Bistability of mitochondrial respiration underlies paradoxical reactive oxygen species generation induced by anoxia

Increased production of reactive oxygen species (ROS) in mitochondria underlies major systemic diseases, and this clinical problem stimulates a great scientific interest in the mechanism of ROS generation. However, the mechanism of hypoxia-induced change in ROS production is not fully understood. To mathematically analyze this mechanism in details, taking into consideration all the possible redox states formed in the process of electron transport, even for respiratory complex III, a system of hundreds of differential equations must be constructed. Aimed to facilitate such tasks, we developed a new methodology of modeling, which resides in the automated construction of large sets of differential equations. The detailed modeling of electron transport in mitochondria allowed for the identification of two steady state modes of operation (bistability) of respiratory complex III at the same microenvironmental conditions. Various perturbations could induce the transition of respiratory chain from one steady state to another. While normally complex III is in a low ROS producing mode, temporal anoxia could switch it to a high ROS producing state, which persists after the return to normal oxygen supply. This prediction, which we qualitatively validated experimentally, explains the mechanism of anoxia-induced cell damage. Recognition of bistability of complex III operation may enable novel therapeutic strategies for oxidative stress and our method of modeling could be widely used in systems biology studies.

Reversibilidade do fósforo não-lábil em solos submetidos à redução microbiana e química: I - alterações químicas e mineralógicas

Alterações no potencial redox (Eh) de solos, como ocorrem em solos hidromórficos, causam alterações significativas nas características químicas e mineralógicas dos solos e têm forte influência sobre o comportamento do P, alterando a relação entre suas formas lábil e não-lábil. O objetivo deste trabalho foi verificar o efeito de condições de baixo Eh na dissolução/reversibilidade de formas não-lábeis de P e solubilização/comportamento dos oxihidróxidos de Fe e Al. Para isso, amostras de 11 solos foram incubadas com 300 mg kg-1 de P por 30 dias, com posterior exaustão do P-lábil por extrações sucessivas com resina de troca aniônica (RTA). Posteriormente, elas foram submetidas a um tratamento denominado redução microbiana com 0,1 mol L-1 de sacarose, por 60 dias, com trocas desta solução a cada 15 dias. Os resultados obtidos foram comparados com outros quando a mesma dose de P foi aplicada após essa redução microbiana, seguida por extrações sucessivas do P-lábil com RTA. Mediram-se, ainda, em ambas as condições, na solução de sacarose em equilíbrio com os solos, os valores de Eh e pH, teores de Fe, Al e P, ao final de cada período de 15 dias, por ocasião da troca da solução. As amostras originais - não tratadas - dos solos foram, também, submetidas à complexação/redução com oxalato de amônio (Ox) ou com citrato-ditionito-bicarbonato de sódio (CDB). Foram feitas quatro extrações sucessivas com Ox e duas como CDB, determinando-se, após cada extração, em ambos os métodos, os valores de Eh, pH e os teores de Fe, Al e P. Posteriormente, as amostras residuais dos solos submetidos aos tratamentos com Ox e CDB receberam 300 mg kg-1 de P. A diminuição dos valores de Eh pela adição de sacarose ou pelas extrações com Ox e CDB não favoreceu a reversibilidade de formas não-lábeis de P. A adição de P aos solos aparentemente promoveu maior estabilidade para a goethita, restringindo sua interferência no valor de Eh do solo, como, também, estabilizou a gibbsita, que passou a não interferir no pH do solo. Os resultados permitem aventar a hipótese de que o P aplicado proporcionaria efeito restritivo ao comportamento de oxihidróxidos.

