Desarrollo de un sistema portátil de monitorización personal

Un sistema de monitorización personal está pensado para mantener un control constante de ciertos parámetros vitales, de forma que se pueda realizar un registro de los mismos o generar algún tipo de alarma si se salen fuera de sus parámetros habituales o alcanzan cotas de riesgo. En este aspecto, se convierten en una opción cada vez más atractiva cuanto menos invasivos son, de forma que el objetivo es conseguir un sistema que monitorice al paciente sin entorpecer sus acciones cotidianas. Por este motivo, los dispositivos wearables son una buena opción. Un reloj, un colgante o una pulsera son elementos que llevan muchas personas, y por tanto, susceptibles de incorporar un procesador y algunos sensores que realicen las medidas. En este Trabajo de Fin de Grado se pretende realizar un prototipo sencillo de un sistema de monitorización personal que ilustre el funcionamiento de una red de área personal (WBAN) a partir de una plataforma de desarrollo preexistente. La plataforma en cuestión es el eZ430-Chronos de Texas Instruments, un System on Chip que incorpora sensores de aceleración, temperatura y presión. El System on Chip se encapsula en la forma de un reloj de pulsera. Además, se dispone de una banda, fabricada por BM innovations, que permite medir el ritmo cardíaco. En primer lugar se hará un análisis del sistema disponible, por un lado de la arquitectura hardware y firmware del dispositivo, y por otro lado de la arquitectura del software del cliente para PC. El firmware disponible en un principio permite únicamente la captura y registro de algunos parámetros del entorno, así como de las pulsaciones. Adicionalmente, el eZ430-Chronos dispone de un cliente para PC que le permite descargar los datos almacenados en la memoria flash al PC, así como configurar ciertos valores. En una segunda fase, se modificará el firmware para convertirlo en un sistema de monitorización personal, en el que se le retira al usuario la capacidad de control sobre la ejecución y se automatizan los procesos de adquisición y descarga de datos. Además, se creará una aplicación para PC que tenga la misma funcionalidad que el software original, aparte de incluir algunas características adicionales.

Metodología para la gestión integral de las presas de laminación de avenidas y su aplicación a la cuenca hidrográfica del Segura

En el levante español se producen periódicamente intensos aguaceros (gota fría), que generan grandes riadas, desbordándose los cauces y asolando los campos y las ciudades, ocasionando graves daños en la economía local y con frecuencia, por desgracia, víctimas personales. La Confederación Hidrográfica del Segura ha puesto en marcha un vasto sistema de protección, conocido como Plan de Defensa contra Avenidas, del que ya se encuentran en explotación un conjunto de presas cuyo objetivo prioritario es la laminación de las avenidas. Las presas de laminación ubicadas en esta área mediterránea son estructuras muy singulares, al estar ubicadas en cuencas extremadamente secas, con alta pendiente, rápida respuesta, picos altos de caudal, y gran poder erosivo del flujo. Las aguas arrastran en suspensión un alto porcentaje de aporte sólido y flotantes, que quedan retenidos en el embalse, aterrándolo e inutilizando los desagües. En esta tesis doctoral se analizan los criterios de actuación para la gestión de estas presas de laminación, con objeto de que se puedan introducir en las Normas de Explotación innovaciones destinadas a mejorar la eficiencia del conjunto, de manera que se consiga la máxima protección posible y al mismo tiempo se puedan aprovechar las aguas, sin menoscabo de su objetivo prioritario, para otros fines complementarios. Como consecuencia del trabajo realizado se indica la conveniencia de establecer un conjunto de normas de actuación comunes a todas las presas del sistema, como es la estrategia de recibir siempre a los hidrogramas de la riada con las compuertas de los desagües de fondo cerrados, o la conveniencia de que en todas las presas se dispongan compuertas en estos órganos. También se dictan recomendaciones en la gestión del vaciado, para conseguir el máximo aprovechamiento del agua, introduciendo el concepto innovador de los trasvases virtuales. Asimismo, se analiza la conveniencia de fijar normas diferenciales específicas atendiendo a las peculiaridades de cada presa, en cuanto se refiere al nivel máximo de explotación, al cumplimiento de los condicionantes ambientales, al mantenimiento de la calidad del agua, y a otros aspectos singulares que caracterizan a cada uno de estos embalses. The Spanish Mediterranean region hydrology is characterised by low rainfall, but concentrated in extreme convective events. Those heavy rains and storms lead to large, flash-floods which cause devastation of fields, villages and, unfortunately, loss of lives. Segura River Basin Authority has developed an ambitious plan for flood protection and control that is constituted by a system of flood protection dams, river channelling, river diversions diversions and levees. Flood protection dams placed on this area, are distinct structures, as they are located on extremely dry basins, with high slopes and limited vegetal covering. These facts, along with the very high rainfall intensity, are determinants of a rapid response and a very erosive flow. The flow transports a large rate of solids in suspension, and also debris, which many times block and clog the outlets intakes, disabling them. In such a case, the dam would be inoperative, in an emergency state and remedial measures should be taken. This PhD thesis analyses the flood protection dams operation criteria, for providing managers a methodology to analyse each individual case and also the flood protection system as a whole. Additionally practical rules and recommendations, to cope with the objectives of dam safety, flood protection and water resources use, are given. The rules consider the specific differences and risks that may be faced by the dams. To that end, they were grouped, depending on their characteristics: allowance for permanent water storage, environmental restrictions, water quality, geotechnical problems, type of structure, etc. As a result of this research, it is recommended to design these dams with valves for regulating the bottom outlets. The availability of valves is linked with the routing strategy of receiving flood with the outlets closed. This has been shown as the best measure to prevent clogging and opens the possibility of storing temporarily the water, making then a scheduled emptying of the reservoir, which could be computed as a virtual transfer to the regulating dams. Emptying should be done in accordance with the situation of the other dams of the system and of the rivers downstream. This detention time would make possible also the beginning of the sedimentation process which is necessary for using the water with the modern irrigation systems that are in use in this area.

