Reaction of glucose catalyzed by framework and extraframework tin sites in zeolite beta

The isomerization of glucose into fructose is a large-scale reaction for the production of high-fructose corn syrup, and is now being considered as an intermediate step in the possible route of biomass conversion into fuels and chemicals. Recently, it has been shown that a hydrophobic, large pore, silica molecular sieve having the zeolite beta structure and containing framework Sn⁴⁺ (Sn-Beta) is able to isomerize glucose into fructose in aqueous media. Here, I have investigated how this catalyst converts glucose to fructose and show that it is analogous to that achieved with metalloenzymes. Specifically, glucose partitions into the molecular sieve in the pyranose form, ring opens to the acyclic form in the presence of the Lewis acid center (framework Sn⁴⁺), isomerizes into the acyclic form of fructose and finally ring closes to yield the furanose product. Akin to the metalloenzyme, the isomerization step proceeds by intramolecular hydride transfer from C2 to C1. Extraframework tin oxides located within hydrophobic channels of the molecular sieve that exclude liquid water can also isomerize glucose to fructose in aqueous media, but do so through a base-catalyzed proton abstraction mechanism. Extraframework tin oxide particles located at the external surface of the molecular sieve crystals or on amorphous silica supports are not active in aqueous media but are able to perform the isomerization in methanol by a base-catalyzed proton abstraction mechanism. Post-synthetic exchange of Na⁺ with Sn-Beta alters the glucose reaction pathway from the 1,2 intramolecular hydrogen shift (isomerization) to produce fructose towards the 1,2 intramolecular carbon shift (epimerization) that forms mannose. Na⁺ remains exchanged onto silanol groups during reaction in methanol solvent, leading to a near complete shift in selectivity towards glucose epimerization to mannose. In contrast, decationation occurs during reaction in aqueous solutions and gradually increases the reaction selectivity to isomerization at the expense of epimerization. Decationation and concomitant changes in selectivity can be eliminated by addition of NaCl to the aqueous reaction solution. Thus, framework tin sites with a proximal silanol group are the active sites for the 1, 2 intramolecular hydride shift in the isomerization of glucose to fructose, while these sites with Na-exchanged silanol group are the active sites for the 1, 2 intramolecular carbon shift in epimerization of glucose to mannose.

Agonistas PPAR (Rosiglitazona, Bezafibrato e Fenofibrato) e alterações bioquímicas e estruturais em órgãos-alvo de camundongos C57BL/6 alimentados com dieta hiperlipídica rica em sacarose

Este trabalho teve o objetivo de estudar o efeito de medicamentos com diferentes ações agonista PPAR (rosiglitazona, fenofibrato e bezafibrato) sobre o perfil lipídico, glicídico e alterações na massa corporal e morfologia do tecido adiposo e pancreático em modelo de diabetes e sobrepeso induzido por dieta. Camundongos C57BL/6 (2 meses de idade) foram alimentados com dieta padrão (SC, n=10) ou dieta hiperlipídica rica em sacarose (HFHS, n=40) por 6 semanas. Logo após, os animais HFHS foram subdividos em: HFHS não tratado e HFHS tratado com rosiglitazona (HFHS-Ro), fenofibrato (HFHS-Fe) ou bezafibrato (HFHS-Bz) (5 semanas). Os camundongos alimentados com dieta HFHS apresentaram maior glicemia e insulina de jejum (+33% e +138%, respectivamente), intolerância à glicose, resistência à insulina, aumento da massa corporal (MC) (+20%) e adiposidade, hipertrofia de adipócitos e redução da imunocoloração para adiponectina no tecido adiposo. No pâncreas houve aumento da massa (+28%), acúmulo de gordura (+700%), hipertrofia da ilhota (+38%) e redução da imunocoloração para GLUT-2 (-60%). A rosiglitazona diminuiu a glicemia e insulina de jejum, porém induziu o ganho de MC e hipertrofia cardíaca. O fenofibrato estabilizou a MC, enquanto o bezafibrato levou a perda de MC. Apenas o bezafibrato impediu a hipertrofia da ilhota. A imunocoloração para GLUT-2 foi aumentada por todos os medicamentos, e não houve alterações na imunocoloração para o PPARα. Sinais morfológicos de pancreatite foram vistos no grupo HFHS-Fe, apesar dos níveis normais de amilase e lipase séricos. A rosiglitazona exacerbou a infiltração intrapancreática de gordura (+75% vs. HFHS), e o bezafibrato aumento a imunocoloração para o PPARβ/δ nas ilhotas pancreáticas. Em conclusão, o bezafibrato apresentou um efeito mais amplo sobre as alterações metabólicas, morfológicas e biométricas decorrentes da dieta HFHS, sugerindo que a inibição das três isoformas do PPAR seria melhor do que a inibição de apenas uma isoforma. A rosiglitazona exacerbou o ganho de MC, a infiltração de gordura no pâncreas e induziu hipertrofia cardíaca, assim, é necessário cautela ao prescrever este medicamento a um paciente obeso.

