Frånluftsåtervinning i ett äldre flerfamiljehus : Hovgården - Borlänge

I detta examensarbete undersöktes möjligheten att installera värmeåtervinningssystem för ett flerfamiljehus i Hovgården som ligger en bit utanför Borlänge. I rapporten redovisas två olika sätt för energibesparingar som är aktuella för att ersätta borttagning av oljepannan som används i huset i dag. En rad svårigheter dök upp under undersökningen för installation av nytt värmesystem. Lämpliga lösningar kunde hittas efter mycket analys. Syftet med rapporten var att undersöka möjligheten och lönsamheten för installation av något av följande system; FVP eller VBX-modul som kan återvinna värme ur frånluften. Undersökningen visade att varken VBX eller FVP kan ersätta oljepannans värmeavgivning på ett tillfredsställande sätt. Med VBX ökas COP från 2,8 till 3,11 vilket leder till 17 MWh/år elbesparing. Däremot FVP kan försörja huset med 59 MWh/år men kan inte täcka effektbehovet för gården under kallaste dagarna. Resultatet blev att de båda undersökta systemen inte har möjlighet att ersätta oljeeldning.

Lågtemperaturuppvärmning med tilluftsradiatorer och värmeåtervinning i frånluft : en varsam renovering av flerbostadshus för energieffektivisering

För att nå reella sänkningar av energianvändningen i hela byggnadsbeståndet krävs tillgång till kostnadseffektiva renoveringspaket med energieffektiva systemlösningar där samspel mellan installationssystem och byggnad beaktas. Denna förstudie belyser möjligheter med alternativa renoveringspaket med lågtemperatur-tilluftsradiatorer och värmeåtervinning i frånluften (FX). Systemkombinationer och jämförelser har gjorts med mera etablerade lösningar med traditionella radiatorer, balanserad mekanisk ventilation (FTX) och solvärme. Mindre prövade lösningar såsom frånluftsmoduler (VBX) kopplat till befintliga värmepumpar och behovsstyrd ventilation undersöktes också. Energianvändning och kostnadseffektivitet med de undersökta åtgärdspaketen prövades för två äldre bostadshus med vardera specifika restriktioner: den ena inom fjärrvärmenätet och det andra ett K-märkt hus utanför fjärrvärmenätet. Samtidigt reflekterades det över vilka tekniska lösningar som samtidigt är gynnsammast ur hållbarhetssynpunkt. För flertalet befintliga byggnader behöver såväl metoder som komponenter utvecklas på ett varsamt sätt som uppfyller båda ägarens krav som övergripande mål baserat på systemförutsättning och kostnadseffektivitet. Förstudien visar att:  lågtemperatur-tilluftsradiatorer är en systemkomponent som möjliggör ökad komfort via förvärmning och filtrering av inkommande ventilationsluft, effektivare värmeproduktion och minskning av värmeförluster i distribution av varmvatten. Renovering med installation av FX-system i kombination med lågtemperatur-tilluftradiatorer är ett alternativ till FTX system som begränsar byggåtgärderna i byggnaden och ger lägre livscykelkostnad  Byggnadsskalets täthet blir avgörande för energinyttan båda med FX- och FTX-system. Förstudien visar att FX-system är fördelaktig i byggnader med dålig lufttäthet  I byggnader med befintligt frånluftssystem kan behovsstyrning av ventilationen vara ett enkelt och kostnadseffektivt sätt att sänka ventilationsförlusterna och spara energi som alternativ till att installera återvinningssystem Förstudien visar klart att energieffektiv renovering kan åstadkommas med val av varsamma metoder som också åstadkommer ökad komfort och systemnytta, utanför såväl som inom fjärrvärmenätet. Samtidigt kan ägarens krav på kostandsnytta nås och byggnaders bevarandekrav uppfyllas. Nu krävs det demonstrationsprojekt för att inte minst sprida kunskap i branschen men också applicering på större bostadsområden.

On processing GPS tracking data of car-movements in Borlänge, Sweden

The advancement of GPS technology enables GPS devices not only to be used as orientation and navigation tools, but also to track travelled routes. GPS tracking data provides essential information for a broad range of urban planning applications such as transportation routing and planning, traffic management and environmental control. This paper describes on processing the data that was collected by tracking the cars of 316 volunteers over a seven-week period. The detailed information is extracted. The processed data is further connected to the underlying road network by means of maps. Geographical maps are applied to check how the car-movements match the road network. The maps capture the complexity of the car-movements in the urban area. The results show that 90% of the trips on the plane match the road network within a tolerance.