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Generalized optoelectronic model of series-connected multijunction solar cells

The emission of light from each junction in a series-connected multijunction solar cell both complicates and elucidates the understanding of its performance under arbitrary conditions. Bringing together many recent advances in this understanding, we present a general 1-D model to describe luminescent coupling that arises from both voltage-driven electroluminescence and voltage-independent photoluminescence in nonideal junctions that include effects such as Sah-Noyce-Shockley (SNS) recombination with n ≠ 2, Auger recombination, shunt resistance, reverse-bias breakdown, series resistance, and significant dark area losses. The individual junction voltages and currents are experimentally determined from measured optical and electrical inputs and outputs of the device within the context of the model to fit parameters that describe the devices performance under arbitrary input conditions. Techniques to experimentally fit the model are demonstrated for a four-junction inverted metamorphic solar cell, and the predictions of the model are compared with concentrator flash measurements.

Quadruple-junction inverted metamorphic concentrator devices

We present results for quadruple-junction inverted metamorphic (4J-IMM) devices under the concentrated direct spectrum and analyze the present limitations to performance. The devices integrate lattice-matched subcells with rear heterojunctions, as well as lattice-mismatched subcells with low threading dislocation density. To interconnect the subcells, thermally stable lattice-matched tunnel junctions are used, as well as a metamorphic GaAsSb/GaInAs tunnel junction between the lattice-mismatched subcells. A broadband antireflection coating is used, as well as a front metal grid designed for high concentration operation. The best device has a peak efficiency of (43.8 ± 2.2)% at 327-sun concentration, as measured with a spectrally adjustable flash simulator, and maintains an efficiency of (42.9 ± 2.1)% at 869 suns, which is the highest concentration measured. The V_oc increases from 3.445 V at 1-sun to 4.10 V at 327-sun concentration, which indicates high material quality in all of the subcells. The subcell voltages are analyzed using optical modeling, and the present device limitations and pathways to improvement are discussed. Although further improvements are possible, the 4J-IMM structure is clearly capable of very high efficiency at concentration, despite the complications arising from utilizing lattice-mismatched subcells.

