoxyde qui est une forme peroxydée du déshydroascorbate. La génération des peroxydes est catalysée par la lumière ambiante. La photoprotection de la NP, quoique difficile d’application en clinique, est associée à une diminution de l’incidence de la DBP chez les enfants prématurés. Chez l’animal nouveau-né, la photoprotection de la NP est associée à un meilleur développement alvéolaire. Ainsi, nous émettons l’hypothèse que l’ascorbylperoxide infusé avec la NP cause la perte d’alvéoles suite à une apoptose exagérée induite par l’oxydation du potentiel redox du glutathion. Cette oxydation du potentiel redox serait occasionnée par l’inhibition de la transformation hépatique de la méthionine en cystéine, menant à une diminution de la synthèse de glutathion au foie et dans les tissus tels que les poumons. La confirmation de cette hypothèse suggérera qu’un ajout de glutathion dans la NP permettra une meilleure détoxification de l’ascorbylperoxide par l’action de la glutathion peroxydase, et préviendra l’oxydation du potentiel redox et ainsi, la perte d'alvéoles par apoptose. Objectifs : Le but de mon projet de recherche est de comprendre les mécanismes biochimiques liant la NP et le développement de la DBP chez le nouveau-né prématuré et de proposer une alternative nutritionnelle prévenant le développement de cette complication fréquemment observée dans cette population. Les objectifs spécifiques sont : 1) d’évaluer l’impact, au poumon, de l’infusion de l’ascorbylperoxyde sur l’axe métabolique potentiel redox du glutathion - apoptose - le développement alvéolaire; 2) d’étudier l’impact de l’ascorbylperoxyde et du potentiel redox sur l’activité hépatique de la méthionine adénosyltransférase (MAT), première enzyme de la cascade métabolique transformant la méthionine en cystéine; et 3) de tenter de prévenir l’impact négatif de la NP ou de l’infusion d’ascorbylperoxyde sur le poumon en améliorant le statut en glutathion. Méthodes: Par un cathéter fixé dans la jugulaire, des cochons d’Inde de trois jours de vie (n = 8 par groupe) ont reçu en continu durant 4 jours une NP ou une solution de base (dextrose + NaCl) enrichie des différentes molécules à l’essai. Le premier objectif a été atteint en enrichissant la solution de base en ascorbylperoxyde à 0, 20, 60 et 180 μM. Ces solutions contenaient ou non 350 μM H2O2 pour se rapprocher des conditions cliniques. Le second objectif a été atteint en investiguant les mécanismes d’inhibition de la MAT dans des animaux infusés ou non avec des solutions contenant la solution de base, des peroxydes, du glutathion et la NP (dextrose + acides aminés + multivitamines + lipides). Le troisième objectif a été atteint en ajoutant ou non à une solution d’ascorbylperoxide ou à la NP 10 μM de glutathion (GSSG), afin d’obtenir une concentration plasmatique normale de glutathion. Après 4 jours, les poumons étaient prélevés et traités pour la détermination de GSH et GSSG par électrophorèse capillaire, le potentiel redox était calculé selon l'équation de Nernst et le niveau de caspase-3 actif (marqueur d’apoptose) par Western blot et l’index d’alvéolarisation quantifié par le nombre d’interceptes entre des structures histologiques et une droite calibrée. Les données étaient comparées par ANOVA, les effets étaient considérés comme significatifs si le p était inférieur à 0,05. Résultats: L’infusion de l’ascorbylperoxyde, indépendamment du H2O2, a induit une hypoalvéolarisation, une activation de la caspase-3 et une oxydation du potentiel redox de manière dose-dépendante. Ces effets ont été empêchés par l’ajout de GSSG à la NP ou à la solution d’ascorbylperoxyde (180 M). L’ascorbylperoxyde et le H2O2 ont inhibé l’activité de MAT tandis qu’elle était linéairement modulée par la valeur du potentiel redox hépatique. Conclusion : Nos résultats suggèrent que l’ascorbylperoxyde est l’agent actif de la NP conduisant au développement de la DBP. Ainsi la correction des bas niveaux de glutathion induits par les peroxydes de la NP favorise la détoxification des peroxydes et la correction du potentiel redox pulmonaire ; ce qui a protégé les poumons des effets délétères de la NP en outrepassant l’inhibition de la MAT hépatique. Nos résultats sont d'une grande importance car ils donnent de l'espoir pour une prévention possible de la DBP.

(Table 1) Chemical composition of interstitial waters from the area of gas hydrate generation, Sea of Okhotsk

Distributions of halogens (Cl, Br and I) in interstitial waters from sediments containing methane hydrate and in water of the hydrate itself are presented. High concentrations of halogens do not occur in interstitial waters from sediments that contain gas hydrates. The main reason for their low concentrations is the poverty of organic matter in sediments.

Chemical and isotopic composition of interstitial waters from the Kara Sea and Yenisey estuary

Processes of early sediment diagenesis, including chemical composition of interstitial waters, content of different sulfur compounds, and rates of sulfate reduction were investigated. Along a profile from the Yenisey River to the Kara Sea, sulfate reduction intensities were high (up to 1.5 µg S/kg/day) in the delta region and in its northern part. Intensities were comparable to those found in shallow-water sediments of the North Sea. In estuarine sediments, where different transformations were possible, lower rates of bacterial sulfate reduction were observed (0.03 to 0.06 µg S/kg/day). Annual production of reduced sulfur in sediments was 24 million tons, and only 0.5 million tons (2%) were deposited. Annual consumption of organic carbon during process of sulfate reduction in the Yenisey delta region was 17.6 million tons.