Reversibilidade de fósforo não-lábil em solos submetidos à redução microbiana e química: II - extrações sucessivas do fósforo pela resina de troca aniônica

A formação de P não-lábil a partir de formas lábeis, adsorvidas aos oxihidróxidos de Fe e Al, é razão para o baixo efeito residual da fertilização fosfatada em solos tropicais. A reversibilidade do P não-lábil para formas lábeis nesses solos pode ser favorecida pela redução do Fe3+ e, ou, pela diminuição da atividade dos oxihidróxidos de Fe e Al. Neste trabalho, objetivou-se avaliar a adsorção e dessorção de P, sua transformação em não-lábil e reversibilidade dessa forma em amostras de solos submetidas à redução microbiana ou química. Para isso, amostras de 11 solos foram homogeneizadas com 300 mg kg-1 de P na forma de NaH2PO4 em solução, incubadas por 30 dias e, então, submetidas a dez extrações sucessivas de P com resina de troca aniônica (RTA) (tratamento sem redução). Em seguida, outras amostras dos solos foram submetidas à ambiente redutor em solução de sacarose 0,1 mol L-1 com posterior aplicação da doses de P (300 mg kg-1) e as dez extrações sucessivas de P (tratamento redução microbiana). Depois, outras amostras foram reduzidas/complexadas com oxalato de amônio (Ox) ou com citrato-ditionito-bicarbonato (CDB), e os solos/resíduos receberam a mesma dose de P dos experimentos anteriores. Foram então incubados por 30 dias e submetidos às extrações sucessivas com RTA (tratamento redução química). A capacidade máxima de adsorção de P (CMAP) dos solos mostrou-se mais dependente da goethita (com 70,8 % de contribuição para seu valor) do que da gibbsita (com contribuição de 29,2 %). A correlação negativa entre os teores de P obtidos na segunda extração com a RTA, nos solos em condição natural, sem redução, e os teores de gibbsita sugere que este, e não a goethita, é o oxihidróxido responsável pela maior restrição à dessorção do P. Os valores de CMAP, estimados por meio do P remanescente (P-rem), mostraram, nas amostras submetidas ao tratamento com redução microbiana, pequena alteração para o grupo dos solos menos oxídicos, com menor CMAP. Todavia, nos solos mais oxídicos, com maior CMAP, o efeito prévio da sacarose foi o aumenta do P-rem (diminuição da CMAP) 10 vezes em relação aos solos para o tratamento sem redução. Entretanto, a redução gerada pela sacarose não alterou a dessorção do P anteriormente adsorvido. A expectativa de que ocorreria significativa reversibilidade de P não-lábil com a redução microbiana ou química dos solos não se concretizou, demonstrando a grande estabilidade dessas formas.

Comportamento de superfosfato simples contendo fosfato de ferro de baixa solubilidade em água em solos de várzea do Rio Grande do Sul

Algumas rochas utilizadas na produção de fertilizantes contêm impurezas de baixa solubilidade em água, destacando-se alguns fosfatos de Fe e Al, que poderiam ser aplicados em solos alagados, onde as reações de redução podem aumentar a solubilidade. O objetivo deste trabalho foi estudar a liberação do P de fertilizantes contendo impurezas de fosfatos de Fe com baixa solubilidade em água em diferentes solos de várzea do Rio Grande do Sul (RS) sob condições de alagamento. Para realização do experimento foram utilizados seis solos de várzea (dois Gleisssolos, dois Planossolos e dois Chernossolos) de diferentes locais do Estado do Rio Grande do Sul, os quais foram acondicionados em vasos plásticos de 8 L. Cada solo recebeu duas fontes de P (superfosfato simples e superfosfato simples com resíduos de Fe) e uma testemunha sem adição de P, com três repetições. Nos tratamentos com P foram adicionados ao solo 100 mg kg-1 P no solo. Os solos foram alagados e mantidos, em delineamento inteiramente casualizado e três repetições, com uma lâmina de água de 5 cm de altura acima de sua superfície. A solução do solo foi coletada semanalmente, sendo medidos imediatamente o pH e o potencial redox (Eh); posteriormente, procedeu-se, em laboratório, à determinação dos teores de P e Fe. Os resultados mostram redução do Eh e aumento do pH e dos teores de Fe e P em solução para todos os solos. O teor de P na solução não diferiu quanto à fonte, mostrando que o superfosfato simples com impurezas de fosfato de Fe tem potencial de uso em solos de várzea do Rio Grande do Sul cultivados com arroz irrigado por alagamento, mesmo sem a solubilidade em água prevista na legislação brasileira.

