An aryne route to aporphine alkaloids and related topics / |nIjaz Ahmad Chanda. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

This research was directed towards the investigation and development of an aryne route to the syntheses of aporphi ne and dibenzopyrrocolinium (dibenzoindolizinium) alkaloids and to the stability of the latter under the conditions used for aryne formation. The work c an be divided into three main sections . i) - Synthesis of Glaucine 6-Bromo-3,4-dimethoxyphenylacetic acid, prepared by the action of bromine i n acetic acid on3,4-dimethoxyphenylacetic a cid, was converted into its acid chloride by t he action of thionyl chloride. This on treatment with 3,4- dimethoxyphenylethylamine pr ovided N-(3, 4-dimethoxyphenylethyl)- 2-(2-bromo-4,S-dimethoxyphenyl)-acetamide which on dehydration with phosphoryl chloride (Bischler Napieralski reaction) in dry benzene afforded l -(2-bromo-4,S-dimethoxybenzyl)- 3,4-dihydro-6,7-dimethoxyisoquinoline, isolated as hydrochl oride. A new method o f destroying the excess of phosphoryl chloride was developed which proved to be quite useful. Methylation of the dihydroisoquinoline'with methyl iodide in methanol , and subsequent reduction with sodium borohydride provided (±)-6-bromolaudanosine. Act ion of potassamide or sodamide in anhydrous liquid ammonia on (±)-6-bromolaudanosine yielded the corresponding amino derivative along with other products. Diazotization and ring closure of (±)-6-aminolaudanosine then a f forded (±)-glaucine which was isolated as methiodide. ii) - Intramolecular Capture of Aryne During Glaucine Synthesis, and Subsequent Reactions . This section deals with the by-products formed under the conditions of the aryne stage of t he glaucine synthesis. The crude product, obtained in the reaction of potassamide or sodamide in liquid ammonia on (±)-6-bromolaudanosine, was s eparated by chromatography, Three products were separated and identified. a ) - 5,6-Dimethoxy-2-( 3,4-dimethoxy-6-ethylphenyl)-lmethylindole. Two mechanisms are proposed for the formation of this interesting product. This compound also was prepared by the action of potassamide in l,iquid ammonia on 5,6 ,l2,l2atetrahydro- 2,3,9,lO-tetramethoxy-7-methyldibenz[b,g]indolizinium i odide . b) - 5,6-Dimethoxy-2-(3,4-dimethoxy-6-vinylphenyl)-lmethylindoline. Its formation represented a new method of Hofmann degradation . Further confirmation of structure was done by performing the normal Hofmann reaction on 5, 6,12,12a-tetrahydro -2/3,9,lO-tetramethoxy ~7-methyldibe nz[ b,g]indolizinium iodide. The indoline prepared i n this way was identical in all respects with that prepared above . c) - 1- (2-amino-4,5-dimethoxybenzyl ) -l,2,3,4-tetrahydro-2- methyl-6,7-dimethoxyisoquinoline, was converted t o glaucine as stated in section 1 . iii) - Attempt:,ed Sxnthesis of Liriodenine Piperonal was converted into 3,4-methylenedioxyinitrostyrene which on reduction with lithium aluminium hydride provided 3,4-methylenedioxyphenylethylamine. The method of extraction after the reduction was improved t o some extent. The amine on condensation with m-chlorophenylacetyl chloride, prepared by the action of oxalyl chloride on 3,4-methylenedioxyphenylacetic acid, provided N-[ ~ -(3,4-methylenedioxyphenyl)- e thyl)-3-chlorophenylacetamide. This on dehydration with phosphoryl chloride in dry benzene followed by air oxidation afforded l-(3-chlorobenzoyl)-6,7-methylenedioxyi soquinoline. This compound on r eaction with potassamide in liquid ammonia afforded a crude product from which. one product was separated by chromatography i n a pure condition . This yellow compound analysed as,c17Hl ON2021 and was t he main product i n the reaction ; a t entative structure is proposed. A second compound, not obtained in pure condition, was submitted to Pschorr reaction in the hope of obtaining liriodenine, but without success.