Evaluation of the PV cell operation temperature in the process of fast switching to open-circuit mode

A procedure for measuring the overheating temperature (ΔT ) of a p-n junction area in the structure of photovoltaic (PV) cells converting laser or solar radiations relative to the ambient temperature has been proposed for the conditions of connecting to an electric load. The basis of the procedure is the measurement of the open-circuit voltage (VO C ) during the initial time period after the fast disconnection of the external resistive load. The simultaneous temperature control on an external heated part of a PV module gives the means for determining the value of VO C at ambient temperature. Comparing it with that measured after switching OFF the load makes the calculation of ΔT possible. Calibration data on the VO C = f(T ) dependences for single-junction AlGaAs/GaAs and triple-junction InGaP/GaAs/Ge PV cells are presented. The temperature dynamics in the PV cells has been determined under flash illumination and during fast commutation of the load. Temperature measurements were taken in two cases: converting continuous laser power by single-junction cells and converting solar power by triple-junction cells operating in the concentrator modules.

The N-terminal domain of PsaF: Precise recognition site for binding and fast electron transfer from cytochrome c6 and plastocyanin to photosystem I of Chlamydomonas reinhardtii

The PsaF-deficient mutant 3bF of Chlamydomonas reinhardtii was used to modify PsaF by nuclear transformation and site-directed mutagenesis. Four lysine residues in the N-terminal domain of PsaF, which have been postulated to form the positively charged face of a putative amphipathic α-helical structure were altered to K12P, K16Q, K23Q, and K30Q. The interactions between plastocyanin (pc) or cytochrome c6 (cyt c6) and photosystem I (PSI) isolated from wild type and the different mutants were analyzed using crosslinking techniques and flash absorption spectroscopy. The K23Q change drastically affected crosslinking of pc to PSI and electron transfer from pc and cyt c6 to PSI. The corresponding second order rate constants for binding of pc and cyt c6 were reduced by a factor of 13 and 7, respectively. Smaller effects were observed for mutations K16Q and K30Q, whereas in K12P the binding was not changed relative to wild type. None of the mutations affected the half-life of the microsecond electron transfer performed within the intermolecular complex between the donors and PSI. The fact that these single amino acid changes within the N-terminal domain of PsaF have different effects on the electron transfer rate constants and dissociation constants for both electron donors suggests the existence of a rather precise recognition site for pc and cyt c6 that leads to the stabilization of the final electron transfer complex through electrostatic interactions.

Firefly “femmes fatales” acquire defensive steroids (lucibufagins) from their firefly prey

Female fireflies of the genus Photuris, the so-called firefly “femmes fatales,” prey on male fireflies of the genus Photinus. The females are able to entrap the males by faking the flash signal characteristics of the Photinus female. We found that by feeding on Photinus males, Photuris females gain more than nutrients. They also acquire defensive steroidal pyrones called lucibufagins, which are contained in Photinus but which Photuris fireflies are unable to produce on their own. Photuris females that eat Photinus males or lucibufagin are rejected by Phidippus jumping spiders. Lucibufagin itself proved to be a deterrent to such spiders. Field-collected Photuris females contain lucibufagin in varying amounts. The more lucibufagin they contain the more unacceptable they are to Phidippus.

Elucidation of a PTS–Carbohydrate Chemotactic Signal Pathway in Escherichia coli Using a Time-resolved Behavioral Assay

Chemotaxis of Escherichia coli toward phosphotransferase systems (PTSs)–carbohydrates requires phosphoenolpyruvate-dependent PTSs as well as the chemotaxis response regulator CheY and its kinase, CheA. Responses initiated by flash photorelease of a PTS substrates d-glucose and its nonmetabolizable analog methyl α-d-glucopyranoside were measured with 33-ms time resolution using computer-assisted motion analysis. This, together with chemotactic mutants, has allowed us to map out and characterize the PTS chemotactic signal pathway. The responses were absent in mutants lacking the general PTS enzymes EI or HPr, elevated in PTS transport mutants, retarded in mutants lacking CheZ, a catalyst of CheY autodephosphorylation, and severely reduced in mutants with impaired methyl-accepting chemotaxis protein (MCP) signaling activity. Response kinetics were comparable to those triggered by MCP attractant ligands over most of the response range, the most rapid being 11.7 ± 3.1 s−1. The response threshold was <10 nM for glucose. Responses to methyl α-d-glucopyranoside had a higher threshold, commensurate with a lower PTS affinity, but were otherwise kinetically indistinguishable. These facts provide evidence for a single pathway in which the PTS chemotactic signal is relayed rapidly to MCP–CheW–CheA signaling complexes that effect subsequent amplification and slower CheY dephosphorylation. The high sensitivity indicates that this signal is generated by transport-induced dephosphorylation of the PTS rather than phosphoenolpyruvate consumption.

