Relationship between photosynthetic electron transport and pH gradient across the thylakoid membrane in intact leaves.

Under conditions (0.2% CO2; 1% O2) that allow high rates of photosynthesis, chlorophyll fluorescence was measured simultaneously with carbon assimilation at various light intensities in spinach (Spinacia oleracea) leaves. Using a stoichiometry of 3 ATP/CO2 and the known relationship between ATP synthesis rate and driving force (Delta pH), we calculated the light-dependent pH gradient (Delta pH) across the thylakoid membrane in intact leaves. These Delta pH values were correlated with the photochemical (qP) and nonphotochemical (qN) quenching of chlorophyll fluorescence and with the quantum yield of photosystem II (phiPSII). At Delta pH > 2.1 all three parameters (qP, qN, and phiPSII) changed very steeply with increasing DeltapH (decreasing pH in the thylakoid). The observed pH dependences followed hexacooperative titration curves with slightly different pKa values. The significance of the steep pH dependences with slightly different pKa values is discussed in relation to the regulation of photosynthetic electron transport in intact leaves.

I. The structure and properties of closed circular duplex DNA. II. Chemically interacting systems at equilibrium in a buoyant density gradient

I. The binding of the intercalating dye ethidium bromide to closed circular SV 40 DNA causes an unwinding of the duplex structure and a simultaneous and quantitatively equivalent unwinding of the superhelices. The buoyant densities and sedimentation velocities of both intact (I) and singly nicked (II) SV 40 DNAs were measured as a function of free dye concentration. The buoyant density data were used to determine the binding isotherms over a dye concentration range extending from 0 to 600 µg/m1 in 5.8 M CsCl. At high dye concentrations all of the binding sites in II, but not in I, are saturated. At free dye concentrations less than 5.4 µg/ml, I has a greater affinity for dye than II. At a critical amount of dye bound I and II have equal affinities, and at higher dye concentration I has a lower affinity than II. The number of superhelical turns, τ, present in I is calculated at each dye concentration using Fuller and Waring's (1964) estimate of the angle of duplex unwinding per intercalation. The results reveal that SV 40 DNA I contains about -13 superhelical turns in concentrated salt solutions.

The free energy of superhelix formation is calculated as a function of τ from a consideration of the effect of the superhelical turns upon the binding isotherm of ethidium bromide to SV 40 DNA I. The value of the free energy is about 100 kcal/mole DNA in the native molecule. The free energy estimates are used to calculate the pitch and radius of the superhelix as a function of the number of superhelical turns. The pitch and radius of the native I superhelix are 430 Å and 135 Å, respectively.

A buoyant density method for the isolation and detection of closed circular DNA is described. The method is based upon the reduced binding of the intercalating dye, ethidium bromide, by closed circular DNA. In an application of this method it is found that HeLa cells contain in addition to closed circular mitochondrial DNA of mean length 4.81 microns, a heterogeneous group of smaller DNA molecules which vary in size from 0.2 to 3.5 microns and a paucidisperse group of multiples of the mitochondrial length.

II. The general theory is presented for the sedimentation equilibrium of a macromolecule in a concentrated binary solvent in the presence of an additional reacting small molecule. Equations are derived for the calculation of the buoyant density of the complex and for the determination of the binding isotherm of the reagent to the macrospecies. The standard buoyant density, a thermodynamic function, is defined and the density gradients which characterize the four component system are derived. The theory is applied to the specific cases of the binding of ethidium bromide to SV 40 DNA and of the binding of mercury and silver to DNA.

Caractérisation de la pharmacocinétique de formulations sensibles au pH et de formulations destinées au traitement des intoxications médicamenteuses

