Effect of HMEC on the consolidation of cement pastes: Isothermal calorimetry versus oscillatory rheometry

Chemical admixtures increase the theological complexity of cement pastes owing to their chemical and physical interactions with particles, which affects cement hydration and agglomeration kinetics. Using oscillatory rheometry and isothermal calorimetry, this article shows that the cellulose ether HMEC (hydroxymethyl ethylcellulose), widely used as a viscosity modifying agent in self-compacting concretes and dry-set mortars, displayed a steric dispersant barrier effect during the first 2 h of hydration associated to a cement retarding nature, consequently reducing the setting speed. However, despite this stabilization effect, the polymer increased the cohesion strength when comparing cement particles with the same hydration degree. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A potential role for isothermal calorimetry in studies of the effects of thermodynamic non-ideality in enzyme-catalyzed reactions

Attention is drawn to the feasibility of using isothermal calorimetry for the characterization of enzyme reactions under conditions bearing greater relevance to the crowded biological environment, where kinetic parameters are likely to differ significantly from those obtained by classical enzyme kinetic studies in dilute solution. An outline of the application of isothermal calorimetry to the determination of enzyme kinetic parameters is followed by considerations of the nature and consequences of crowding effects in enzyme catalysis. Some of those effects of thermodynamic non-ideality are then illustrated by means of experimental results from calorimetric studies of the effect of molecular crowding on the kinetics of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase. This review concludes with a discussion of the potential of isothermal calorimetry for the experimental determination of kinetic parameters for enzymes either in biological environments or at least in media that should provide reasonable approximations of the crowded conditions encountered in vivo. Copyright (C) 2004 John Wiley Sons, Ltd.

Application and use of isothermal calorimetry in pharmaceutical development

There are many steps involved in developing a drug candidate into a formulated medicine and many involve analysis of chemical interaction or physical change. Calorimetry is particularly suited to such analyses as it offers the capacity to observe and quantify both chemical and physical changes in virtually any sample. Differential scanning calorimetry (DSC) is ubiquitous in pharmaceutical development, but the related technique of isothermal calorimetry (IC) is complementary and can be used to investigate a range of processes not amenable to analysis by DSC. Typically, IC is used for longer-term stability indicating or excipient compatibility assays because both the temperature and relative humidity (RH) in the sample ampoule can be controlled. However, instrument design and configuration, such as titration, gas perfusion or ampoule-breaking (solution) calorimetry, allow quantification of more specific values, such as binding enthalpies, heats of solution and quantification of amorphous content. As ever, instrument selection, experiment design and sample preparation are critical to ensuring the relevance of any data recorded. This article reviews the use of isothermal, titration, gas-perfusion and solution calorimetry in the context of pharmaceutical development, with a focus on instrument and experimental design factors, highlighted with examples from the recent literature. © 2011 Elsevier B.V.

Calorimetric demonstration of the potential of molecular crowding to emulate the effect of an allosteric activator on pyruvate kinase kinetics

A method based on isothermal calorimetry is described for the direct kinetic assay of pyruvate kinase. In agreement with earlier findings based on the standard coupled assay system for this enzyme in the presence of a fixed ADP concentration, the essentially rectangular hyperbolic dependence of initial velocity upon phosphoenolpyruvate concentration is rendered sigmoidal by the allosteric inhibitor phenylalanine. This effect of phenylalanine can be countered by including a high concentration of a space- filling osmolyte such as proline in the reaction mixtures. This investigation thus affords a dramatic example that illustrates the need to consider potential consequences of thermodynamic nonideality on the kinetics of enzyme reactions in crowded molecular environments such as the cell cytoplasm.