Rapid regulated dense-core vesicle exocytosis requires the CAPS protein

Although many proteins essential for regulated neurotransmitter and peptide hormone secretion have been identified, little is understood about their precise roles at specific stages of the multistep pathway of exocytosis. To study the function of CAPS (Ca2+-dependent activator protein for secretion), a protein required for Ca2+-dependent exocytosis of dense-core vesicles, secretory responses in single rat melanotrophs were monitored by patch-clamp membrane capacitance measurements. Flash photolysis of caged Ca2+ elicited biphasic capacitance increases consisting of rapid and slow components with distinct Ca2+ dependencies. A threshold of ≈10 μM Ca2+ was required to trigger the slow component, while the rapid capacitance increase was recorded already at a intracellular Ca2+ activity < 10 μM. Both kinetic membrane capacitance components were abolished by botulinum neurotoxin B or E treatment, suggesting involvement of SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor)-dependent vesicle fusion. The rapid but not the slow component was inhibited by CAPS antibody. These results were further clarified by immunocytochemical studies that revealed that CAPS was present on only a subset of dense-core vesicles. Overall, the results indicate that dense-core vesicle exocytosis in melanotrophs occurs by two parallel pathways. The faster pathway exhibits high sensitivity to Ca2+ and requires the presence of CAPS, which appears to act at a late stage in the secretory pathway.

Physiological astrocytic calcium levels stimulate glutamate release to modulate adjacent neurons

Astrocytes can release glutamate in a calcium-dependent manner and consequently signal to adjacent neurons. Whether this glutamate release pathway is used during physiological signaling or is recruited only under pathophysiological conditions is not well defined. One reason for this lack of understanding is the limited knowledge about the levels of calcium necessary to stimulate glutamate release from astrocytes and about how they compare with the range of physiological calcium levels in these cells. We used flash photolysis to raise internal calcium in astrocytes, while monitoring astrocytic calcium levels and glutamate, which evoked slow inward currents that were recorded electrophysiologically from single neurons grown on microislands of astrocytes. With this approach, we demonstrate that modest changes of astrocytic calcium, from 84 to 140 nM, evoke substantial glutamatergic currents in neighboring neurons (−391 pA), with a Hill coefficient of 2.1 to 2.7. Because the agonists glutamate, norepinephrine, and dopamine all raise calcium in astrocytes to levels exceeding 1.8 μM, these quantitative studies demonstrate that the astrocytic glutamate release pathway is engaged at physiological levels of internal calcium. Consequently, the calcium-dependent release of glutamate from astrocytes functions within an appropriate range of astrocytic calcium levels to be used as a signaling pathway within the functional nervous system.

The effect of recombinant recoverin on the photoresponse of truncated rod photoreceptors

Recoverin is a heterogeneously acylated calcium-binding protein thought to regulate visual transduction. Its effect on the photoresponse was investigated by dialyzing the recombinant protein into truncated salamander rod outer segments. At high Ca2+ (Ca), myristoylated recoverin (Ca-recoverin) prolonged the recovery phase of the bright flash response but had less effect on the dim flash response. The prolongation of recovery had an apparent Kd for Ca of 13 μM and a Hill coefficient of 2. The prolongation was shown to be mediated by inhibition of rhodopsin deactivation. After a sudden imposed drop in Ca concentration, the effect of recoverin switched off with little lag. The myristoyl (C14:0) modification of recoverin increased its activity 12-fold, and the C12:0 or C14:2 acyl group gave similar effects. These experiments support the notion that recoverin mediates Ca-dependent inhibition of rhodopsin phosphorylation and thereby controls light-triggered phosphodiesterase activity, particularly at high light levels.