Övervakning och pulsad laddning av bly-syra batterier

Arvika som en följd av samtal kring möjligheten att anpassa deras strömpulsbaserade rekonditioneringssystem, utvecklat för större truckbatterier, till att kunna återvinna förlorad kapacitet även i mindre batterier. Idén grundar sig bland annat i att åldring av batterier ofta är en primär begränsning för funktionen hos fristående solcellssystem. Studien, som till stor del är en sammanställning av vetenskapliga artiklar, syftar till att bidra med bättre grundläggande förståelse för hur pulsad laddning verkar på bly-syra batterier och deras elektrokemi. I synnerhet har grundläggande skillnader mellan större öppna batterier och mindre slutna batterier pekats ut, och ett antal parametrar som bestämmer pulsprocessens verkan identifierarats; frekvens, pulsspänning och laddningsgrad. Förhoppningen är att den mer teoretiska sammanställningen i förlängningen skall kunna bidra till att de företag i regionen som arbetar med denna teknik kan optimera funktionen i sina produkter. För att kunna säkra funktionen hos ett batteri så måste man kunna bedöma batteriets hälsotillstånd, och identifiera degradering på ett relativt tidigt stadium. En andra del av förstudien berör därför möjliga tillvägagångsätt att via mätningar på batteriets två poler kunna bestämma dess hälsotillstånd – och framförallt peka på de begränsningar dessa metoder har. Syftet är att bidra med grunden till en eventuell utveckling av ett enkelt batteriövervakningssystem som skall kunna ge användaren en tydlig och tidig signal om att det är dags för service. Sannolikt krävs det att man mäter en kombination av flertalet parametrar för att kunna åstadkomma detta, och i synnerhet blir förutsättningarna bättre om parametrar kan loggas över tid. Sammanfattningsvis diskuteras i mer övergripande och spekulativa ordalag den utmaning som den brokiga samling mindre batteri i många utvecklingsländer innebär. För att trygga funktionen behöver en organisation för batteriservice med kunniga tekniker byggas upp tillsammans med tekniska produkter för exempelvis övervakning.

Ladnaan - att må bra : En utvärdering av ett riktat stöd till somaliska föräldrar i Borlänge Kommun

Folkhälsomyndigheten har finansierat ett samarbetsprojekt mellan Borlänge kommun och Högskolan Dalarna för att anpassa och implementera ett föräldrastödsprogram till somaliska föräldrar, samt att mäta effekten av denna intervention avseende föräldrars och barns psykiska hälsa. Studien började med en explorativ delstudie med syfte att samla kunskap om vad somaliska föräldrar upplever som utmanande i sitt föräldraskap i Sverige, vilket behov av föräldrastöd de behöver samt hur ett sådant stöd ska vara utformat. Studien genomfördes med hjälp av fokusgruppsintervjuer med 23 föräldrar (15 mammor och 8 pappor) boende i Borlänge. Resultatet visade att föräldrarna upplevde en rad utmaningar i sin nya livssituation och i sitt föräldraskap i nya landet. De beskrev skillnader i synsätt på barnuppfostran och föräldraskap mellan hemlandet och Sverige och eftersträvade därför att kulturanpassa sitt föräldraskap. Resultaten från denna studie samt en genomgång av forskning kring föräldrastöd låg till grund för valet av föräldrastödsprogram samt ett samhällsorienterande tillägg till programmet.   Målgrupp för studien var föräldrar med barn i åldrarna 11-16 år och som upplevde stress i sitt föräldraskap. Föräldrarna erbjöds sammanlagt 16 timmars utbildning fördelat på 12 träffar (10 timmar Connect föräldrastöd + 6 timmar samhällsorienterande tillägg). Effekten av föräldrastödet undersöktes genom en randomiserad kontrollerad studie där totalt 120 föräldrar ingick. De preliminära resultaten visar att deltagande föräldrars barn har förbättrats signifikant i subskalorna ”socialt” och ”skola”. Dessutom minskade barnens oro, somatiska problem, sociala problem och brytande av regler.   Föräldrarna var nöjda med interventionen. De upplevde att de fått en ökad kunskap om hur socialtjänstens arbete fungerar och fått förtroende för deras arbete kring barn och unga. Över hälften av föräldrarna upplevde sig mer säkra i sin föräldraroll och att deras relation med barnen hade förbättrats.   Genom en processutvärdering av implementeringen av föräldrastödet har framgångsfaktorer för genomförandet avföräldrastödsprogrammet studerats. Resultatet visade att de olika strategier som vidtagits vid rekrytering av föräldrar och implementering av interventionen har varit lyckade. Exempel på sådana strategier har varit att projektmedarbetarna som rekryterat till föräldrastödet har varit av Somaliskt ursprung, kursen har getts på somaliska men framförallt att föräldrastödet utgick ifrån föräldrarnas upplevda behov.