La préparation de formulations à libération contrôlée est le domaine des sciences pharmaceutiques qui vise à modifier l’environnement immédiat des principes actifs pour en améliorer l’efficacité et l’innocuité. Cet objectif peut être atteint en modifiant la cinétique de circulation dans le sang ou la distribution dans l’organisme. Le but de ce projet de recherche était d’étudier le profil pharmacocinétique (PK) de différentes formulations liposomales. L’analyse PK, généralement employée pour représenter et prédire les concentrations plasmatiques des médicaments et de leurs métabolites, a été utilisée ici pour caractériser in vivo des formulations sensibles au pH servant à modifier la distribution intracellulaire de principes actifs ainsi que des liposomes destinés au traitement des intoxications médicamenteuses. Dans un premier temps, la PK d’un copolymère sensible au pH, à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique (MAA) a été étudiée. Ce dernier, le p(NIPAM-co-MAA) est utilisé dans notre laboratoire pour la fabrication de liposomes sensibles au pH. L’étude de PK conduite sur les profils de concentrations sanguines de différents polymères a défini les caractéristiques influençant la circulation des macromolécules dans l’organisme. La taille des molécules, leur point de trouble ainsi que la présence d’un segment hydrophobe à l’extrémité des chaînes se sont avérés déterminants. Le seuil de filtration glomérulaire du polymère a été évalué à 32 000 g/mol. Finalement, l’analyse PK a permis de s’assurer que les complexes formés par la fixation du polymère à la surface des liposomes restaient stables dans le sang, après injection par voie intraveineuse. Ces données ont établi qu’il était possible de synthétiser un polymère pouvant être adéquatement éliminé par filtration rénale et que les liposomes sensibles au pH préparés avec celui-ci demeuraient intacts dans l’organisme. En second lieu, l’analyse PK a été utilisée dans le développement de liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pour le traitement des intoxications médicamenteuses. Une formulation a été développée et optimisée in vitro pour capturer un médicament modèle, le diltiazem (DTZ). La formulation liposomale s’est avérée 40 fois plus performante que les émulsions lipidiques utilisées en clinique. L’analyse PK des liposomes a permis de confirmer la stabilité de la formulation in vivo et d’analyser l’influence des liposomes sur la circulation plasmatique du DTZ et de son principal métabolite, le desacétyldiltiazem (DAD). Il a été démontré que les liposomes étaient capables de capturer et de séquestrer le principe actif dans la circulation sanguine lorsque celui-ci était administré, par la voie intraveineuse. L’injection des liposomes 2 minutes avant l’administration du DTZ augmentait significativement l’aire sous la courbe du DTZ et du DAD tout en diminuant leur clairance plasmatique et leur volume de distribution. L’effet de ces modifications PK sur l’activité pharmacologique du médicament a ensuite été évalué. Les liposomes ont diminué l’effet hypotenseur du principe actif administré en bolus ou en perfusion sur une période d’une heure. Au cours de ces travaux, l’analyse PK a servi à établir la preuve de concept que des liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pouvaient modifier la PK d’un médicament cardiovasculaire et en diminuer l’activité pharmacologique. Ces résultats serviront de base pour le développement de la formulation destinée au traitement des intoxications médicamenteuses. Ce travail souligne la pertinence d’utiliser l’analyse PK dans la mise au point de vecteurs pharmaceutiques destinés à des applications variées. À ce stade de développement, l’aspect prédictif de l’analyse n’a pas été exploité, mais le côté descriptif a permis de comparer adéquatement diverses formulations et de tirer des conclusions pertinentes quant à leur devenir dans l’organisme.

Arbuscular mycorrhizal fungal communities are phylogenetically clustered at small scales

Next-generation sequencing technologies with markers covering the full Glomeromycota phylum were used to uncover phylogenetic community structure of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) associated with Festuca brevipila. The study system was a semi-arid grassland with high plant diversity and a steep environmental gradient in pH, C, N, P and soil water content. The AMF community in roots and rhizosphere soil were analyzed separately and consisted of 74 distinct operational taxonomic units (OTUs) in total. Community-level variance partitioning showed that the role of environmental factors in determining AM species composition was marginal when controlling for spatial autocorrelation at multiple scales. Instead, phylogenetic distance and spatial distance were major correlates of AMF communities: OTUs that were more closely related (and which therefore may have similar traits) were more likely to co-occur. This pattern was insensitive to phylogenetic sampling breadth. Given the minor effects of the environment, we propose that at small scales closely related AMF positively associate through biotic factors such as plant-AMF filtering and interactions within the soil biota.

Optimisation de la concentration en électrolytes au sein des matrices à base de HASCA pour la libération prolongée

