Heat stress adaptation in hyperthermophiles: bosynthesis of inositol-containing compatible solutes

Dissertation presented to obtain the Ph.D. degree in Biochemistry

(Un)suitability of the use of pH buffers in biological, biochemical and environmental studies and their interaction with metal ions – a review

The use of buffers to maintain the pH within a desired range is a very common practice in chemical, biochemical and biological studies. Among them, zwitterionic N-substituted aminosulfonic acids, usually known as Good’s buffers, although widely used, can complex metals and interact with biological systems. The present work reviews, discusses and updates the metal complexation characteristics of thirty one commercially available buffers. In addition, their impact on biological systems is also presented. The influences of these buffers on the results obtained in biological, biochemical and environmental studies, with special focus on their interaction with metal ions, are highlighted and critically reviewed. Using chemical speciation simulations, based on the current knowledge of the metal–buffer stability constants, a proposal of the most adequate buffer to employ for a given metal ion is presented.

Metal complexes involving pyridoxine and pyridoxamine

Solid complexes of pyridoxine with Mn(II) , Cd(II) and Zn(II) have been isolated, as well as compounds containing Cu(II), Ni(II), Co(III), Cd(II) and Zn(II), and pyridoxamine in various protonated forms. Infrared spectra provide evidence for protonation at the pyridine nitrogen site in the complexes, but not in the neutral vitamins and the complexes of anionic pyridoxamine. Thus the complexed vitamins are in zwitterionic forms, with chelation probably occurring through the phenolate oxygen and either the amino or the hydroxy group at the 4' position.

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

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

Decarboxylative Generation of Carbenes for the Synthesis of N-Heterocyclic Carbene Copper(I) Complexes - Applications in the Oxidative Coupling of 2-Naphthols

Le présent mémoire décrit la synthèse et l’utilité de complexes Cu-NHC. En premier lieu, la synthèse de complexes de cuivre porteurs de ligand(s) de type carbène-N-hétérocyclique (NHC) via une génération décarboxylative de carbènes sera présentée. En effet, de précédents rapports font état de l’utilisation de carboxylates d’imidazol(in)ium en tant que précurseurs carbéniques sous conditions thermolytiques. Ainsi, la présente étude montre l’utilisation de ces espèces zwitterioniques pour la synthèse de complexes de cuivre(I) mono- et bis-NHC comportant divers substituants et contre-ions. Une seconde partie du projet se concentrera sur l’évaluation de complexes Cu-NHC en tant que catalyseurs pour la synthèse de 2,2’-binaphtols via une réaction de couplage oxydatif de naphtols. L’objectif de ce projet de recherche est d’étudier les effets de variations structurales de différents complexes Cu-NHC afin de construire un processus catalytique plus efficace. Les effets de la structure du catalyseur sur la réaction de couplage ont été évalués en variant son contre-ion, le nombre de ligands NHC se coordonnant au cuivre, ainsi que la nature des substituants du ligand.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

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

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Modified mesoporous MCM-41 as hosts for photochromic spirobenzopyrans

The influence of the chemical composition and silylation of mesoporous MCM-41 materials on the photochromic behaviour of adsorbed spiropyran (BIPS) and 6-nitrospiropyran was studied. Upon incorporation, the spiropyrans underwent ring opening to form either zwitterionic merocyanine or its corresponding O-protonated form. In all silica MCM-41 or in the MCM-41 containing aluminium, the O-protonated merocyanine was predominantly formed. In the case of MCM-41 modified by silylation of the OH groups, a mixture of zwitterionic merocyanine and spiropyran was present. The photochromic response was studied by means of steady-state irradiation and by laser flash photolysis. Steady-state irradiation (λ > 450 nm) of the solid samples gives rise in all cases to an intensity decrease of the absorption bands corresponding to either the protonated or the unprotonated merocyanine form (reverse photochromism). In contrast, laser flash photolysis at 308 nm of spiropyrans supported on silylated MCM-41 allows observation of the photochemical ring opening of residual spiropyran to the corresponding zwitterionic form (normal photochromism).