Reactions of some non-enolisable chloroketones with amide ion and a new synthesis of acridones /|nGuo-shyoung John Chen. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

This research was directed mainly towards the investigation of the reacti.ons of· substituted chlorobenziophenones under strongly basi,c conditions. The work 'can be divided into two main sections. The Introduction deals mainly with historical studies on aryne chemistry and the Haller-Bauer reaction. Secti.on I i.s concerned with syntheses of 2-benzamido-2'chlorobenzophenone and 2-benzamido~3'-chlorobenzophenone,and with thei,r respective reactions wi.th potassium amide in ammonia. o-Chlorophenylacetic acid was converted to the acid chloride and then by Friedel-Craftsreaction with benzene to w-(o-chlorophenyl)acetophenone. Reaction wi.th phenylhydrazine and Fischer cyclization gave 3- (0chlorophenyl)- 2-phenylindole, which was ozonized to 2-benzamido-2'chlorobenzophenone. The isomeric 3' -chlor,..o ke: tone was similarly synthesised from m-chlorophenylacetic acid. Both the 2'- and 3' -ch.loroketones gave N-benzoylacridone on treatment with potassium amide in ammonia; an aryne mechanism is involved for the 3'-chloroketone but aryne and nucleophilic substitution mechanisms are possible for the 2'-chloroketone. Hydrolysis of the 2'- and 3'-chloroketones gave 2-amino-2'chlorobenzophenone and 2-amino-3'-chlorobenzophenone respectively. A second new acridone synthesis is given in the Appendix involving reactions of these two ketones with potassium t-butoxide in t-butylbenzene. i Section 2 deals with the investigation of the reaction of some tricyclic ch1orobenzophenones with potassium amide in liquid ammonia. These were 1-ch1orof1uorenone; which was pr~pared in several steps from f1uoranthene, and 1- and 2-ch1oroanthraquinones. 1-Ch1orof1uorenone gave 1-aminof1uorenone ; 1-ch1oroanthraquinone gave 1- and 2-aminoanthraquinones; 2-ch1oroanthraquinone was largely recovered from the attempted reaction.

Some aspects of the chemistry of Reissert compounds / |nDurga Prasad Aysola. -- 260 St. Catharines [Ont. : s. n.],

1-(0- and m-Ohlorobenzoyl)isoquinolines have been synthesized by two routes involving Reissert compounds. One route involves condensation of 2-benzoyl-l,2-dihydroisoquinaldonitrile with the appropriate chlorobenzaldehyde and the second involves rearrangement of the appropriate Z-(chlorobenzoyl)-l,Z-dihydroisoquinaldonitrile under basic conditions. The action of potassamide in anhydrous liquid ammonia on both ketones gave unexpectedly N-(l-isoquinolyl)benzamide (67) as the major product and the use of dibenzo-18-crown-6-ether 98% substantially improved the yd..e.ld in the case of l-chloroketone. This amide (67) exhibits unusual hydrogen bonding. 1-(o-chlorobenzoyl)-6,7-dimethoxyisoquinoline (79) was prepared in very s,amll quantities by the route involving condensation of 2-benzoyll, Z-dihydro-6,7-dimethoxyisoquinaldonitrile with o-chlorobenzaldehyde. The poor yields are due to the instability of the anion of 2-benzoyl1, Z-dihydro-6,7-dimethoxyisoquinaldonitrile. Attempted preparation of the ketone (79) by rearrangement of 2-(o-chlorobenzoyl)-l,2-dihydro6,7- dimethoxyisoquinaldonitrile under basic conditions yielded the start~ng material (Reissert compound) and 6,7-dimethoxyisoquinoline. The action of potassamide in anhydrous liquid ammonia on l-(o-bromo-4,5-dimethoxybenzoyl)isoquinoline (85), which was prepared by the route involving the condensation of 2-benzoyl-l,4-dihydroisoquinaldonitrile with o-bromo-4,5-dimethoxybenzaldehyde, gave two products, which have not yet been identified. The ketone (85) and its precursors are interest~ng in that their 20 eV and 70 eV mass spectra do not show molecular ions.