Le sel sodique du carboxyméthylamidon à haute teneur en amylose, HASCA (Amylose 60%-amylopectine 40%), est un polymère hydrophile ionique utilisé pour obtenir des comprimés matriciels à libération prolongée. Il est caractérisé par la formation d'un hydrogel lors de la mise en contact avec le milieu de dissolution. La libération du principe actif (PA) à travers ce polymère est principalement contrôlée par la diffusion fickienne et la relaxation du réseau polymérique. De plus, la solubilité du PA est un facteur qui permet de moduler la libération, cependant, la solubilité d’un médicament dépend de la forme utilisée et du pH. Les bases ou les acides libres présentent une solubilité moins élevée que leurs sels. Nous proposons d’étudier l’effet d’une combinaison entre le sel et la forme acide ou le sel et la forme alcaline dans le même comprimé matriciel d’HASCA. Comme objectif de ce travail, nous étudions l’influence de la nature du polymère sur le profil de libération de PA dans un milieu aqueux en gradient de pH à cause de la nature des matrices à base d’HASCA caractérisées par la présence de groupement carboxyliques, ionisés ou non selon l’acidité du milieu de dissolution. Nous étudions également l’influence de la nature du PA (base libre ou son sel vs acide libre ou son sel) sur le profil de libération, ceci en sélectionnant des PAs modèles représentatifs de chaque catégorie. L’influence de changement de proportions entre la forme libre (acide ou base) et son sel sur le profil de libération est aussi investiguée. Pour ce, des comprimés à base de HASCA avec des proportions différentes de, soit le naproxène acide et le naproxène de sodium (PA acide et son sel), soit la tétracycline et le chlorhydrate de tétracycline (PA alcalin et son sel) ont été utilisés. Ceux-ci sont évalués lors des tests de dissolution dans un milieu simulant le milieu gastro-intestinal, selon les normes de l’USP (spectrophotométrie UV). Nous avons également menés des études de vitesse de dissolution intrinsèque sur les PAs purs, afin de déterminer leur solubilité et vitesse de libération dans les même pH de dissolution étudiés. Nous avons réussit d’obtenir des comprimés matriciels à base de HASCA convenables à être administrés une fois par jour en utilisant une combinaison du naproxène acide et son sel comme PA. Tandis que les résultats ont montré qu’en utilisant la tétracycline et son sel, les temps de libération étaient trop élevés pour permettre la réalisation d’une formulation convenable pour une administration quotidienne unique

Détermination de l’effet protecteur des liposomes non phospholipidiques à haute teneur en cholestérol

Nous démontrons qu'il est possible de former des bicouches fluides non phospholipides en milieu aqueux avec un mélange d'acide palmitique (PA), cholestérol (Chol) et sulfate de cholestérol (Schol) avec une proportion molaire de 30/28/42. Ces liposomes non phospholipidiques peuvent maintenir un gradient de pH (pHinterne 8 / pHexterne 6) sur une période 100 fois plus longue que les liposomes faits de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) et de cholestérol (60/40 mol/mol). De plus, ces LUV non phospholipidiques protègent l'acide ascorbique d'un milieu oxydant (1 mM de fer (III)). Une fois piégé dans les liposomes, l'acide ascorbique présente une vitesse de dégradation similaire à celle obtenue en l'absence de fer(III). Ces performances illustrent la perméabilité exceptionnellement limitée de ces liposomes, ce qui implique qu'ils peuvent présenter des avantages comme nanocontenants pour certaines applications. D'autre part, des vésicules unilamellaires géantes (GUV pour Giant Unilamellar Vesicles) ont été formées à partir d'un mélange d'acide palmitique et de cholestérol (30/70 mol/mol). Ces GUV sont stables sur l'échelle de temps de semaines, elles ne s'agrègent pas et elles sont sensibles au pH. Afin d'établir la formation des GUV, l'imagerie par microscopie confocale à balayage laser a été utilisée. Deux sondes fluorescentes ont été utilisées: le rouge du Nile, une sonde hydrophobe qui s'insère dans le cœur hydrophobe des bicouches lipidiques, et la calcéine, une sonde hydrophile qui a été emprisonné dans le réservoir interne des GUV. Cette approche a permis l'observation des parois des GUV ainsi que de leur contenu. Ces résultats montrent la possibilité de former de nouveaux microcontenants à partir d'un mélange d'un amphiphile monoalkylé et de stérol.

High-amylose carboxymethyl starch matrices for oral sustained drug-release : in vitro and in vivo evaluation