De anställdas outnyttjade kreativitet : En fallstudie på Ica DE Borlänge

Syftet med examensarbetet var att med utgångspunkt i ett konkret exempel, beskriva hur företag kan organisera verksamheten för att ta till vara på de anställdas outnyttjade kreativitet. Materialet i examensarbetet kan mycket väl tillämpas och användas i andra organisationer än den studerade organisationen Ica DE Borlänge. Dock bör beaktande tas till den specifika kontexten som föreligger vid implementeringen av materialet. Med stöd av den teoretiska referensramen visar resultaten av analysen ett behov av en ny organisationsstruktur med tydliga roller och nya belöningssystem. Den studerade organisationen är en lärande organisation där ett medarbetarengagemang söker främjas. Genom en ny organisationsstruktur med tydliga roller ökar detta medarbetarengagemanget och fler genomförda förbättringar genomförs snabbare, vilket bidrar till att de anställdas outnyttjade kreativitet tillvaratas på ett framgångsrikt sätt. De nya belöningssystemen flyttar fokus till medarbetarengagemanget och förbättringsarbetet, vilket främjar ett genomsyrande Lean-tänkande i organisationen. Belöningssystemen skapar även jämnare produktionsflöden som höjer arbetssäkerheten, ökar produktionskvalitén, minimerar stress samt skapar goda förutsättningar för att beräkna personalbemanningen. Kvalitativa metoder har använts för datainsamlingen. Dessa utfördes genom en förstudie och en fallstudie. Fallstudien bestod utav bakgrundsintervjuer, en intervjustudie samt en observation. Det empiriska materialet visar att organisationen arbetar med ett omfattande förbättringsarbete i alla organisatoriska nivåer. Både chefer och medarbetare har viljan och ambitionen att få till ett framgångsrikt förbättringsarbete, men trots flera års arbete med Lean efterfrågas ändå mer tid, bättre organisationsstruktur samt en sambandskoordinatör med specialistkompetens som driver förbättringsarbetet framåt. Empirin ger en viss indikation på att förbättringsverksamheten har anpassats och organiserats till den befintliga organisationsstrukturen. Förbättringsarbetet torde bli mer framgångsrikt om verksamheten anpassas och organiseras utefter de anställdas outnyttjade kreativitet istället. I summering av slutsatsen åskådliggörs två centrala variabler som kan bidra till långsiktiga framgångar i arbetet med att tillvarata de anställdas outnyttjade kreativitet. En ny organisationsstruktur med tydliga roller som fokuserar på förbättringsarbetet samt nya belöningssystem för inlämnade förbättringsförslag, skulle vara av stor betydelse för ett långsiktigt medarbetarengagemang i en framgångsrik organisation.

Konkurrensutsättningens konsekvenser i skolan : En kartläggning och jämförelse av fristående och kommunala grundskolor i Falun och Borlänge kommun

Välfärdstjänster i Sverige har liksom många andra länder genomgått stora förändringar, vilka började växa fram redan i början på 1980-talet. Idéerna kring dessa förändringar uppkom bland annat på grund av ökade krav på den offentliga sektorns effektivitet. Många ansåg att denna effektivitet skulle kunna uppnås genom att konkurrensutsätta delar av den offentliga sektorn och dess välfärdstjänster. Vad gäller exempelvis skolan, har dessa förändringar resulterat i många privatiseringar av skolor. Skolan är avsedd att ge alla medborgare likvärdig och lika tillgång till utbildning, men tidigare forskning inom området visar att privatiseringen av skolan ökar skillnaderna i dessa avseenden. Dessa samhällsförändringar är relativt nya, och därför krävs fler undersökningar inom området. Denna undersökning avser därför att göra en kartläggning av relevanta delar i fristående och kommunala grundskolor i Falun och Borlänge. Avsikten med detta är att jämföra huruvida det finns skillnader beroende på huvudmannaskap. Undersökningen kartlägger grundskolornas tillgång till kuratorer, skolsköterskor, antal lärare, antal behöriga lärare, antal behöriga lärare i ämnet, specialpedagoger, speciallärare, studie-och yrkesvägledare och skolbibliotekarier. Även om eleverna i vissa fristående grundskolor har större tillgång än eleverna i de kommunala grundskolorna till några av de resurser som har studerats, så visar den totala jämförelsen att eleverna i de kommunala grundskolorna har större tillgång till de viktiga resurser som undersökningen har kartlagt. I och med detta är undersökningens resultat att man kan se skillnad vad gäller tillgång till dessa resurser, beroende skolans form av huvudmannaskap.

