Electron transfer in cytochrome c oxidase : the rate of electron equillibration between cytochrome a and copper A

Intramolecular electron transfer in partially reduced cytochrome c oxidase has been studied by means of perturbed equilibrium techniques. We have prepared a three electron reduced, CO inhibited form of the enzyme in which cytochrome a and copper A are partially reduced an in intramolecular redox equilibrium. When these samples were photolyzed using a nitrogen laser (0.6 µs, 1.0 mJ pulses) changes in absorbance at 598 nm and 830 nm were observed which are consistent with a fast electron from cytochrome a to copper A. The absorbance changes at 598 nm have an apparent rate of 17,200 ± 1,700 s^(-1) (1σ), at pH 7.0 and 25.5 °C. These changes were not observed in either the CO mixed valence or CO inhibited fully reduced forms of the enzyme. The rate is fastest at about pH 8.0, and falls off in either direction, and there is a small, but clear temperature dependence. The process was also observed in the cytochrome c -- cytochrome c oxidase high affinity complex.

This rate is far faster than any rate measured or inferred previously for the cytochrome a -- copper A electron equilibration, but the interpretation of these results is hampered by the fact that the relaxation could only be followed during the time before CO became rebound to the oxygen binding site. The meaning of our our measured rate is discussed, along with other reported rates for this process. In addition, a temperature-jump experiment on the same system is discussed.

We have also prepared a partially reduced, cyanide inhibited form of the enzyme in which cytochrome a, copper A and copper B are partially reduced and in redox equilibrium. Warming these samples produced absorbance changes at 605 nm which indicate that cytochrome a was becoming more oxidized, but there were no parallel changes in absorbance at 830 nm as would be expected if copper A was becoming reduced. We concluded that electrons were being redistributed from cytochrome a to copper B. The kinetics of the absorbance changes at 605 nm were investigated by temperature-jump methods. Although a rate could not be resolved, we concluded that the process must occur with an (apparent) rate larger than 10,000 s^(-1).

During the course of the temperature-jump experiments, we also found that non-redox related, temperature dependent absorbance changes in fully reduced CO inhibited cytochrome c oxidase, and in the cyanide mixed valence enzyme, took place with an (apparent) rate faster that 30,000 s^(-1).

Part I. Synthesis of L-amino acid oxidase by a serine- or glycine-requiring strain of neurospora. Part II. Studies concerning multiple electrophoretic forms of tyrosinase in neurospora

Part I: Synthesis of L-Amino Acid Oxidase by a Serine- or Glycine-Requiring Strain of Neurospora

Wild-type cultures of Neurospora crassa growing on minimal medium contain low levels of L-amino acid oxidase, tyrosinase, and nicotinarnide adenine dinucleotide glycohydrase (NADase). The enzymes are derepressed by starvation and by a number of other conditions which are inhibitory to growth. L-amino acid oxidase is, in addition, induced by growth on amino acids. A mutant which produces large quantities of both L-amino acid oxidase and NADase when growing on minimal medium was investigated. Constitutive synthesis of L-amino acid oxidase was shown to be inherited as a single gene, called P110, which is separable from constitutive synthesis of NADase. P110 maps near the centromere on linkage group IV.

L-amino acid oxidase produced constitutively by P110 was partially purified and compared to partially purified L-amino acid oxidase produced by derepressed wild-type cultures. The enzymes are identical with respect to thermostability and molecular weight as judged by gel filtration.

The mutant P110 was shown to be an incompletely blocked auxotroph which requires serine or glycine. None of the enzymes involved in the synthesis of serine from 3-phosphoglyceric acid or glyceric acid was found to be deficient in the mutant, however. An investigation of the free intracellular amino acid pools of P110 indicated that the mutant is deficient in serine, glycine, and alanine, and accumulates threonine and homoserine.

The relationship between the amino acid requirement of P110 and its synthesis of L-amino acid oxidase is discussed.

Part II: Studies Concerning Multiple Electrophoretic Forms of Tyrosinase in Neurospora

Supernumerary bands shown by some crude tyrosinase preparations in paper electrophoresis were investigated. Genetic analysis indicated that the location of the extra bands is determined by the particular T allele present. The presence of supernumerary bands varies with the method used to derepress tyrosinase production, and with the duration of derepression. The extra bands are unstable and may convert to the major electrophoretic band, suggesting that they result from modification of a single protein. Attempts to isolate the supernumerary bands by continuous flow paper electrophoresis or density gradient zonal electrophoresis were unsuccessful.

I. Studies on the activation of Drosophila phenol oxidase. II. Studies on serum insulin in normal subjects and diabetics

Part I

Phenol oxidase is the enzyme responsible for hardening and pigmentation of the insect cuticle. In Drosophila, phenol oxidase is a latent enzyme. Enzyme activity is produced by the interaction of a number of protein components. A minimal activation scheme consisting of six protein components, designated Pre S, S activator, S, P. P' and Ʌ₁ is described. Quantitative assays have been developed for the S activator, S, P and P' proteins and these components have been partially purified. Experiments describing the interactions of the six components have been conducted and a model for the activation of phenol oxidase in a minimal system is proposed. Possible mechanisms of the reactions between the constituents of the activating system and potential regulatory mechanisms involved in phenol oxidase production and function are discussed.

Part II

A method has been developed for the partial purification of insulin from human serum. A procedure for the determination of the electrophoretic mobility of serum insulin on polyacrylamide gels is described. An electrophoretic analysis of insulin isolated from a normal subject is reported and in addition to a major band, the existence of a number of minor bands of immunoreactive insulin is described. A comparison of the electrophoretic patterns of insulin isolated from normal and diabetic subjects was carried out and indications that differences between them may occur are reported.