Les amidons non modifiées et modifiés représentent un groupe d’excipients biodégradables et abondants particulièrement intéressant. Ils ont été largement utilisés en tant qu’excipients à des fins diverses dans des formulations de comprimés, tels que liants et/ou agents de délitement. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose atomisé (SD HASCA) a été récemment proposé comme un excipient hydrophile à libération prolongée innovant dans les formes posologiques orales solides. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose amorphe (HASCA) a d'abord été produit par l'éthérification de l'amidon de maïs à haute teneur en amylose avec le chloroacétate. HASCA a été par la suite séché par atomisation pour obtenir le SD HASCA. Ce nouvel excipient a montré des propriétés présentant certains avantages dans la production de formes galéniques à libération prolongée. Les comprimés matriciels produits à partir de SD HASCA sont peu coûteux, simples à formuler et faciles à produire par compression directe. Le principal objectif de cette recherche était de poursuivre le développement et l'optimisation des comprimés matriciels utilisant SD HASCA comme excipient pour des formulations orales à libération prolongée. A cet effet, des tests de dissolution simulant les conditions physiologiques du tractus gastro-intestinal les plus pertinentes, en tenant compte de la nature du polymère à l’étude, ont été utilisés pour évaluer les caractéristiques à libération prolongée et démontrer la performance des formulations SD HASCA. Une étude clinique exploratoire a également été réalisée pour évaluer les propriétés de libération prolongée de cette nouvelle forme galénique dans le tractus gastro-intestinal. Le premier article présenté dans cette thèse a évalué les propriétés de libération prolongée et l'intégrité physique de formulations contenant un mélange comprimé de principe actif, de chlorure de sodium et de SD HASCA, dans des milieux de dissolution biologiquement pertinentes. L'influence de différentes valeurs de pH acide et de temps de séjour dans le milieu acide a été étudiée. Le profil de libération prolongée du principe actif à partir d'une formulation de SD HASCA optimisée n'a pas été significativement affecté ni par la valeur de pH acide ni par le temps de séjour dans le milieu acide. Ces résultats suggèrent une influence limitée de la variabilité intra et interindividuelle du pH gastrique sur la cinétique de libération à partir de matrices de SD HASCA. De plus, la formulation optimisée a gardé son intégrité pendant toute la durée des tests de dissolution. L’étude in vivo exploratoire a démontré une absorption prolongée du principe actif après administration orale des comprimés matriciels de SD HASCA et a montré que les comprimés ne se sont pas désintégrés en passant par l'estomac et qu’ils ont résisté à l’hydrolyse par les α-amylases dans l'intestin. Le deuxième article présente le développement de comprimés SD HASCA pour une administration orale une fois par jour et deux fois par jour contenant du chlorhydrate de tramadol (100 mg et 200 mg). Ces formulations à libération prolongée ont présenté des valeurs de dureté élevées sans nécessiter l'ajout de liants, ce qui facilite la production et la manipulation des comprimés au niveau industriel. La force de compression appliquée pour produire les comprimés n'a pas d'incidence significative sur les profils de libération du principe actif. Le temps de libération totale à partir de comprimés SD HASCA a augmenté de manière significative avec le poids du comprimé et peut, de ce fait, être utilisé pour moduler le temps de libération à partir de ces formulations. Lorsque les comprimés ont été exposés à un gradient de pH et à un milieu à 40% d'éthanol, un gel très rigide s’est formé progressivement sur leur surface amenant à la libération prolongée du principe actif. Ces propriétés ont indiqué que SD HASCA est un excipient robuste pour la production de formes galéniques orales à libération prolongée, pouvant réduire la probabilité d’une libération massive de principe actif et, en conséquence, des effets secondaires, même dans le cas de co-administration avec une forte dose d'alcool. Le troisième article a étudié l'effet de α-amylase sur la libération de principe actif à partir de comprimés SD HASCA contenant de l’acétaminophène et du chlorhydrate de tramadol qui ont été développés dans les premières étapes de cette recherche (Acetaminophen SR et Tramadol SR). La modélisation mathématique a montré qu'une augmentation de la concentration d’α-amylase a entraîné une augmentation de l'érosion de polymère par rapport à la diffusion de principe actif comme étant le principal mécanisme contrôlant la libération de principe actif, pour les deux formulations et les deux temps de résidence en milieu acide. Cependant, même si le mécanisme de libération peut être affecté, des concentrations d’α-amylase allant de 0 UI/L à 20000 UI/L n'ont pas eu d'incidence significative sur les profils de libération prolongée à partir de comprimés SD HASCA, indépendamment de la durée de séjour en milieu acide, le principe actif utilisé, la teneur en polymère et la différente composition de chaque formulation. Le travail présenté dans cette thèse démontre clairement l'utilité de SD HASCA en tant qu'un excipient à libération prolongée efficace.