Hinder och Drivkrafter : Projekt Branschvis Energieffektivisering

Föreliggande rapport är en del av utvärdering av projektet BEE – Branschvis energieffektivisering. Projektet BEE – Branschvis Energieffektivisering Projektet genomfördes under 2013-2014 i Dalarna och Gävleborgs län. Projektägare var Länsstyrelsen Dalarna i samarbete med Gävle-Dala Energikontor. Projektet finansierades med medel från Energimyndigheten, Region Gävleborg och Länsstyrelsen Dalarna. Samarbete inleddes med små och medelstora industrier (SME) inom följande branscher: sågverk, teknikföretag, träindustrier, kött- och livsmedelsindustrier, alpina skidanläggningar, turisthotell, drivmedelsstationer och livsmedelsbutiker. För varje bransch har projektet anlitat en specialiserad energikonsult som hjälpt företagen med energikartläggningar och gett stöd för planering av åtgärder. 125 företag medverkade i projektet, varav 116 stycken gjorde en heltäckande energikartläggning. Sammanlagt togs mer än 1 750 förslag på åtgärder fram. I projektidén för BEE ingick även att engagera energi- och klimatrådgivarna i genomförandet, för att på så sätt bidra till kompetensutveckling. Syftet med projektet var att fokusera på energikartläggningar och genomförande av åtgärder. Själva energikartläggningarna har inte genomförts med finansiering av projektet, utan som en affärsmässig uppgörelse mellan företagen och vald energikonsult. Syftet med föreliggande rapport är att studera förutsättningar för en implementering av åtgärder för energieffektivisering som framkommit vid de genomförda energikartläggningarna från projekt BEE. Genom intervjuundersökningar och enkätstudier har drivkrafter och hinder studerats för energieffektivisering samt hur företagen arbetar med internt energieffektivisering. Som komplement till detta är även en analys gjord avseende ekonomiska förutsättning för energieffektivisering i de studerande branscherna (se appendix 1). De resultat som presenteras i denna rapport har gjorts med representanter från olika befattningar inom de analyserade industrierna. Alla har gett sin syn på hinder och drivkrafter för energieffektivisering samt hur det interna energieffektiviseringsarbetet fortgår inom deras organisation och hur det kan förbättras. Resultat från intervjuundersökningar och enkätstudier visar bl.a. att inom branscherna teknikföretag, kött- och livsmedelsindustrier, alpina skidanläggningar, drivmedelsstationer, turisthotell och livsmedelsbutiker är kostnadsbesparingar är en av de tre främsta gemensamma drivkraften, samt att brist på investeringskapital eller osäkerhet kring investeringsberäkning anges som ett av de främsta hindren för energieffektivisering. Inom branscherna sågverk och träföretag är beteende och attityder rankat som främsta hindret för energieffektivisering samt stöd från högsta ledningen den största drivkraften för att genomföra energieffektiviseringar. Resultat från studien visar också att projekt BEE bidragit med ytterligare kunskap om möjligheten att energieffektivisera, samt även att projektet har medfört ett mer aktivt energieffektiviseringsarbete inom den egna organisationen.