A nonlinear systems model for the control mechanism of free fatty acid-glucose metabolosm in normal humans

A mathematical model is proposed in this thesis for the control mechanism of free fatty acid-glucose metabolism in healthy individuals under resting conditions. The objective is to explain in a consistent manner some clinical laboratory observations such as glucose, insulin and free fatty acid responses to intravenous injection of glucose, insulin, etc. Responses up to only about two hours from the beginning of infusion are considered. The model is an extension of the one for glucose homeostasis proposed by Charette, Kadish and Sridhar (Modeling and Control Aspects of Glucose Homeostasis. Mathematical Biosciences, 1969). It is based upon a systems approach and agrees with the current theories of glucose and free fatty acid metabolism. The description is in terms of ordinary differential equations. Validation of the model is based on clinical laboratory data available at the present time. Finally procedures are suggested for systematically identifying the parameters associated with the free fatty acid portion of the model.

Alterações estruturais pancreáticas e metabólicas em camundongos C57BL/6 alimentados com dieta de alta densidade energética

Camundongos C57BL/6 machos com oito semanas de idade alimentados com diferentes dietas durante 16 semanas: de alta densidade energética (ADE, 26% das calorias de carboidrato, 60% de gordura e 14% de proteína) ou dieta padrão (CO, 76% das calorias de carboidrato, 10% de gordura e 14% de proteína). Comparado ao grupo CO, o grupo ADE apresentou maior ganho de massa e maior depósito de tecido adiposo, bem como maiores níveis plasmáticos de triglicerídeos, LDL-c, ALT, AST e fosfatase alcalina e com maiores níveis de corticosterona plasmática, glicose de jejum e insulina com uma consequente resistência à insulina (avaliado pelo HOMA-IR). No TOTG, a glicose plasmática aumentou ao máximo após 15 min. da administração de glicose oral em ambos os grupos. Entretanto os níveis de glicose foram maiores no grupo ADE que no grupo CO (P<0.0001). O clearance de glicose no grupo ADE foi reduzido, permanecendo aumentado após 120 min. (P<0.001), caracterizando intolerância a glicose no grupo ADE. O teste intraperitoneal de tolerância à insulina mostrou uma rápida redução na glicose plasmática após 15 minutos da administração de insulina em ambos os grupos, mas significativamente aumentada no grupo ADE (P<0.0001), permanecendo desta forma até os 120 min. após a administração. Concluindo, camundongos C57BL/6 respondem a dieta ADE desenvolvimento os sinais e sintomas associados à síndrome metabólica observada em humanos. Por conseguinte, este modelo animal poderá ajudar-nos a compreender melhor as alterações em órgãos alvos associadas com a síndrome metabólica, assim como a possibilidade de tratamentos diferentes.

Dietas hiperlipídicas alteram citocinas inflamatórias, adipocinas, tecido adiposo e fígado em camundongos

As dietas ricas em lipídios saturados provocam efeitos deletérios no metabolismo de glicose, secreção de adipocinas e inflamação, entretanto, outros tipos de lipídios podem modular de forma diferenciada tais efeitos. Assim, o objetivo deste trabalho foi investigar o efeito de diferentes dietas hiperlipídicas no metabolismo de carboidratos, lipídios, no tecido adiposo e no fígado. Camundongos machos C57BL/6 foram divididos em 5 grupos (n=10/grupo): animais que receberam dieta controle (standart chow, SC, 10% de lipídios, grupo controle) e animais que receberam diferentes dietas hiperlipídicas (High-fat, HF, 60% de lipídios): à base de banha de porco (lard, grupo HF-L), à base de óleo de oliva (olive oil, grupo HF-O), à base de óleo de girassol (sunflower oil, grupo HF-S) e à base de óleo de canola (canola oil, grupo HF-Ca).Os animais foram alimentados com as dietas experimentas por 10 semanas. Diariamente a ingestão alimentar era verificada e semanalmente a massa corporal foi aferida. A glicose de jejum e o teste intraperitoneal de tolerância a insulina (TITI) foram realizados uma semana antes da eutanásia. No dia da eutanásia o sangue foi coletado, o tecido adiposo e o fígado dissecados e pesados. A insulina, leptina, adiponectina, resistina, fator de necrose tumoral alfa (TNFα), interleucina-6 (IL-6), proteína quimiotática de monócitos-1 (MCP-1) e inibidor do ativador de plasminogênio-1 (PAI-1) foram dosadas por ELISA. Com os dados de insulina e glicose foi calculado o índice HOMA-IR. Os animais dos grupos HF-L e HF-O apresentaram os maiores valores de insulina, resistina, leptina e HOMA-IR em comparação aos outros grupos (P < 0,0001). No grupo HF-L, os níveis de IL-6 foram maiores quando comparados com os demais grupos (P < 0,0005), enquanto os valores de adiponectina foram os menores (P < 0,0001). A quantidade de gordura subcutânea e visceral foi maior no grupo HF-L e este grupo apresentou também um aumento no diâmetro dos adipócitos. Entretanto a relação:visceral:subcutânea foi maior nos grupos HF-L e HF-O quando comparado com os demais grupos. Além disso, houve aumento de triglicérides hepáticos e de esteatose hepática nos animais dos grupos HF-L e HF-O. Nossos achados nos permitem concluir que animais que são alimentados com dietas hiperlipídica, a distribuição do tecido adiposo, o metabolismo de carboidratos, acumulo de triglicérides hepáticos e esteatose hepática são mais influenciados pelo tipo de lipídios do que pela quantidade.