Recuperação de fósforo por cristalização de estruvita

This study investigated the influence of the molar ratio, the phosphorus initial concentration, the mixture gradient, mixing time, pH and the secondary nucleation on struvite s crystallization in synthetic water in batch reactors. The study was divided into two stages. The first investigated struvite s crystallization at different Mg:N:P molar ratios and at different initial concentrations of magnesium, nitrogen and phosphorus. It was also evaluated the importance of secondary nucleation on the struvite s crystallization. In the second, five parameters were tested to evaluate their influence on the struvite s crystallization, which were: Mg:N:P molar ratio, initial concentration of phosphate, mixing time, mixture gradient and pH. The best conditions for struvite s crystallization were: Mg:N:P = 1,3:1:1 molar ratio; mixture gradient = 60 rpm, pH = 10.0, mixing time = 5 minutes and high initial concentrations of the constituent ions of struvite. Furthermore, the use of struvite crystals as seed influenced positively on the struvite s crystallization

Reduced calcification and lack of acclimatization by coral colonies growing in areas of persistent natural acidification

As the surface ocean equilibrates with rising atmospheric CO2, the pH of surface seawater is decreasing with potentially negative impacts on coral calcification. A critical question is whether corals will be able to adapt or acclimate to these changes in seawater chemistry. We use high precision CT scanning of skeletal cores of Porites astreoides, an important Caribbean reef-building coral, to show that calcification rates decrease significantly along a natural gradient in pH and aragonite saturation (Omega arag). This decrease is accompanied by an increase in skeletal erosion and predation by boring organisms. The degree of sensitivity to reduced ?arag measured on our field corals is consistent with that exhibited by the same species in laboratory CO2 manipulation experiments. We conclude that the Porites corals at our field site were not able to acclimatize enough to prevent the impacts of local ocean acidification on their skeletal growth and development, despite spending their entire lifespan in low pH, low Omega arag seawater.

Établissement d'un prototype de laboratoire et d'un pilote industriel d'amylose substitué pour la libération contrôlée de médicament à partir de comprimés matriciels

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Établissement d'un prototype de laboratoire et d'un pilote industriel d'amylose substitué pour la libération contrôlée de médicament à partir de comprimés matriciels

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Repeatedly usable immobilized pH gradient in a monolithic capillary column

Glycidyl methacrylate (GMA) and ethylene dimethacrylate (EDMA) were used to synthesize a monolithic capillary column containing reactive epoxy groups. Glutaraldehyde was introduced and linked to the monolith after a process of amination. An aqueous solution of commercial carrier ampholytes (CAs, Ampholine) was focused in such a polymer column. The primary amino groups of CAs reacted with glutaraldehyde along the capillary. CAs were immobilized at different positions in the column according to their isoelectric points (pl), resulting in a monolithic immobilized pH gradient (M-IPG). Isoelectric focusing (IEF) was performed without CAs in such an M-IPG column. Due to the covalent attachment of the CAs this M-IPG can be repeatedly used after its preparation. Good stability, linearity, and reproducibility were obtained.

Retention modeling and simultaneous optimization of pH value and gradient steepness in RP-HPLC using feed-forward neural networks

A novel approach is proposed for the simultaneous optimization of mobile phase pH and gradient steepness in RP-HPLC using artificial neural networks. By presetting the initial and final concentration of the organic solvent, a limited number of experiments with different gradient time and pH value of mobile phase are arranged in the two-dimensional space of mobile phase parameters. The retention behavior of each solute is modeled using an individual artificial neural network. An "early stopping" strategy is adopted to ensure the predicting capability of neural networks. The trained neural networks can be used to predict the retention time of solutes under arbitrary mobile phase conditions in the optimization region. Finally, the optimal separation conditions can be found according to a global resolution function. The effectiveness of this method is validated by optimization of separation conditions for amino acids derivatised by a new fluorescent reagent.

High-resolution dynamic computer simulation analysis of the behavior of sample components with pI values outside the pH gradient established by carrier ampholyte CIEF

The behavior of sample components whose pI values are outside the pH gradient established by 101 hypothetical biprotic carrier ampholytes covering a pH 6-8 range was investigated by computer simulation under constant current conditions with concomitant constant electroosmosis toward the cathode. Data obtained with the sample being applied between zones of carrier ampholytes and on the anodic side of the carrier ampholytes were studied and found to evolve into zone structures comprising three regions between anolyte and catholyte. The focusing region with the pH gradient is bracketed by two isotachopheretic zone structures comprising selected sample and carrier components as isotachophoretic zones. The isotachophoretic structures electrophoretically migrate in opposite direction and their lengths increase with time due to the gradual isotachophoretic decay at the pH gradient edges. Due to electroosmosis, however, the overall pattern is being transported toward the cathode. Sample components whose pI values are outside the established pH gradient are demonstrated to form isotachophoretic zones behind the leading cation of the catholyte (components with pI values larger than 8) and the leading anion of the anolyte (components with pI values smaller than 6). Amphoteric compounds with appropriate pI values or nonamphoteric components can act as isotachophoretic spacer compounds between sample compounds or between the leader and the sample with the highest mobility. The simulation data obtained provide for the first time insight into the dynamics of amphoteric sample components that do not focus within the established pH gradient.