Further evidence for the reliance of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase upon isomerization of the ternary complex between enzyme and products

Isothermal calorimetry has been used to examine the effect of thermodynamic non-ideality on the kinetics of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase as the result of molecular crowding by inert cosolutes. The investigation, designed to detect substrate-mediated isomerization of pyruvate kinase, has revealed a 15% enhancement of maximal velocity by supplementation of reaction mixtures with 0.1 M proline, glycine or sorbitol. This effect of thermodynamic non-ideality implicates the existence of a substrate-induced conformational change that is governed by a minor volume decrease and a very small isomerization constant; and hence, substantiates earlier inferences that the rate-determining step in pyruvate kinase kinetics is isomerization of the ternary enzyme product complex rather than the release of products. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Adsorção de Cr(VI) em esferas reticuladas de quitosana: novas correlações cinéticas e termodinâmicas utilizando microcalorimetria isotérmica contínua

The synthesis and characterization of crosslinked chitosan microbeads and their application in the removal of Cr(VI) are described. New kinetic and thermodynamic parameters of Cr(VI) adsorptions processes were found using continuous isothermal calorimetry. All adsorption processes are exothermic in nature. However, a multivariate statistical analysis have pointed out that adsorption enthalpies were affected by important binary interactions of the initial Cr(VI) in solution and temperature. The adsorption energetic data were well fitted to a kinetic exponential model, which have indicated fractionary adsorption kinetic orders.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Physiological and structural aspects of fruit and vegetable mild processing

Over the past years fruit and vegetable industry has become interested in the application of both osmotic dehydration and vacuum impregnation as mild technologies because of their low temperature and energy requirements. Osmotic dehydration is a partial dewatering process by immersion of cellular tissue in hypertonic solution. The diffusion of water from the vegetable tissue to the solution is usually accompanied by the simultaneous solutes counter-diffusion into the tissue. Vacuum impregnation is a unit operation in which porous products are immersed in a solution and subjected to a two-steps pressure change. The first step (vacuum increase) consists of the reduction of the pressure in a solid-liquid system and the gas in the product pores is expanded, partially flowing out. When the atmospheric pressure is restored (second step), the residual gas in the pores compresses and the external liquid flows into the pores. This unit operation allows introducing specific solutes in the tissue, e.g. antioxidants, pH regulators, preservatives, cryoprotectancts. Fruit and vegetable interact dynamically with the environment and the present study attempts to enhance our understanding on the structural, physico-chemical and metabolic changes of plant tissues upon the application of technological processes (osmotic dehydration and vacuum impregnation), by following a multianalytical approach. Macro (low-frequency nuclear magnetic resonance), micro (light microscopy) and ultrastructural (transmission electron microscopy) measurements combined with textural and differential scanning calorimetry analysis allowed evaluating the effects of individual osmotic dehydration or vacuum impregnation processes on (i) the interaction between air and liquid in real plant tissues, (ii) the plant tissue water state and (iii) the cell compartments. Isothermal calorimetry, respiration and photosynthesis determinations led to investigate the metabolic changes upon the application of osmotic dehydration or vacuum impregnation. The proposed multianalytical approach should enable both better designs of processing technologies and estimations of their effects on tissue.

Synthese und Testung potentieller Elongin-C-Antagonisten als neuartige HIV-Therapeutika

Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert. Da die Behandlung mit der HAART-Therapie aufgrund der hohen Mutationsrate des Virus oft fehlschlägt, ist die stetige Forschung an neuen, verbesserten Wirkstoffen zwingend nötig. Mit einem neuartigen Therapieansatz, der die Aufrechterhaltung des menschlichen antiretroviralen Schutz-mechanismus durch Hemmung des APOBEC3G-Abbaus zum Ziel hat, existiert eine neue Möglichkeit zur Bekämpfung der Infektion. Im Gegensatz zu den HAART-Virustatika soll hier das menschliche Immunsystem aufrechterhalten werden, sodass es die Abwehr des Virus selbst übernehmen kann. Der durch das Virus induzierte Abbau von APOBEC3G ist gekoppelt an die Bildung eines Komplexes aus mehreren Proteinen, darunter das virale Protein vif (viral infectivity factor) und das humane Protein Elongin–C. Wird eine der Interaktionen dieser Komplexbildung gehemmt, so kann APOBEC3G nicht mehr abgebaut werden und der humane Schutzmechanismus bleibt aufrechterhalten.rnDie vorliegende Arbeit widmete sich in diesem Zusammenhang der Suche nach Inhibitoren der vif-Elongin–C-Interaktion. Nach Dockingstudien wurden potentielle Kandidaten synthetisiert und anschließend zunächst mit Hilfe der Mikrokalorimetrie (ITC) und der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) auf ihre Affinität zu rekombinant exprimiertem Elongin–C getestet. Zusätzlich wurde ein auf der Mikroskalierten Thermo-phorese (MST) basierender Bindungsassay etabliert, und die Substanzen auch mit dieser Methode getestet. Während die Bindung in diesen Assays nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, zeigte sich eine Substanz in In-vitro-Tests auf Hemmung der APOBEC3G- und vif-abhängigen Virusreplikation als sehr vielversprechend. Auch wenn der genaue molekulare Wirkort in weiteren Tests erst noch ermittelt werden muss, stellt diese Molekülstruktur aufgrund der bisherigen Testergebnisse bereits eine vielversprechende Basis für weitere Derivatisierungen dar.rn