Smart specialisering inom kunskapsområdet energieffektivt samhällsbyggande

Syftet med rapporten är att utgöra underlag för Dalarnas strategi för smart specialisering inom energiområdet, vilken görs enligt den europeiska modellen framarbetad av Sevilla-plattformen; Regional Forsknings- och Innovationsstrategi (RIS3). Rapporten motsvarar enligt denna modell steg 5 i processen. Rapporten ger svar på om kunskapsområdet Energieffektivt samhällsbyggande kan kvalificera sig för att vara ett prioriterat område för smart specialisering i Dalarna och lämnar förslag på hur en öppen innovationsarena inom kunskapsområdet kan organiseras. Förslag lämnas på roller och funktioner för respektive organisation inom innovationssystemet, däribland Högskolan.  EUs strategi för tillväxt och jobb ”EU 2020 – Smart och hållbar tillväxt för alla” kopplar samman tillväxt och lösningen av samhällsutmaningar. I strategin ingår att styra alla befintliga verktyg i strategins riktning, vilket innebär skärpta krav på att jobba enligt strategin om man vill komma åt stöd från olika finansiella program. EUs flaggskepp ”Innovationsunionen” framhåller att konkurrenskraft och tillväxt är beroende av innovation inom produkter, tjänster, handel och samhällsmässiga processer och modeller. För att lyckas med detta behöver varje europeisk region analysera och fokusera på sina starkaste områden. EUs program för forskning och innovation Horizon 2020 ställer krav på nyttiggörande av forskning och samverkan med omgivande samhälle, varför ökad företagssamverkan behövs. Dalarnas satsning på smart specialisering inom området Energieffektivt samhällsbyggande stöds av såväl nationella som regionala innovationsstrategin, Dalarnas regionala utvecklingsstrategi, Norra Mellansveriges strukturfondsprogram, m fl programskrivningar. Kunskapsområdet energieffektivt samhällsbyggande spänner över ett brett område där allt från energiproduktion och energiöverföring till energins användning ingår. Ordet samhälle i namnet för kunskapsområdet markerar att det omfattar mer än byggande av hus. Det är energieffektiviteten som är den samlande faktorn. En vision för kunskapsområdet finns redan beslutad i Dalarnas energi- och klimatstrategi.  Analysen av spetskompetens visar att det finns förutsättningar att hävda eller utveckla excellens och nå tillväxt inom flera områden inom energieffektivt samhällsbyggande, däribland elöverföring, smarta elnät, energisystem, solenergi, energieffektivt byggande och IT-transportlösningar. Dock saknas i flera fall dokumentation av hur olika verksamheter och spetskompetenser befinner sig i jämförelse med andra. Baserat på analysen konstateras att Energieffektivt samhällsbyggande kvalificerar sig för att vara ett prioriterat område för smart specialisering i Dalarna. I rapporten kartläggs och beskrivs alla aktörer inom kunskapsområdet. Tillsammans täcker de in de flesta delar av energiomställningen och innovationssystemet, uppbackat av ett starkt regionalt ledarskap och Dalarna som Pilotlän för grön utveckling. En ingående funktionsanalys av innovationssystemet inom kunskapsområdet identifierar några brister som föreslås lösas.  Förslag lämnas på alla berörda aktörers roller och funktioner i innovationssystemet, där klustren förväntas ta en nyckelroll i att generera idéflöden och implementera innovationer. Högskolan Dalarna ges en central roll i specialiseringen inom energiområdet och föreslås inneha både ett energikompetenscentrum och ett innovationscenter. En öppen innovationsarena kan skapas av de tre FoI-miljöerna byggande, smarta elnät och IT i transportsektorn. Rapporten föreslår innovationsarenans arbetssätt och verksamhet.

Skogsbränslets elementära sammansättning med tanke på förbränningsprocessen och för näringsämnesförluster i ekosystemet