In vivo over-expression of interleukin-10 increases resistance to focal brain ischemia in mice.

Early studies showed that the administration of the anti-inflammatory cytokine interleukin-10 (IL10) protects against permanent middle cerebral artery occlusion (MCAO) in mice. In this study, transgenic mice expressing murine IL10 (IL10T) directed by the major histocompatibility complex Ea promoter were produced and used to explore the effect of chronically increased IL10 levels on MCAO-related molecular mechanisms. IL10 was over-expressed in astrocytes, microglia, and endothelial brain cells in IL10T compared with wild type mice. Four days following MCAO, IL10T mice showed a 40% reduction in infarct size which was associated to significantly reduced levels of active caspase 3 compared with wild type mice. Under basal conditions, anti-inflammatory factors such as nerve growth factor and GSH were up-regulated and the pro-inflammatory cytokine IL1beta was down-regulated in the brain of IL10T animals. In addition, these mice displayed increased basal GSH levels in microglial and endothelial cells as well as a marked increase in manganese superoxide dismutase in endothelial lining blood vessels. Following ischemia, IL10T mice showed a marked reduction in pro-inflammatory cytokines, including tumor necrosis factor-alpha, interferon-gamma, and IL1beta. Our data indicate that constitutive IL10 over-expression is associated with a striking resistance to cerebral ischemia that may be attributed to changes in the basal redox properties of glial/endothelial cells.

Major environmental change and bonebed genesis prior to the Triassic-Jurassic mass extinction

We present new geochemical and sedimentological data from marginal marine strata of Penarth Bay, south Wales (UK) to elucidate the origin of widespread but enigmatic concentrations of vertebrate hard parts (bonebeds) in marine successions of Rhaetian age (late Triassic). Sedimentological evidence shows that the phosphatic constituents of the bonebeds were subjected to intense phosphatization in shallow current-dominated settings and subsequently reworked and transported basinward by storms. Interbedded organic-rich strata deposited under quiescent and poorly oxygenated conditions record enhanced phosphorus regeneration from sedimentary organic matter into the water column and probably provided the main source of phosphate required for heavy bonebed clast phosphatization. The stratigraphically limited interval showing evidence for oxygen depletion and accelerated P-cycling coincides with a negative 4% organic carbon isotope excursion, which possibly reflects supra-regional changes in carbon cycling and clearly predates the 'initial isotope excursion' characterizing many Triassic-Jurassic boundary strata. our data indicate that Rhaetian bonebeds are the lithological signature of profound, climatically driven changes in carbon cycling and redox conditions and support the idea of a multi-pulsed environmental crisis at the end of the Triassic, possibly linked to successive episodes of igneous activity in the central Atlantic Magmatic Province.

Methane efflux in rice paddy field under different irrigation managements

Paddy rice fields may contribute to methane (CH4) emission from soil due to anaerobic conditions after flooding. Alternatives to continuous flooding irrigation in rice have been developed to mitigate CH4 efflux into the atmosphere. This study aims to investigate the effects of irrigation managements in the CH4 efflux during the rice growing season. An experiment was carried out at in Santa Maria, Rio Grande do Sul State, Brazil, during 2007/08 and 2009/10 growing seasons. The treatments were continuous flooding and intermittent irrigation in 2007/08 and continuous flooding, intermittent irrigation and flush irrigation in 2009/10. Intermittent irrigation is effective in mitigating CH4 efflux from rice fields when climatic conditions enable water absence during cultivation, but its efficiency depends on the electrochemical soil conditions during the flooding cycles.