Photochemical protease: Site-specific photocleavage of hen egg lysozyme and bovine serum albumin

Site-specific photocleavage of hen egg lysozyme and bovine serum albumin (BSA) by N-(l-phenylalanine)-4-(1-pyrene)butyramide (Py-Phe) is reported. Py-Phe binds to lysozyme and BSA with binding constants 2.2 ± 0.3 × 105 M−1 and 6.5 ± 0.4 × 107 M−1, respectively. Photocleavage of lysozyme and BSA was achieved with high specificity when a mixture of protein, Py-Phe, and an electron acceptor, cobalt(III) hexammine (CoHA), was irradiated at 344 nm. Quantum yields of photocleavage of lysozyme and BSA were 0.26 and 0.0021, respectively. No protein cleavage was observed in the absence of Py-Phe, CoHA, or light. N-terminal sequencing of the protein fragments indicated a single cleavage site of lysozyme between Trp-108 and Val-109, whereas the cleavage of BSA was found to be between Leu-346 and Arg-347. Laser flash photolysis studies of a mixture of protein, Py-Phe, and CoHA showed a strong transient with absorption centered at ≈460 nm, corresponding to pyrene cation radical. Quenching of the singlet excited state of Py-Phe by CoHA followed by the reaction of the resulting pyrenyl cation radical with the protein backbone may be responsible for the protein cleavage. The high specificity of photocleavage may be valuable in targeting specific sites of proteins with small molecules.

Circularly permuted green fluorescent proteins engineered to sense Ca2+

To visualize Ca2+-dependent protein–protein interactions in living cells by fluorescence readouts, we used a circularly permuted green fluorescent protein (cpGFP), in which the amino and carboxyl portions had been interchanged and reconnected by a short spacer between the original termini. The cpGFP was fused to calmodulin and its target peptide, M13. The chimeric protein, which we have named “pericam,” was fluorescent and its spectral properties changed reversibly with the amount of Ca2+, probably because of the interaction between calmodulin and M13 leading to an alteration of the environment surrounding the chromophore. Three types of pericam were obtained by mutating several amino acids adjacent to the chromophore. Of these, “flash-pericam” became brighter with Ca2+, whereas “inverse-pericam” dimmed. On the other hand, “ratiometric-pericam” had an excitation wavelength changing in a Ca2+-dependent manner. All of the pericams expressed in HeLa cells were able to monitor free Ca2+ dynamics, such as Ca2+ oscillations in the cytosol and the nucleus. Ca2+ imaging using high-speed confocal line-scanning microscopy and a flash-pericam allowed to detect the free propagation of Ca2+ ions across the nuclear envelope. Then, free Ca2+ concentrations in the nucleus and mitochondria were simultaneously measured by using ratiometric-pericams having appropriate localization signals, revealing that extra-mitochondrial Ca2+ transients caused rapid changes in the concentration of mitochondrial Ca2+. Finally, a “split-pericam” was made by deleting the linker in the flash-pericam. The Ca2+-dependent interaction between calmodulin and M13 in HeLa cells was monitored by the association of the two halves of GFP, neither of which was fluorescent by itself.

Covalent intermediate trapped in 2-keto-3-deoxy-6- phosphogluconate (KDPG) aldolase structure at 1.95-Å resolution

2-Keto-3-deoxy-6-phosphogluconate (KDPG) aldolase catalyzes the reversible cleavage of KDPG to pyruvate and glyceraldehyde-3-phosphate. The enzyme is a class I aldolase whose reaction mechanism involves formation of Schiff base intermediates between Lys-133 and a keto substrate. A covalent adduct was trapped by flash freezing KDPG aldolase crystals soaked with 10 mM pyruvate in acidic conditions at pH 4.6. Structure determination to 1.95-Å resolution showed that pyruvate had undergone nucleophilic attack with Lys-133, forming a protonated carbinolamine intermediate, a functional Schiff base precursor, which was stabilized by hydrogen bonding with active site residues. Carbinolamine interaction with Glu-45 indicates general base catalysis of several rate steps. Stereospecific addition is ensured by aromatic interaction of Phe-135 with the pyruvate methyl group. In the native structure, Lys-133 donates all of its hydrogen bonds, indicating the presence of an ɛ-ammonium salt group. Nucleophilic activation is postulated to occur by proton transfer in the monoprotonated zwitterionic pair (Glu-45/Lys-133). Formation of the zwitterionic pair requires prior side chain rearrangement by protonated Lys-133 to displace a water molecule, hydrogen bonded to the zwitterionic residues.