Synthetic studies on prostaglandins: "synthesis of a new thia-PGEI analog"

A PGE1 analog, namely (±)-trans-2-(6'-carbomethoxyhexyl)-3- (E-3"-thia-1 "-octene)-4-hydroxycyclopentanone 71, has been prepared for the first time. Towards the synthesis of this compound, several synthetic approaches aimed at the preparation of the required acetylenic and E-halovinylic sulfides as building blocks were investigated. Among all the methods examined, it appeared evident that the best route to ethynyl n.pentyl sulfide 81 is via a double dehydrohalogenation of the corresponding 1,2-dibromoethyl sulfide with sodium amide in liquid ammonia. In addition, the isomerically pure E-2-iodoethenyl n.pentyl sulfide 85 is conveniently prepared in high yield and stereoselectivity by hydrozirconation-iodination of the terminal ethynyl sulfide 81. The classical hydroalumination and hydroboration reactions for the preparation of vinyl halides from alkynes gave only small yields when applied as methods towards the synthesis of 85 . The building block 2-(6'-carbomethoxyhexyl)-4-hydroxy-2- cyclopentenone (±)-1 carrying the upper side-chain of prostaglandin E 1 was prepared by a step-wise synthesis involving transformations of compounds possessing the required carbocyclic framework (see scheme 27). The synthesis proved to be convenient and gave a good overall yield of (±)-1 which was protected as the TH P-derivative 37 or the siloxy derivative 38. With the required building blocks 81 and 37 in hand, the target 1S-thia-PGE1 analog (±)-71 was prepared via the in situ higher cuprate formation-conjugate addition reaction. This method proved to be convenient and stereospecific. The standard cuprate method, involving an organocuprate reagent generated from an isolated vinyl iodide, did not work well in our case and gave a complicated mixture of products. The target compound will be submitted for assessment of bio log ical activity.

The nucleophillic substitution of various chloroanthraquinones of their possible rearrangement via aryne intermediates

The work in this thesis deals mainly with nucleophilic substitution of chloroanthraquinones as a route to various starting materials which might rearrange, via aryne intermediates to afford fused-ring heterocy1ic carboxylic acids. 1-Amino-5-chloroanthraquinone was successfully prepared by reacting 1,5-dichloroanthraquinone with sodium aZide in ref1uxing dimethylsulfoxide (DMSO). It could also be prepared from the same starting material by reaction with ammonia (gas) in DMSO in the presence of potassium fluoride. Treatment of l-amino-5-chloroanthraquinone with potassium amide in liquid ammonia or with potassium t-butoxide in t-butylbenzene returned mainly starting material, although in the latter case some 1-amino-5-hydroxyanthraquinone was also isolated. 1-Hydroxy-5-chloroanthraquinone was ultimately prepared by diazotization of the amino-analog. It was recovered almost quantitatively after treatmenu'with potassium amide in liquid ammonia. The reaction with potassium t-butoxide in t-buty1benzene was anomalous and gave 1-hydroxyanthraquinone as the only iso1able product. Acridines were successfully prepared by the action of 70% sulfuric acid on 1,5-bis(p-toluidino)-anthraquinone and 1-p-toluidino-5- ch10roanthraquinone, and in the latter case, cleavage to give an acridinecarboxylate was attempted. Substituted anthraquinones reacted with sodium azide in sulfuric acid to give azepindiones by -NH insertion. Methods for separating and identifying isomeric mixtures of these compounds were examined. Attempted decarbonylation of selected azepindiones to give acridones gave mainly what were thought to be amino-benzophenone derivatives. Chloroanthraquinones were found to react with hexamethylphosphoramide (HMPA) to give mixtures of the dimethylamino- and methylaminoderivatives. Under the same conditions halogeno-nitrobenzenes and nitrophenols were substituted to give the appropriate dimethyl aminobenzenes, except in two cases. 3-Chloronitrobenzene reacted anomalously to give a small amount of 3,3'-dichloroazobenzene and a trace of 4-dimethylamino-nitrobenzene. Pentachlorophenol reacted to give a pentachlorophenylphosphorodiamidate in good yield.