Manganese accumulation and its relation to "eucalyptus shoot blight in the Vale do Rio Doce"

Eucalyptus Shoot Blight in the Vale do Rio Doce (ESBVRD) is an anomaly that leads to reduced growth and, in more extreme cases, to death of eucalyptus plants. Initially diagnosed in plantations in the region of the Vale do Rio Doce, in the State of Minas Gerais, Brazil, this problem has also been found in plantations in other regions of the country and even in other countries. Although the symptoms of this anomaly are well-known, its causes are not yet understood. The aim of this study was to evaluate the cause-effect relationship between accumulation of manganese (Mn) in eucalyptus clones and ESBVRD. Characterization of the environment in areas of greater occurrence of this problem in regard to soil, climate and fluctuation of the water table was undertaken in eucalyptus plantations of the Celulose Nipo-brasileira S.A. (Cenibra) company in the region of the Vale do Rio Doce. Plant tissues were sampled in two situations. In the first situation, diagnosis occurred in the initial phase of the anomaly in clones with differentiated tolerance to the problem; in the second situation, diagnosis was made in a single clone, considered to be sensitive, in two time periods - in the phase with the strong presence of symptoms and in the recovery phase, in areas of occurrence and in areas of escape from the problem. The most ESBVRD-sensitive clone showed much higher (4.8 times higher) leaf Mn contents than more tolerant clones. In plants with the anomaly, Mn leaf contents were greater than 3,070 mg kg-1, much greater than the quantity found in those without the anomaly (734 mg kg-1). In the period in which the symptoms began to wane, there was a sharp decline in leaf Mn contents, from 2,194 to 847 mg kg-1. Manganese content in the above ground part and plant litter (44.4 g ha-1) in the area of occurrence of the anomaly was three times greater than that found in these same components (14.1 g ha-1) in the area of absence of the symptom. Based on the evidence found, such as the existence of environmental conditions favorable to high Mn availability to the plants in the areas of greatest incidence of ESBVRD, greater uptake of Mn in sensitive clones and in plants with symptoms, and a synchronism between the intensity of symptoms of ESBVRD and leaf Mn contents, it may be inferred that temporary excess of Mn in eucalyptus plants is closely related to ESBVRD.

Glutathione precursor N-acetyl-cysteine modulates EEG synchronization in schizophrenia patients: a double-blind, randomized, placebo-controlled trial.

Glutathione (GSH) dysregulation at the gene, protein, and functional levels has been observed in schizophrenia patients. Together with disease-like anomalies in GSH deficit experimental models, it suggests that such redox dysregulation can play a critical role in altering neural connectivity and synchronization, and thus possibly causing schizophrenia symptoms. To determine whether increased GSH levels would modulate EEG synchronization, N-acetyl-cysteine (NAC), a glutathione precursor, was administered to patients in a randomized, double-blind, crossover protocol for 60 days, followed by placebo for another 60 days (or vice versa). We analyzed whole-head topography of the multivariate phase synchronization (MPS) for 128-channel resting-state EEGs that were recorded at the onset, at the point of crossover, and at the end of the protocol. In this proof of concept study, the treatment with NAC significantly increased MPS compared to placebo over the left parieto-temporal, the right temporal, and the bilateral prefrontal regions. These changes were robust both at the group and at the individual level. Although MPS increase was observed in the absence of clinical improvement at a group level, it correlated with individual change estimated by Liddle's disorganization scale. Therefore, significant changes in EEG synchronization induced by NAC administration may precede clinically detectable improvement, highlighting its possible utility as a biomarker of treatment efficacy. TRIAL REGISTRATION: ClinicalTrials.gov NCT01506765.