Studies On Developing A Facile Route For The Synthesis Of Highly Substituted Quinoline And Indole Derivatives

the thesis entitled “STUDIES ON DEVELOPING A FACILE ROUTE FOR THE SYNTHESIS OF HIGHLY SUBSTITUTED QUINOLINE AND INDOLE DERIVATIVES” portrays our attempt to revisit the mechanism of 1,3- dipolar additions with a view to establishing whether it follows a concerted pathway or a stepwise reaction sequence through the formation of a zwitterionic intermediate, which will definitely contribute to the better use of this technique. Furthermore, we propose to develop novel routes for the synthesis of quinoline and indole derivatives with predefined substitution pattern. The thesis is devided into four chapters

Single amino acid substitutions in puroindoline-b mutants influence lipid binding properties

External reflectance Fourier transform infrared (ER-FTIR) spectroscopy and surface pressure measurements have been used to characterize the interaction of wild-type puroindoline-b (Pin-b) and two mutant forms featuring single residue substitutions-namely, Gly-46 to Ser-46 (Pin-bH) and Trp-44 to Arg-44 (Pin-bS)-with condensed-phase monolayers of zwitterionic (L-alpha-dipalmitoylphosphatidylcholine, DPPC) and anionic (L-alpha-dipalmitoylphosphatidyl-dl-glycerol, DPPG) phospholipids. The interaction with anionic DPPG monolayers, monitored by surface pressure isotherms, was influenced significantly by mutations in Pin-b (p < 0.05); wild-type Pin-b showed the highest surface pressure change of 10.6 +/- 1.0 mN m(-1), followed by Pin-bH (7.9 +/- 1.6 mN m(-1)) and Pin-bS (6.3 +/- 1.0 mN m(-1)), and the surface pressure isotherm kinetics were also different in each case. Integrated Amide I peak areas from corresponding ER-FTIR spectra confirmed the differences in adsorption kinetics, but also showed that differences in adsorbed amount were less significant, suggesting that mutations influence the degree of penetration into DPPG films. All Pin-b types showed evidence of interaction with DPPC films, detected as changes in surface pressure (5.6 +/- 1.1 mN m(-1)); however, no protein peaks were detected in the ER-FTIR spectra, which indicated that the interaction was via penetration with limited adsorption at the lipid/water interface. The expression of Pin-b mutants is linked to wheat endosperm hardness; therefore, the data presented here suggest that the lipid binding properties may be pivotal within the mechanism for this quality trait. In addition, the data suggest antimicrobial activities of Pin-b mutants would be lower than those of the wild-type Pin-b, because of decreased selectivity toward anionic phospholipids.

Investigation of the prototype silylene reaction, SiH2+H2O(and D2O): time-resolved gas-phase kinetic studies, isotope effects, RRKM calculations, and quantum chemical calculations of the reaction energy surface

Time-resolved kinetic studies of the reaction of silylene, SiH2, with H2O and with D2O have been carried out in the gas phase at 296 and at 339 K, using laser flash photolysis to generate and monitor SiH2. The reaction was studied over the pressure range 10-200 Torr with SF6 as bath gas. The second-order rate constants obtained were pressure dependent, indicating that the reaction is a third-body assisted association process. Rate constants at 339 K were about half those at 296 K. Isotope effects, k(H)/k(D), were small averaging 1.076 0.080, suggesting no involvement of H- (or D-) atom transfer in the rate determining step. RRKM modeling was undertaken based on a transition state appropriate to formation of the expected zwitterionic donoracceptor complex, H2Si...OH2. Because the reaction is close to the low pressure (third order) region, it is difficult to be definitive about the activated complex structure. Various structures were tried, both with and without the incorporation of rotational modes, leading to values for the high-pressure limiting (i.e., true secondorder) rate constant in the range 9.5 x 10(-11) to 5 x 10(-10) cm(3) molecule' s(-1). The RRKM modeling and mechanistic interpretation is supported by ab initio quantum calculations carried out at the G2 and G3 levels. The results are compared and contrasted with the previous studies.