The suppression of the Haller-Bauer scission for synthetic purposes /|nby S. M. Vines. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

A number of 2-chlorobenzophenones, containing electron releasing groups (e.g. hydroxy, thiomethoxy and methoxy) in the 4' - position, were prepared by the Friess rearrangement, or the Friedel-Crafts reaction. These ketones, when treated with potassamide in liquid ammonia, underwent partial Haller-Bauer scission, unlike 2-chlorobenzophenone which is known to undergo complete scission. Under similar conditions 4-nitrobenzophenone also underwent partial scission, but the main reaction in this case was nucleophilic amination of the nitro containing ring. This amination reaction was shown not to be a useful general reaction for aromatic nitro compounds. 3-Methylxanthone was then prepared by treatment of 2- and 3- chloro-2'-hydroxy-5'-methylbenzophenone with . little, if any, attendant scission. The corresponding 2fluoro- compound also gave the xanthone, but as the 3-fluoro compound did not, it was concluded that the 2-fluoro compound reacted through a nucleophilic substitution mechanism, rather than the benzyne mechanism invoked for the chloro and bromo compounds. 3-Methylthioxanthone was synthesised by treatment of methyl 4-tolyl sulphide and 2-chlorobenzoyl chloride with aluminum chloride in carbon disu1phide, followed.by heating. This compound was also prepared by treatment of 3-chloro-2'thiomethoxy- 5'-methylbenzophenone with potassamide in liquid ammonia.

Reactions of various aromatic nitro-compounds and anthraquinones with selected bases and nucleophiles

The Introducti on deals mainly with hi storical studies on aryne chemi stry and ring closure via arynes , hydride replacement from aromatic rings by nucleophi les, c l eavage of anthr aquinones in basic medium and the Leuckart reaction . This work can be divided into two main s ect i ons. Section I is concerned with the investigation of t he reaction of some aromatic ni t ro-compounds with potassamide in l iquid ammonia. 3-Amino-4- nitrobenzophenone was obtained from the reacti on of 4-nitrobenzophenone with t his reagent, toge t her with benzoic acid formed in a competing Haller-Bauer reaction. Nitrobenzene under these conditions gave a complex mixture from which 2-phenylphenol was isolated; a reaction i nvolving benzyne may be i nvo l ved. 4-Nitrodiphenyl sulfone gave 4-aminodiphenyl sulfone and 4-nitroani l ine. 4-Ethoxydiphenyl sulfone and 4-ethoxynitrobenzene were isolated when ethanol was used as a co-solvent in the reaction. Oxidative coupling reactions were observed with nitrotoluenes. 4-Nitrotoluene gave 4,4t-dinitrobibenzyl which i n a pro longed reaction gave 4,4t-dinitros t ilbene . 2-Nitrotoluene gave 2 , 2 t-dinitrobibenzyl, but not the corresponding stilbene derivative even after a longer time . A rather i nteresting result was obtained with 1-nitro-2,4,6- trimethylbenzene which gave a stilbene derivative only. Also the corresponding stilbene was obtained from bis-(4-nitrophenyl)-methane in a rather slow r eaction with this reagent . Section II deals wi th (i) the preparation of 5-chloro- 1-N-methyl aminoanthraquinone and a new synthesis of N-methyl acridones and (ii) treatment of chloro-anthraquinones with fo rmamide and a new synthesis of chloro-anthracenes . 5-Chloro-1 -N-methylaminoanthraqui none was synthesised f rom 1,5-dichloroanthraquinone by treatment with N-methylformamide. Treatment of 5-chloro-1-N-methylaminoanthraquinone with potassamide in liquid ammonia or with potassium t-butoxide i n t-butylbenzene gave N-methylacridone-1-carboxylic acid. This pleasing result, t he outcome of r i ng opening and alter native ring closure, is being extended to related ring systems.