ALTERAÇÕES ELETROQUÍMICAS E DINÂMICA DE NUTRIENTES NA SOLUÇÃO DO SOLO EM ARROZ IRRIGADO COM LIXIVIADO INDUSTRIAL TRATADO

A utilização de efluentes industriais tratados na irrigação do arroz por alagamento pode provocar alterações eletroquímicas e aumentar o teor de nutrientes na solução do solo. Para testar essa hipótese, este trabalho teve por objetivo avaliar a dinâmica dos atributos químicos e eletroquímicos da solução do solo sob cultivo de arroz irrigado com lixiviado industrial tratado, contendo 820 mg L-1 de Na. O experimento foi conduzido em casa de vegetação, utilizando-se como unidades experimentais vasos preenchidos com 20 kg de solo, em delineamento experimental em blocos casualizados, com três repetições. Os tratamentos foram: controle (irrigação com água destilada) e quatro proporções do lixiviado (25, 50, 75 e 100 %). As coletas de solução do solo foram feitas semanalmente a partir do quarto dia após o início do alagamento (DAA) até 84 DAA. A solução do solo foi amostrada na profundidade de 10 cm e analisada para os principais nutrientes e o Na, bem como para a demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), relação de adsorção de sódio (RAS), condutividade elétrica (CE) e potencial redox (EH). A irrigação com o lixiviado aumentou os teores de K, Ca, Mg, S, P, N-NH+4, N-NO−3 e Na, assim como os valores de RAS e CE, para valores considerados prejudiciais para as plantas. Foi observada diminuição do potencial redox na solução do solo pela irrigação com lixiviado industrial tratado. Os teores de DBO5 e o N-NH+4 diminuíram com o tempo de alagamento. Em proporções menores que 25 %, o lixiviado industrial tratado pode aumentar os teores de nutrientes em solução sem causar interferência do Na para as plantas.

Influência da Matéria Orgânica no Diâmetro Médio de Minerais da Fração Argila de Solos Desenvolvidos de Basalto no Sul do Brasil

RESUMO A interação de compostos orgânicos com minerais de argila pode alterar o tamanho dos cristais. No entanto, em solos, esse efeito é ainda pouco claro por causa das limitações na separação de fases puras de minerais para realizar experimentos de dissolução. Neste estudo, a relação entre a matéria orgânica do solo (MOS) e diâmetro médio do cristal (DMC) de minerais de argila de horizontes superficiais e subsuperfíciais de solos de uma topossequência no sul do Brasil foi avaliada. Os teores de C e N foram determinados, e a natureza dos grupos funcionais da MOS foi avaliada por espectroscopia de FTIR. O DMC dos minerais foi avaliado por difração de raios X, em umas amostras desferrificadas e outras com óxidos de Fe concentrados. Os teores de C e N e as intensidades relativas dos espectros de FTIR foram considerados como variáveis preditoras; e o DMC de hematita, goethita, caulinita e gibbsita, como variáveis preditas. Os teores de C e N e os grupos carboxílicos e C-O-Alquil evidenciaram efeito significativo sobre a variação do DMC. A dimensão dos cristais de óxidos de Fe e de caulinita foi inversamente correlacionada com esses atributos da MOS. Em contraste, o DMC de gibbsita não foi influenciado pelos atributos dae MOS. A influência da MOS sobre o DMC dos óxidos de Fe foi atribuída às reações de complexação de superfície e de redox, que promovem um processo contínuo de dissolução-precipitação.

Genetic vulnerability factor for schizophrenia: association with glutamate cysteine ligase modifier gene and abnormal enzyme activity

Background: We previously reported in schizophrenia patients a decreased level of glutathione ([GSH]), the principal non-protein antioxidant and redox regulator, both in cerebrospinal-fluid and prefrontal cortex. To identify possible genetic causation, we studied genes involved in GSH metabolism. Methods: Genotyping: mass spectrometry analysis of polymerase chain reaction (PCR) amplified DNA fragments purified from peripheral blood. Gene expression: real-time PCR of total RNA isolated from fibroblast cultures derived from skin of patients (DSM-IV) and healthy controls (DIGS). Results: Case-control association study of single nucleotide polymorphisms (SNP) from the GSH key synthesizing enzyme glutamate-cysteine-ligase (GCL) modifier subunit (GCLM) was performed in two populations: Swiss (patients/controls: 40/31) and Danish (349/348). We found a strong association of SNP rs2301022 in GCLM gene (Danish: c2=3.2; P=0.001 after correction for multiple testing). Evidence for GCLM as a risk factor was confirmed in linkage study of NIMH families. Moreover, we observed a decrease in GCLM mRNA levels in patient fibroblasts, consistently with the association study. Interestingly, Dalton and collaborators reported in GCLM knock-out mice an increased feedback inhibition of GCL activity, resulting in 60% decrease of brain [GSH], a situation analogous to patients. These mice also exhibited an increased sensitivity to oxidative stress. Similarly, under oxidative stress conditions, GCL enzymatic activity was also decreased in patient fibroblasts. Conclusions: These results at the genetic and functional levels, combined with observations that GSH deficient models reveal morphological, electrophysiological, and behavioral anomalies analogous to those observed in patients, suggest that GCLM allelic variant is a vulnerability factor for schizophrenia.