Modulação redox da homeostase de células musculares lisas através de estimuladores do sistema NADPH oxidase

As doenças cardiovasculares representam a principal causa de morte nos países ocidentais. Dentre essas doenças, a aterosclerose é que mais se destaca, sendo caracterizada pelo acúmulo de células musculares lisas vasculares (CMLV). O efeito patológico das CMLV em resposta a diferentes estímulos pode acarretar em disfunções nestas células. É notável que a aterosclerose ocorra principalmente em vasos sinuosos onde ocorre um forte turbilhonamento do fluxo sanguíneo, que pode acarretar em hemólise e, consequentemente, acúmulo de heme livre. Além disso, no processo de aterogênese as moléculas de adesão, principalmente integrinas, são de crucial importância durante a resposta de CMLV. Nesse trabalho nosso objetivo inicial foi avaliar o efeito do heme livre nas funções de CMLV, bem como os mecanismos moleculares por trás desses efeitos. Em uma segunda parte, investigamos o envolvimento da integrina α1ß1 no efeito da Angiotensina II (Ang II) em CMLV. Nós observamos que o heme livre é capaz de induzir a proliferação e migração de CMLV via espécies reativas de oxigênio (ERO) provenientes da NADPHoxidase (NADPHox). Adicionalmente vimos que o heme ativa vias de sinalização redox-sensíveis relacionadas à proliferação celular, como MAPKinases e o fator de transcrição NFκB. Também observamos que há uma ligação entre a NADPHox e o sistema heme oxigenase (HO), uma vez que o heme induz a expressão de HO-1 e o pré-tratamento das CMLV com inibidores de HO levam ao aumento tanto o efeito proliferação quanto a indução de ERO promovidas pelo heme. Além disso, vimos que o efeito contra-regulatório promovido pela HO ocorre devido as metabolites do heme: biliverdina, bilirrubina e monóxido de carbono. Por último, quando bloqueamos tanto a NADPHox quanto o sistema HO o heme não teve efeito algum na proliferação de CMLV. Em um segundo estudo, observamos que o efeito da Ang II sobre a migração de CMLV foi inibido quando as células foram pré-tratadas com o ligante da integrina α1ß1, a desintegrina Obtustatina. A seguir observamos que o efeito da Ang II na ativação de FAK e na colocalização actina-ILK é dependente da integrina α1ß1, que possivelmente ativa PKCα, uma vez que vimos que a produção de ERO induzida por Ang II foi inibida pela Obtustatina. Vimos que a indução da expressão de ILK por Ang II em CMLV é dependente da integrina α1ß1 e também observamos que a Obtustatina inibibiu o desacoplamento de ILK da FAK, uma vez que a Obtustatina bloqueou a fosforilação de FAK induzida por Ang II (processo crucial para o desacoplamento da ILK). Nós também observamos que a Ang II induz, via integrina α1ß1, a fosforilação de AKT e a diminuição da expressão de p21, provavelmente via ILK. Corroborando estes dados, nós mostramos que o pré-tratamento com Obtustatina induziu um estacionamento na fase G0 e diminuição da proliferação de CMLV tratadas com Ang II. Portanto, mostramos nesse trabalho que o heme livre induz a ativação de CML via NADPHox, que é elegantemente contra-regulado pelo sistema HO. Além disso, sugerimos que a integrina α1ß1 pode ser um importante alvo molecular para o desenvolvimento de intervenções mais efetivas para a aterosclerose.

Modulação das vias de sinalização intracelulares pelo sistema NAD(P)H oxidase em melanoma humano

Evidências têm mostrado que as espécies reativas de oxigênio (ROS) geradas pela NAD(P)H oxidase são importantes moduladores de diversas funções celulares como migração, crescimento, proliferação e sobrevivência. Estudos recentes demonstraram o envolvimento da atividade da NAD(P)H oxidase no crescimento e sobrevivência de células de melanoma. Neste trabalho, investigamos o efeito da inibição da NAD(P)H oxidase por difenileneiodônio (DPI) sobre o crescimento das células de melanoma humano MV3 e observamos que este composto reduziu o crescimento destas células em aproximadamente 50%. A inibição da NAD(P)H oxidase induziu mudanças no formato celular, com arredondamento, diminuição do espraiamento e descolamento celular. Esta redução foi acompanhada por um rearranjo do citoesqueleto de actina, diminuição da fosforilação no resíduo Tyr397 da quinase de adesão focal (FAK) e redução na associação de FAK com actina e com a tirosina quinase c-Src. Isto indica que a inibição da geração de ROS está modulando negativamente vias de sinalização ativadas por integrinas, o que freqüentemente conduz a um tipo particular de morte celular conhecida por anoikis. Comprovando a ocorrência deste fenômeno, observamos que a inibição da atividade da NAD(P)H oxidase aumentou a apoptose das células de melanoma e induziu a ativação da caspase-3. Nossos resultados mostram ainda que a inibição da viabilidade celular por DPI foi revertida com o pré-tratamento das células MV3 com um inibidor de tirosina fosfatases (ortovanadato de sódio). Em resumo, este estudo mostra que a geração de ROS por NAD(P)H oxidase está envolvida nos mecanismos de sobrevivência em células de melanoma, uma vez que afetam as vias de sinalização dependentes de FAK-Src, através da inibição da atividade de proteína tirosina fosfatases.