Application of thermal ion-molecule reactions in tackling spectroscopic inferences in inductively coupled plasma mass spectrometry

Part I: Ultra-trace determination of vanadium in lake sediments: a performance comparison using O2, N20, and NH3 as reaction gases in ICP-DRC-MS Thermal ion-molecule reactions, targeting removal of specific spectroscopic interference problems, have become a powerful tool for method development in quadrupole based inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) applications. A study was conducted to develop an accurate method for the determination of vanadium in lake sediment samples by ICP-MS, coupled with a dynamic reaction cell (DRC), using two differenvchemical resolution strategies: a) direct removal of interfering C10+ and b) vanadium oxidation to VO+. The performance of three reaction gases that are suitable for handling vanadium interference in the dynamic reaction cell was systematically studied and evaluated: ammonia for C10+ removal and oxygen and nitrous oxide for oxidation. Although it was able to produce comparable results for vanadium to those using oxygen and nitrous oxide, NH3 did not completely eliminate a matrix effect, caused by the presence of chloride, and required large scale dilutions (and a concomitant increase in variance) when the sample and/or the digestion medium contained large amounts of chloride. Among the three candidate reaction gases at their optimized Eonditions, creation of VO+ with oxygen gas delivered the best analyte sensitivity and the lowest detection limit (2.7 ng L-1). Vanadium results obtained from fourteen lake sediment samples and a certified reference material (CRM031-040-1), using two different analytelinterference separation strategies, suggested that the vanadium mono-oxidation offers advantageous performance over the conventional method using NH3 for ultra-trace vanadium determination by ICP-DRC-MS and can be readily employed in relevant environmental chemistry applications that deal with ultra-trace contaminants.Part II: Validation of a modified oxidation approach for the quantification of total arsenic and selenium in complex environmental matrices Spectroscopic interference problems of arsenic and selenium in ICP-MS practices were investigated in detail. Preliminary literature review suggested that oxygen could serve as an effective candidate reaction gas for analysis of the two elements in dynamic reaction cell coupled ICP-MS. An accurate method was developed for the determination of As and Se in complex environmental samples, based on a series of modifications on an oxidation approach for As and Se previously reported. Rhodium was used as internal standard in this study to help minimize non-spectral interferences such as instrumental drift. Using an oxygen gas flow slightly higher than 0.5 mL min-I, arsenic is converted to 75 AS160+ ion in an efficient manner whereas a potentially interfering ion, 91Zr+, is completely removed. Instead of using the most abundant Se isotope, 80Se, selenium was determined by a second most abundant isotope, 78Se, in the form of 78Se160. Upon careful selection of oxygen gas flow rate and optimization ofRPq value, previous isobaric threats caused by Zr and Mo were reduced to background levels whereas another potential atomic isobar, 96Ru+, became completely harmless to the new selenium analyte. The new method underwent a strict validation procedure where the recovery of a suitable certified reference material was examined and the obtained sample data were compared with those produced by a credible external laboratory who analyzed the same set of samples using a standardized HG-ICP-AES method. The validation results were satisfactory. The resultant limits of detection for arsenic and selenium were 5 ng L-1 and 60 ng L-1, respectively.