Formación tardía de etringita en fibrocemento.

La temperatura de curado, utilizada por la industria de fibrocemento como catalizador en la hidratación del cemento para lograr alta resistencia inicial en sus productos, genera la hipótesis de expansión causada por formación tardía de etringita. Para el planteamiento de dicha hipótesis, el siguiente estudio contempló dos grupos de muestras con el objetivo de estudiar aisladamente su comportamiento químico y físico: uno de los grupos conformado por pasta cementicia con 35% de sustitución de calcario, y el otro conformado por fibrocemento con incorporación de PVA y celulosa. Por calorimetría isotérmica se observó la cinética de reacción de dos pastas, una de ellas curada a 23 ºC y la otra a 85 ºC donde esta última experimentó un efecto catalizador en sus reacciones. Ensayos de DRX y DTG/TG mostraron la presencia de etringita a 23 °C durante todas las edades de hidratación exhibiendo una tendencia de aumento en la intensidad de los picos y en la cantidad, respectivamente, en función del tiempo; sin embargo, a 85 ºC la presencia de esta fase fue inconstante durante las primeras edades de hidratación, a partir de mes de hidratación mostró aumento en cada una de las siguientes medidas realizadas mensualmente; a 85 °C hubo una menor formación de portlandita en comparación con los resultados obtenidos a 23 °C. Utilizando el método Rietveld y análisis químico fueron determinadas las cantidades y las composiciones químicas, respectivamente, de las fases del cemento anhidro y del calcario para alimentar el programa GEMS y simular la hidratación de la pasta estudiada en laboratorio para un tiempo infinito bajo la influencia de la temperatura. Simulaciones de la hidratación de la pasta se aproximaron a los resultados reportados por la revisión bibliográfica permitiendo predecir la presencia de fases en función de la estabilidad termodinámica. Resultados de porosimetría por inyección de mercurio mostraron una mayor concentración de poros, asociados a defectos, en muestras curadas a 85°C con respecto a las de 23 °C. Finalmente, medidas de variación longitudinal para muestras de fibrocemento elaboradas en laboratorio y en fábrica presentaron dispersión en los resultados de expansión para cada uno de los escenarios sin poder correlacionar todos los datos con el aumento de masa exhibido por cada una de las muestras; no obstante, se resalta el riesgo de deterioro del fibrocemento por el aumento de defectos causado por la temperatura así como la creación de todas las condiciones necesarias que favorecen la formación tardía de etringita a partir del proceso de fabricación empleado para este producto.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Interpretation of the temperature dependence of equilibrium and rate constants

The objective of this review is to draw attention to potential pitfalls in attempts to glean mechanistic information from the magnitudes of standard enthalpies and entropies derived from the temperature dependence of equilibrium and rate constants for protein interactions. Problems arise because the minimalist model that suffices to describe the energy differences between initial and final states usually comprises a set of linked equilibria, each of which is characterized by its own energetics. For example, because the overall standard enthalpy is a composite of those individual values, a positive magnitude for AHO can still arise despite all reactions within the subset being characterized by negative enthalpy changes: designation of the reaction as being entropy driven is thus equivocal. An experimenter must always bear in mind the fact that any mechanistic interpretation of the magnitudes of thermodynamic parameters refers to the reaction model rather than the experimental system For the same reason there is little point in subjecting the temperature dependence of rate constants for protein interactions to transition-state analysis. If comparisons with reported values of standard enthalpy and entropy of activation are needed, they are readily calculated from the empirical Arrhenius parameters. Copyright (c) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Studies on enhanced surface disinfection and skin antisepsis using chlorhexidine and eucalyptus oil