Time-resolved gas-phase kinetic and quantum chemical studies of reactions of silylene with chlorine-containing species. 2. CH3Cl

Time-resolved kinetic studies of the reaction of silylene, SiH2, generated by laser flash photolysis of both silacyclopent-3-ene and phenylsilane, have been carried out to obtain second-order rate constants for its reaction with CH3Cl. The reaction was studied in the gas phase at six temperatures in the range 294-606 K. The second-order rate constants gave a curved Arrhenius plot with a minimum value at T approximate to 370 K. The reaction showed no pressure dependence in the presence of up to 100 Torr SF6. The rate constants, however, showed a weak dependence on laser pulse energy. This suggests an interpretation requiring more than one contributing reaction pathway to SiH2 removal. Apart from a direct reaction of SiH2 with CH3Cl, reaction of SiH2 with CH3 (formed by photodissociation of CH3Cl) seems probable, with contributions of up to 30% to the rates. Ab initio calculations (G3 level) show that the initial step of reaction of SiH2 with CH3Cl is formation of a zwitterionic complex (ylid), but a high-energy barrier rules out the subsequent insertion step. On the other hand, the Cl-abstraction reaction leading to CH3 + ClSiH2 has a low barrier, and therefore, this seems the most likely candidate for the main reaction pathway of SiH2 with CH3Cl. RRKM calculations on the abstraction pathway show that this process alone cannot account for the observed temperature dependence of the rate constants. The data are discussed in light of studies of other silylene reactions with haloalkanes.

Experimental and theoretical evidence for homogeneous catalysis in the gas-phase reaction of SiH2 with H2O (and D2O): a combined kinetic and quantum chemical study

Time-resolved kinetic studies of the reaction of silylene, SiH2, with H2O and with D2O have been carried out in the gas phase at 297 K and at 345 K, using laser flash photolysis to generate and monitor SiH2. The reaction was studied independently as a function of H2O (or D2O) and SF6 (bath gas) pressures. At a fixed pressure of SF6 (5 Torr), [SiH2] decay constants, k(obs), showed a quadratic dependence on [H2O] or [D2O]. At a fixed pressure of H2O or D2O, k(obs) Values were strongly dependent on [SF6]. The combined rate expression is consistent with a mechanism involving the reversible formation of a vibrationally excited zwitterionic donor-acceptor complex, H2Si...OH2 (or H2Si...OD2). This complex can then either be stabilized by SF6 or it reacts with a further molecule of H2O (or D2O) in the rate-determining step. Isotope effects are in the range 1.0-1.5 and are broadly consistent with this mechanism. The mechanism is further supported by RRKM theory, which shows the association reaction to be close to its third-order region of pressure (SF6) dependence. Ab initio quantum calculations, carried out at the G3 level, support the existence of a hydrated zwitterion H2Si...(OH2)(2), which can rearrange to hydrated silanol, with an energy barrier below the reaction energy threshold. This is the first example of a gas-phase-catalyzed silylene reaction.

Antimicrobial peptide-lipid binding interactions and binding selectivity

Surface pressure measurements, external reflection- Fourier transform infrared spectroscopy, and neutron re. flectivity have been used to investigate the lipid-binding behavior of three antimicrobial peptides: melittin, magainin II, and cecropin P1. As expected, all three cationic peptides were shown to interact more strongly with the anionic lipid, 1,2 dihexadecanoyl-sn-glycerol3-( phosphor-rac-( 1- glycerol)) ( DPPG), compared to the zwitterionic lipid, 1,2 dihexadecanoyl-sn-glycerol-3-phosphocholine ( DPPC). All three peptides have been shown to penetrate DPPC lipid layers by surface pressure, and this was confirmed for the melittin-DPPC interaction by neutron reflectivity measurements. Adsorption of peptide was, however, minimal, with a maximum of 0.4 mg m(-2) seen for melittin adsorption compared to 2.1 mg m(-2) for adsorption to DPPG ( from 0.7 mu M solution). The mode of binding to DPPG was shown to depend on the distribution of basic residues within the peptide alpha-helix, although in all cases adsorption below the lipid layer was shown to dominate over insertion within the layer. Melittin adsorption to DPPG altered the lipid layer structure observed through changes in the external reflection-Fourier transform infrared lipid spectra and neutron reflectivity. This lipid disruption was not observed for magainin or cecropin. In addition, melittin binding to both lipids was shown to be 50% greater than for either magainin or cecropin. Adsorption to the bare air-water interface was also investigated and surface activity followed the trend melittin. magainin. cecropin. External re. ection- Fourier transform infrared amide spectra revealed that melittin adopted a helical structure only in the presence of lipid, whereas magainin and cecropin adopted helical structure also at an airwater interface. This behavior has been related to the different charge distributions on the peptide amino acid sequences.