Fonction de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus

La fixation de l’azote diatomique est un processus très important à la vie, vu sa nécessité dans la biosynthèse de plusieurs molécules de base; acides aminés, acides nucléiques, etc. La réduction de l’azote en ammoniaque est catalysée par la nitrogénase, une enzyme consommatrice de beaucoup d’énergie étant donné qu’elle nécessite 20 à 30 moles d’ATP pour la réduction d’une mole d’azote. De ce fait une régulation rigoureuse est exigée afin de minimiser le gaspillage d’énergie. Plusieurs systèmes de contrôle sont connus, aussi bien au niveau post-traductionnel que traductionnel. Chez la bactérie photosynthétique pourpre non-sulfureuse R. capsulatus, la régulation de l’activité de la nitrogénase nécessite une panoplie de protéines dont la protéine membranaire AmtB, qui est impliquée dans le transport et la perception d’ammonium, et les protéines PII qui jouent plusieurs rôles clés dans la régulation de l’assimilation d’azote. Suite à l’ajout de l’ammonium dans le milieu, une inhibition réversible de l’activité de la nitrogénase est déclenchée via un mécanisme d’ADP-ribosylation de la nitrogénase. La séquestration de GlnK (une protéine PII) par l’AmtB permet à DraT, une ADP-ribosyltransférase, d’ajouter un groupement ADP-ribose sur la protéine-Fe de la nitrogénase l’empêchant ainsi de former un complexe avec la protéine-MoFe. Donc, le transfert d’électrons est bloqué, engendrant ainsi l’inhibition de l’activité de la nitrogénase qui dure aussi long que la concentration d’azote fixé reste élevé, phénomène appelé le « Switch-off/Switch-on » de la nitrogénase. Dans ce mémoire, pour mieux comprendre ce phénomène de régulation, des mutations ponctuelles au niveau de certains résidus conservés de la protéine AmtB, dont D338, G367, H193 et W237, étaient générées par mutagénèse dirigée, afin d’examiner d’avantage leur rôle dans le transport d’ammonium, la formation du complexe AmtB-GlnK, ainsi que dans le « Switch-off » et l’ADP-ribosylation. Les résultats permettent de conclure l’importance et la nécessité de certains résidus telle que le G367 dans la régulation de la nitrogénase et le transport d’ammonium, contrairement au résidu D338 qui ne semble pas être impliqué directement dans la régulation de l’activité de la nitrogénase. Ces résultats suggèrent d’autres hypothèses sur les rôles des acides aminés spécifiques d’AmtB dans ses fonctions comme transporteur et senseur d’ammonium.

Le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans la pathogénèse de l’encéphalopathie hépatique chronique

L'encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique dû à une dysfonction hépatique où l'ammoniaque est un facteur central. Il a déjà été rapporté que l’intoxication aiguë d'ammoniaque induise le stress oxydatif/nitrosatif. La présente étude cible à évaluer le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans 2 modèles de l’EH chronique : (1) l’anastomose portocave (PCA) et (2) la ligation de la voie biliaire (BDL). Ces 2 modèles sont caractérisés par une hyperammoniémie et une augmentation d’ammoniaque centrale, cependant l’œdème cérébral est trouvé seulement chez les rats BDL. Des marqueurs du stress oxydatif/nitrosatif ont été évaluées dans le plasma et cortex frontal. Un stress nitrosatif central a été observé chez les rats PCA; tandis qu’un stress oxydatif/nitrosatif systémique a été démontré seulement chez les rats BDL. Ces résultats suggèrent (1) que l’hyperammoniémie chronique n’induise pas le stress oxydatif/nitrosatif systémique et (2) qu’un synergisme existe entre l’ammoniaque et le stress oxydatif/nitrosatif, en association avec l’œdème cérébral.

Étude de la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus dans la noirceur