The role of oxidative stress during inflammatory processes.

Abstract The production of various reactive oxidant species in excess of endogenous antioxidant defense mechanisms promotes the development of a state of oxidative stress, with significant biological consequences. In recent years, evidence has emerged that oxidative stress plays a crucial role in the development and perpetuation of inflammation, and thus contributes to the pathophysiology of a number of debilitating illnesses, such as cardiovascular diseases, diabetes, cancer, or neurodegenerative processes. Oxidants affect all stages of the inflammatory response, including the release by damaged tissues of molecules acting as endogenous danger signals, their sensing by innate immune receptors from the Toll-like (TLRs) and the NOD-like (NLRs) families, and the activation of signaling pathways initiating the adaptive cellular response to such signals. In this article, after summarizing the basic aspects of redox biology and inflammation, we review in detail the current knowledge on the fundamental connections between oxidative stress and inflammatory processes, with a special emphasis on the danger molecule high-mobility group box-1, the TLRs, the NLRP-3 receptor, and the inflammasome, as well as the transcription factor nuclear factor-κB.

Circadian control of tissue homeostasis and adult stem cells.

The circadian timekeeping mechanism adapts physiology to the 24-hour light/dark cycle. However, how the outputs of the circadian clock in different peripheral tissues communicate and synchronize each other is still not fully understood. The circadian clock has been implicated in the regulation of numerous processes, including metabolism, the cell cycle, cell differentiation, immune responses, redox homeostasis, and tissue repair. Accordingly, perturbation of the machinery that generates circadian rhythms is associated with metabolic disorders, premature ageing, and various diseases including cancer. Importantly, it is now possible to target circadian rhythms through systemic or local delivery of time cues or compounds. Here, we summarize recent findings in peripheral tissues that link the circadian clock machinery to tissue-specific functions and diseases.

Characterization of surface functional groups present on laboratory-generated and ambient aerosol particles by means of heterogeneous titration reactions

A Knudsen flow reactor has been used to quantify surface functional groups on aerosols collected in the field. This technique is based on a heterogeneous titration reaction between a probe gas and a specific functional group on the particle surface. In the first part of this work, the reactivity of different probe gases on laboratory-generated aerosols (limonene SOA, Pb(NO3)2, Cd(NO3)2) and diesel reference soot (SRM 2975) has been studied. Five probe gases have been selected for the quantitative determination of important functional groups: N(CH3)3 (for the titration of acidic sites), NH2OH (for carbonyl functions), CF3COOH and HCl (for basic sites of different strength), and O3 (for oxidizable groups). The second part describes a field campaign that has been undertaken in several bus depots in Switzerland, where ambient fine and ultrafine particles were collected on suitable filters and quantitatively investigated using the Knudsen flow reactor. Results point to important differences in the surface reactivity of ambient particles, depending on the sampling site and season. The particle surface appears to be multi-functional, with the simultaneous presence of antagonistic functional groups which do not undergo internal chemical reactions, such as acid-base neutralization. Results also indicate that the surface of ambient particles was characterized by a high density of carbonyl functions (reactivity towards NH2OH probe in the range 0.26-6 formal molecular monolayers) and a low density of acidic sites (reactivity towards N(CH3)3 probe in the range 0.01-0.20 formal molecular monolayer). Kinetic parameters point to fast redox reactions (uptake coefficient ?0>10-3 for O3 probe) and slow acid-base reactions (?0<10-4 for N(CH3)3 probe) on the particle surface. [Authors]