There are several reasons for increasing the usage of forest biomass for energy in Finland. Apart from the fact that forest biomass is a CO2 -neutral energy source, it is also a domestic resource distributed throughout the country. Usage of forest biomass in the form of logging residues decreases Finland’s dependence of energy import and increases both incomes and employment. Wood chips are mainly made from logging residues, which constitute 64 % of the raw material. A large-scale use of forest biomass requires heed also to the potential negative aspects. Forest bioenergy is used extensively, but its impacts on the forests soil nutrition and carbon balance has not been studied much. Nor have there been many studies on the heavy metal or chlorine content of logging residues. The goal of this study was to examine the content of carbon, macronutrients, heavy metals and other for the combustion harmful substances in Scots pine and Norway spruce wood chips, and to estimate the effect of harvesting of logging residues on the forests carbon and nutrient balance. Another goal was to examine the energy content of the clear cut remains. The Wood chips for this study were gathered from pine and spruce dominated clear cut sites in southern Finland, in the costal forests between Hankoo and Siuntio. The number of sample locations were 29, and the average area was 3,15 ha and the average timber volume 212,6 m3 ha -1. The average logged timber volume was for Scots pine timber 70 m3 ha -1 and for Norway spruce timber 124 m3 ha -1 and for deciduous timber (birch and alder) 18,5 m3 ha -1. The proportion of spruce in the logging residues and the stand-volume were relevant for how much nutrients were taken from the forest ecosystem when harvesting logging residues. In this study it was noted that the nutrient content of the logging residues clearly increased when the percentage of spruce in the timber volume increased. The S, K, Na and Cl -contents in the logging residues in this study increased with an increasing percentage of spruce, which is probably due to the fact that the spruce is an effective collector of atmospheric dry-deposition. The amounts of nutrients that were lost when harvesting logging residues were less than those referred to in the literature. Within a circulation period (100 years), the forest soil gets substantially more nutrients from atmospheric deposition, litter fall and weathering than is lost through harvesting of logging residues after a clear cut. Harvesting of the logging residues makes for a relatively modest increase of the quantity of carbon that is removed from the forest compared to traditional forestry. Due to the fact that the clear cut remains in my study showed a high content of chlorine, there is a risk of corrosion in connection to the incineration of the logging residues in power plants especially at coastal areas/forests. The risk of sulphur -related corrosion is probably rather small, because S concentrations are relatively low in woodchips. The clear cut remains showed rather high heavy metal contents. If the heavy metal contents in this study are representative for the clear cut remains in the coastal forests generally, there might be reason to exert some caution when using the ash for forest fertilizing purposes.

Noncommutativity and Some of Its Present-Day Developments

This masters thesis explores some of the most recent developments in noncommutative quantum field theory. This old theme, first suggested by Heisenberg in the late 1940s, has had a renaissance during the last decade due to the firmly held belief that space-time becomes noncommutative at small distances and also due to the discovery that string theory in a background field gives rise to noncommutative field theory as an effective low energy limit. This has led to interesting attempts to create a noncommutative standard model, a noncommutative minimal supersymmetric standard model, noncommutative gravity theories etc. This thesis reviews themes and problems like those of UV/IR mixing, charge quantization, how to deal with the non-commutative symmetries, how to solve the Seiberg-Witten map, its connection to fluid mechanics and the problem of constructing general coordinate transformations to obtain a theory of noncommutative gravity. An emphasis has been put on presenting both the group theoretical results and the string theoretical ones, so that a comparison of the two can be made.

Redox-linked proton transfer by cytochrome c oxidase

The respiratory chain is found in the inner mitochondrial membrane of higher organisms and in the plasma membrane of many bacteria. It consists of several membrane-spanning enzymes, which conserve the energy that is liberated from the degradation of food molecules as an electrochemical proton gradient across the membrane. The proton gradient can later be utilized by the cell for different energy requiring processes, e.g. ATP production, cellular motion or active transport of ions. The difference in proton concentration between the two sides of the membrane is a result of the translocation of protons by the enzymes of the respiratory chain, from the negatively charged (N-side) to the positively charged side (P-side) of the lipid bilayer, against the proton concentration gradient. The endergonic proton transfer is driven by the flow of electrons through the enzymes of the respiratory chain, from low redox-potential electron donors to acceptors of higher potential, and ultimately to oxygen. Cytochrome c oxidase is the last enzyme in the respiratory chain and catalyzes the reduction of dioxygen to water. The redox reaction is coupled to proton transport across the membrane by a yet unresolved mechanism. Cytochrome c oxidase has two proton-conducting pathways through which protons are taken up to the interior part of the enzyme from the N-side of the membrane. The K-pathway transfers merely substrate protons, which are consumed in the process of water formation at the catalytic site. The D-pathway transfers both substrate protons and protons that are pumped to the P-side of the membrane. This thesis focuses on the role of two conserved amino acids in proton translocation by cytochrome c oxidase, glutamate 278 and tryptophan 164. Glu278 is located at the end of the D-pathway and is thought to constitute the branching point for substrate and pumped protons. In this work, it was shown that although Glu278 has an important role in the proton transfer mechanism, its presence is not an obligatory requirement. Alternative structural solutions in the area around Glu278, much like the ones present in some distantly related heme-copper oxidases, could in the absence of Glu278 support the formation of a long hydrogen-bonded water chain through which proton transfer from the D-pathway to the catalytic site is possible. The other studied amino acid, Trp164, is hydrogen bonded to the ∆-propionate of heme a3 of the catalytic site. Mutation of this amino acid showed that it may be involved in regulation of proton access to a proton acceptor, a pump site, from which the proton later is expelled to the P-side of the membrane. The ion pair that is formed by the ∆-propionate of heme a3 and arginine 473 is likely to form a gate-like structure, which regulates proton mobility to the P-side of the membrane. The same gate may also be part of an exit path through which water molecules produced at the catalytically active site are removed towards the external side of the membrane. Time-resolved optical and electrometrical experiments with the Trp164 to phenylalanine mutant revealed a so far undetected step in the proton pumping mechanism. During the A to PR transition of the catalytic cycle, a proton is transferred from Glu278 to the pump site, located somewhere in the vicinity of the ∆-propionate of heme a3. A mechanism for proton pumping by cytochrome c oxidase is proposed on the basis of the presented results and the mechanism is discussed in relation to some relevant experimental data. A common proton pumping mechanism for all members of the heme-copper oxidase family is moreover considered.