L’atmosphère terrestre est très riche en azote (N2). Mais cet azote diatomique est sous une forme très stable, inutilisable par la majorité des êtres vivants malgré qu’il soit indispensable pour la synthèse de matériels organiques. Seuls les procaryotes diazotrophiques sont capables de vivre avec le N2 comme source d’azote. La fixation d’azote est un processus qui permet de produire des substances aminées à partir de l’azote gazeux présent dans l’atmosphère (78%). Cependant, ce processus est très complexe et nécessite la biosynthèse d’une vingtaine de protéines et la consommation de beaucoup d’énergie (16 molécules d’ATP par mole de N2 fixé). C’est la raison pour laquelle ce phénomène est rigoureusement régulé. Les bactéries photosynthétiques pourpres non-sulfureuses sont connues pour leur capacité de faire la fixation de l’azote. Les études faites à la lumière, dans le mode de croissance préféré de ces bactéries (photosynthèse anaérobie), ont montré que la nitrogénase (enzyme responsable de la fixation du diazote) est sujet d’une régulation à trois niveaux: une régulation transcriptionnelle de NifA (protéine activatrice de la transcription des gènes nif), une régulation post-traductionnelle de l’activité de NifA envers l’activation de la transcription des autres gènes nif, et la régulation post-traductionnelle de l’activité de la nitrogénase quand les cellules sont soumises à un choc d’ammoniaque. Le système de régulation déjà décrit fait intervenir essentiellement une protéine membranaire, AmtB, et les deux protéines PII, GlnB et GlnK. Il est connu depuis long temps que la nitrogénase est aussi régulée quand une culture photosynthétique est exposée à la noirceur, mais jusqu’aujourd’hui, on ignore encore la nature des systèmes intervenants dans cette régulation. Ainsi, parmi les questions qui peuvent se poser: quelles sont les protéines qui interviennent dans l’inactivation de la nitrogénase lorsqu’une culture anaérobie est placée à la noirceur? Une analyse de plusieurs souches mutantes, amtB- , glnK- , glnB- et amtY- poussées dans différentes conditions de limitation en azote, serait une façon pour répondre à ces interrogations. Alors, avec le suivi de l’activité de la nitrogénase et le Western Blot, on a montré que le choc de noirceur provoquerait un "Switch-off" de l’activité de la nitrogénase dû à une ADP-ribosylation de la protéine Fe. On a réussit aussi à montrer que ii tout le système déjà impliqué dans la réponse à un choc d’ammoniaque, est également nécessaire pour une réponse à un manque de lumière ou d’énergie (les protéines AmtB, GlnK, GlnB, DraG, DraT et AmtY). Or, Rhodobacter capsulatus est capable de fixer l’azote et de croitre aussi bien dans la micro-aérobie à la noirceur que dans des conditions de photosynthèse anaérobies, mais jusqu'à maintenant sa régulation dans l’obscurité est peu étudiée. L’étude de la fixation d’azote à la noirceur nous a permis de montrer que le complexe membranaire Rnf n’est pas nécessaire à la croissance de R. capsulatus dans de telles conditions. Dans le but de développer une façon d’étudier la régulation de la croissance dans ce mode, on a tout d’abord essayé d’identifier les conditions opératoires (O2, [NH4 + ]) permettant à R. capsulatus de fixer l’azote en microaérobie. L’optimisation de cette croissance a montré que la concentration optimale d’oxygène nécessaire est de 10% mélangé avec de l’azote.

The Role of Specific Amino Acids in the Formation of Ternary Complexes in Nitrogenase Regulation in the Photosynthetic Bacterium Rhodobacter capsulatus

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +.

Le rôle de l’inflammation dans le développement des complications neurologiques associées à l’insuffisance hépatique aiguë chez la souris