Healthcare associated infections may arise from many sources, including patient?s own skin flora and the clinical environment, and inflict a significant burden within the health service. Adequate and effective skin antisepsis and surface disinfection are therefore essential factors in infection control. Current EPIC guidelines recommend 2 % chlorhexidine (CHG) in 70 % isopropyl alcohol (IPA) for skin antisepsis however poor penetration has been reported. Eucalyptus oil (EO) is a known permeation enhancer, producing synergistic antimicrobial activity when combined with CHG. In this current study, the antimicrobial efficacy of EO and its main constituent 1,8-cineole were assessed against a panel of clinically relevant microorganisms, alone and in combination with CHG. The superior antimicrobial efficacy of EO compared with 1,8-cineole, and synergistic effects with CHG against planktonic and biofilm cultures, confirmed its suitability for use in subsequent studies within this thesis. Impregnation of EO, CHG and IPA onto prototype hard surface disinfectant wipes demonstrated significantly improved efficacy compared with CHG/IPA wipes, with clear reductions in the time required to eliminate biofilms. Optimisation of the EO/CHG/IPA formulation resulted in the development of Euclean® wipes, with simulated-use and time kill studies confirming their ability to remove microbial surface contamination, prevent cross contamination and eliminate biofilms within 10 minutes. The employment of isothermal calorimetry provided additional information on the type and rate of antimicrobial activity possessed by Euclean® wipes. A clinical audit of the Euclean® wipes at Birmingham Children?s Hospital, Birmingham, U.K. revealed divided staff opinion, with the highest cited advantage and disadvantage concerning the odour. Finally, skin penetration and cell toxicity studies of EO/CHG biopatches and Euclean® solution developed during this study, revealed no permeation into human skin following biopatch application, and no significant toxicity. These current studies enhance the knowledge regarding EO and its potential applications.

Thermodynamic Study Of The Micellization Of Zwitterionic Surfactants And Their Interaction With Polymers In Water By Isothermal Titration Calorimetry.

The micellization of a homologous series of zwitterionic surfactants, a group of sulfobetaines, was studied using isothermal titration calorimetry (ITC) in the temperature range from 15 to 65 °C. The increase in both temperature and the alkyl chain length leads to more negative values of ΔGmic(0) , favoring the micellization. The entropic term (ΔSmic(0)) is predominant at lower temperatures, and above ca. 55-65 °C, the enthalpic term (ΔHmic(0)) becomes prevalent, figuring a jointly driven process as the temperature increases. The interaction of these sulfobetaines with different polymers was also studied by ITC. Among the polymers studied, only two induced the formation of micellar aggregates at lower surfactant concentration: poly(acrylic acid), PAA, probably due to the formation of hydrogen bonds between the carboxylic group of the polymer and the sulfonate group of the surfactant, and poly(sodium 4-styrenesulfonate), PSS, probably due to the incorporation of the hydrophobic styrene group into the micelles. The prevalence of the hydrophobic and not the electrostatic contributions to the interaction between sulfobetaine and PSS was confirmed by an increased interaction enthalpy in the presence of electrolytes (NaCl) and by the observation of a significant temperature dependence, the latter consistent with the proposed removal of hydrophobic groups from water.

Isothermal titration calorimetry study of epicatechin binding to serum albumin

The interaction of epicatechin with bovine serum albumin (BSA) was studied by isothermal titration calorimetry. The binding constant (K) and associated thermodynamic binding parameters (n, Delta H) were determined for the interaction at three solution concentrations of BSA using a binding model assuming independent binding sites. These data show weak non-covalent binding of epicatechin to BSA. The interaction energetics varied with BSA concentration in the calorimeter cell, suggesting that the binding of epicatechin induced BSA aggregation. The free energy (Delta G) remained constant within a range of 2 kJ mol(-1) and negative entropy was observed, indicating an enthalpy driven exothermic interaction. It is concluded that the non-covalent epicatechin-BSA complex is formed by hydrogen bonding. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.