Theoretical Studies on Coupled Electron and Proton Transfer in Cytochrome c Oxidase

The complexity of life is based on an effective energy transduction machinery, which has evolved during the last 3.5 billion years. In aerobic life, the utilization of the high oxidizing potential of molecular oxygen powers this machinery. Oxygen is safely reduced by a membrane bound enzyme, cytochrome c oxidase (CcO), to produce an electrochemical proton gradient over the mitochondrial or bacterial membrane. This gradient is used for energy-requiring reactions such as synthesis of ATP by F0F1-ATPase and active transport. In this thesis, the molecular mechanism by which CcO couples the oxygen reduction chemistry to proton-pumping has been studied by theoretical computer simulations. By building both classical and quantum mechanical model systems based on the X-ray structure of CcO from Bos taurus, the dynamics and energetics of the system were studied in different intermediate states of the enzyme. As a result of this work, a mechanism was suggested by which CcO can prevent protons from leaking backwards in proton-pumping. The use and activation of two proton conducting channels were also enlightened together with a mechanism by which CcO sorts the chemical protons from pumped protons. The latter problem is referred to as the gating mechanism of CcO, and has remained a challenge in the bioenergetics field for more than three decades. Furthermore, a new method for deriving charge parameters for classical simulations of complex metalloenzymes was developed.

The viral coat protein is regulated by HSP70 and HSP40 in Potato virus A infection

Plus-stranded (plus) RNA viruses multiply within a cellular environment as tightly integrated units and rely on the genetic information carried within their genomes for multiplication and, hence, persistence. The minimal genomes of plus RNA viruses are unable to encode the molecular machineries that are required for virus multiplication. This sets requisites for the virus, which must form compatible interactions with host components during multiplication to successfully utilize primary metabolites as building blocks or metabolic energy, and to divert the protein synthesis machinery for production of viral proteins. In fact, the emerging picture of a virus-infected cell displays tight integration with the virus, from simple host and virus protein interactions through to major changes in the physiological state of the host cell. This study set out to develop a method for the identification of host components, mainly host proteins, that interact with proteins of Potato virus A (PVA; Potyvirus) during infection. This goal was approached by developing affinity-tag based methods for the purification of viral proteins complexed with associated host proteins from infected plants. Using this method, host membrane-associated viral ribonucleoprotein (RNP) complexes were obtained, and several host and viral proteins could be identified as components of these complexes. One of the host proteins identified using this strategy was a member of the heat shock protein 70 (HSP70) family, and this protein was chosen for further analysis. To enable the analysis of viral gene expression, a second method was developed based on Agrobacterium-mediated virus genome delivery into plant cells, and detection of virally expressed Renilla luciferase (RLUC) as a quantitative measure of viral gene expression. Using this method, it was observed that down-regulation of HSP70 caused a PVA coat protein (CP)-mediated defect associated with replication. Further experimentation suggested that CP can inhibit viral gene expression and that a distinct translational activity coupled to replication, referred to as replication-associated translation (RAT), exists. Unlike translation of replication-deficient viral RNA, RAT was dependent on HSP70 and its co-chaperone CPIP. HSP70 and CPIP together regulated CP turnover by promoting its modification by ubiquitin. Based on these results, an HSP70 and CPIP-driven mechanism that functions to regulate CP during viral RNA replication and/or translation is proposed, possibly to prevent premature particle assembly caused by CP association with viral RNA.