L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par la perte soudaine de la fonction hépatique résultant de la nécrose massive des hépatocytes en l’absence de pathologie hépatique préexistante. L’IHA s’accompagne de perturbations métaboliques et immunologiques qui peuvent entraîner l’apparition de complications périphériques et cérébrales telles qu’un syndrome de réponse inflammatoire systémique (SIRS), une encéphalopathie hépatique (EH), un œdème cérébral, une augmentation de la pression intracrânienne, et la mort par herniation du tronc cérébral. Les infections sont une complication fréquente de l’IHA et elles sont associées à un risque accru de développer un SIRS et une aggravation subséquente de l’EH avec un taux de mortalité augmenté. L’ammoniaque joue un rôle majeur dans les mécanismes physiopathologiques qui mènent au développement de l’EH et de l’œdème cérébral, et des études récentes suggèrent que les cytokines pro-inflammatoires sont également impliquées. Le but de cette thèse est d’étudier le rôle des cytokines pro-inflammatoires circulantes et cérébrales dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral lors d’IHA. Dans l’article 1, nous démontrons que l’inhibition périphérique du facteur de nécrose tumorale-α (TNF-α) par l’etanercept retarde la progression de l’EH en diminuant le dommage hépatocellulaire, réduisant l’inflammation périphérique et centrale ainsi que le stress oxydatif/nitrosatif hépatique et cérébral associé chez la souris avec une IHA induite par l’azoxyméthane (AOM). Ces résultats démontrent un rôle important du TNF-α dans la physiopathologie de l’EH lors d’IHA d’origine toxique et suggèrent que l’etanercept pourrait constituer une approche thérapeutique dans la prise en charge des patients en attente de transplantation hépatique. Dans l’article 2, nous simulons la présence d’une infection chez la souris avec une IHA induite par l’AOM pour mettre en évidence une éventuelle augmentation de la réponse inflammatoire. Nous démontrons que l’endotoxémie induite par le lipopolysaccharide (LPS) précipite la survenue du coma et aggrave la pathologie hépatique. Les cytokines pro-inflammatoires systémiques et cérébrales sont augmentées de façon synergique par le LPS lors d’IHA et résultent en une activation accrue de la métalloprotéinase matricielle-9 cérébrale qui s’accompagne d’une extravasation d’immunoglobulines G (IgG) dans le parenchyme cérébral. Ces résultats démontrent une augmentation majeure de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) qui contribue à la pathogenèse de l’EH lors d’IHA en condition infectieuse. Les résultats de l’article 3 démontrent que l’augmentation de la perméabilité de la BHE lors d’IHA induite par l’AOM en condition non infectieuse ne résulte pas de l’altération de l’expression des protéines constitutives de la BHE. Dans l’article 4, nous démontrons que l’exposition d’astrocytes en culture à des concentrations physiopathologiques d’ammoniaque ou d’interleukine-1β résulte en l’altération de gènes astrocytaires impliqués dans la régulation du volume cellulaire et dans le stress oxydatif/nitrosatif. Un effet additif est observé dans le cas d’un traitement combiné au niveau des gènes astrocytaires impliqués dans le stress oxydatif/nitrosatif. L’ensemble des résultats de cette thèse démontre un rôle important de l’inflammation périphérique et cérébrale dans la survenue des complications neurologiques lors d’IHA et une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques impliqués pourrait contribuer à la mise en place de stratégies thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA en attente de transplantation.

Portacaval anastomosis-induced hyperammonemia does not lead to oxidative stress.

Ammonia is neurotoxic and believed to play a major role in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE). It has been demonstrated, in vitro and in vivo, that acute and high ammonia treatment induces oxidative stress. Reactive oxygen species (ROS) are highly reactive and can lead to oxidization of proteins resulting in protein damage. The present study was aimed to assess oxidative status of proteins in plasma and brain (frontal cortex) of rats with 4-week portacaval anastomosis (PCA). Markers of oxidative stress, 4-hydroxy-2-nonenal (HNE) and carbonylation were evaluated by immunoblotting in plasma and frontal cortex. Western blot analysis did not demonstrate a significant difference in either HNE-linked or carbonyl derivatives on proteins between PCA and sham-operated control rats in both plasma and frontal cortex. The present study suggests PCA-induced hyperammonemia does not lead to systemic or central oxidative stress.

Keeping cool in acute liver failure: rationale for the use of mild hypothermia.

Encephalopathy, brain edema and intracranial hypertension are neurological complications responsible for substantial morbidity/mortality in patients with acute liver failure (ALF), where, aside from liver transplantation, there is currently a paucity of effective therapies. Mirroring its cerebro-protective effects in other clinical conditions, the induction of mild hypothermia may provide a potential therapeutic approach to the management of ALF. A solid mechanistic rationale for the use of mild hypothermia is provided by clinical and experimental studies showing its beneficial effects in relation to many of the key factors that determine the development of brain edema and intracranial hypertension in ALF, namely the delivery of ammonia to the brain, the disturbances of brain organic osmolytes and brain extracellular amino acids, cerebro-vascular haemodynamics, brain glucose metabolism, inflammation, subclinical seizure activity and alterations of gene expression. Initial uncontrolled clinical studies of mild hypothermia in patients with ALF suggest that it is an effective, feasible and safe approach. Randomized controlled clinical trials are now needed to adequately assess its efficacy, safety, clinical impact on global outcomes and to provide the guidelines for its use in ALF.