Este trabalho descreve a preparação, a caracterização e o uso de um biossensor bienzimático confeccionado com as enzimas glicose oxidase e frutose dehidrogenase imobilizadas em camadas auto-organizadas ou self-assembled monolayers (SAMs) de cistamina para a quantificação de açúcares em alimentos. Após o preparo do eletrodo de ouro com a SAM de cistamina, biossensores foram construídos e para obtenção de melhores respostas, condições foram otimizadas, tais como: concentração do mediador tetratiafulvaleno (TTF), porcentagem de glutaraldeído, temperatura e tempo de vida do biossensor. Com as condições estabelecidas, fez-se então, a determinação analítica da D-glicose e da D-frutose em eletrólito puro pelo método da adição de padrão e os resultados foram obtidos por voltametria cíclica e cronoamperometria. A corrente de pico de oxidação do mediador de elétrons (TTF) aumentou proporcionalmente com o aumento da concentração e não ocorreram deslocamentos nos potenciais de pico. Os limites de detecção (LD) foram encontrados por meio do desvio padrão da média aritmética de dez amperogramas do branco no potencial equivalente aos dos picos de oxidação do mediador de elétrons TTF, juntamente com o valor do coeficiente angular da curva analítica. Após a obtenção da curva analítica o biossensor foi aplicado diretamente em amostras de refrigerante dietético e não dietético, bem como em amostras de adoçantes comerciais, onde foram realizados testes comparativos da resposta dos biossensores. Para o eletrólito puro e amostras de refrigerante dietético e de adoçantes, ou seja, onde não há presença de D-glicose e D-frutose, notou-se a ausência de corrente de pico, enquanto que para as amostras de refrigerante não dietético, houve um valor significativo de resposta de corrente, indicando a presença dos açúcares em estudo. Com o propósito de verificar a influência de interferentes e o efeito de matriz, foi construída uma curva analítica para a D-glicose e para a D-frutose, em amostras de refrigerante dietético e adoçantes, onde foram obtidas as menores quantidade destes açúcares. Para o refrigerante não dietético, foi determinado o valor inicial dos açúcares presentes nas amostras. Pode-se afirmar que a utilização dos biossensores baseados nas enzimas GOx e FDH mostraram-se eficientes para a determinação dos açúcares D-glicose e D-frutose nas amostras analisadas (com diferença significativa nos valores de corrente), apresentando uma resposta rápida, além da eliminação do efeito da matriz. A utilização do mediador de elétrons (TTF) possibilitou a reação em potencial próximo de zero, diminuindo o efeito de interferentes e evitando a desnaturação das enzimas. / This work describes the preparation, characterization and application of a bienzymatic biosensor based in the glucose oxidaze and fructose dehydrogenase immobilized on self-assembled monolayer of cystamine for sugar quantification in foodstuff. After the modification of the gold electrode with cystamine, the biosensors were developed and optimized for best responses. Optimization parameters were: mediator tetrathiafulvalene (TTF) concentration, glutaraldehyde percentage, temperature and life time of the biosensor. With the best conditions established, the analytical determinations of d-glucose and d-fructose in pure phosphate buffer were conducted by the standard additions method and the results obtained by cyclic voltammetry and chronoamperometry. The oxidation peak current related to the TTF voltammetric behavior raised proportionally to the increasing concentration of d-glucose or d-fructose, in a given and constant peak potential. The methodology detection limits were found using the standard deviation of ten chronoamperograms of the blank solution, in the potential value corresponding to that of TTF oxidation, and the slope of the analytical curve. After the analytical curve acquirement the biosensor was directly applied in samples of diet or non-diet softdrinks, as well as in commercial sweeteners samples, with comparative tests of the biosensor responses. For pure electrolyte and for diet foodstuff samples, i.e., were there is not expectation for d-glucose or d-fructose existence, it was detected the lack of the voltammetric peak associated with the mediator oxidation. In non-diet samples, a pronounced voltammetric peak was obtained, testifying the presence of sugar in the electrolytes under study. The matrix effect was verified by means of an analytical curve obtained for both analytes (d-glucose and d-fructose), in diet and sweeteners samples, properly spiked with known amounts of each analyte. It can be concluded that the utilization of the biosensor based in GOx and FDH showed to be efficient for d-glucose and d-fructose determinations in the analysed samples, with a fast response time and elimination of the matrix effect. The mediator promoted the electrochemical reaction to occur in potentials very close to zero, minimizing the interferences or the enzyme denaturation.

Neste trabalho são apresentados resultados relacionados a estudos sobre o comportamento eletroquímico do lactato e do peróxido de hidrogênio em diversos eletrodos em meio de diferentes pHs utilizando voltametria cíclica. Também foi investigado o comportamento eletroquímico do peróxido de hidrogênio em eletrodos modificados com filmes de hexacianoferratos utilizando eletrodos de platina e carbono vítreo. A vantagem do uso do CTAB na modificação da superfície de carbono vítreo com Azul da Prússia foi confirmada no que se refere à melhora da sensibilidade e da estabilidade das medidas. Numa etapa posterior desenvolveu-se um biossensor para a determinação de lactato pelo monitoramento de peróxido de hidrogênio produzido na reação catalisada de lactato com oxigênio na presença da enzima lactato oxidase. Nessa etapa, o trabalho consistiu em imobilizar a enzima lactato oxidase na superfície do eletrodo, previamente, modificado com Azul da Prússia, com o auxílio de Nafion®. Após a construção do biossensor e a otimização das condições de análise (pH, quantidade de enzima, volume da amostra e vazão) para obtenção de maior sinal analítico no desenvolvimento do método para a determinação de lactato por análise em fluxo, averiguou-se a repetibilidade das medidas (Clactato = 0,28 mmol L-1) obtendo-se um desvio padrão de 2,2% para 18 repetições. A freqüência analítica foi estimada em 160 injeções por hora com limite de detecção de 0,84 µmol L-1 e linearidade até 0,28 mmol L-1 de lactato. O biossensor foi aplicado na quantificação de lactato em amostras alimentares (cervejas alcoólicas e não alcoólicas) e biológicas (sangue liofilizado e recém coletado). Por fim, realizaram-se estudos envolvendo a variação da concentração de lactato sanguíneo em função da intensidade de atividade esportiva. Os resultados obtidos pelo método proposto foram comparados com aqueles oriundos do uso de método de referência. / Results on the investigation of the electrochemical behavior of lactate and hydrogen peroxide at various electrodic surfaces at different pHs using cyclic voltammetry are presented. Experiments were also carried out with platinum and glassy carbon electrodes modified with hexacyanoferrate films. The advantage of using CTAB in the electrodeposition step of Prussian Blue films onto glassy carbon surfaces was confirmed taking into account both the stability and sensitivity of measurements. The immobilization of lactate oxidase onto glassy carbon electrodes modified with a Prussian Blue layer using Nafion® was performed to fabricate a biosensor for lactate. The biosensor was used in the development of a FIA amperometric method for the determination of lactate. Under optimal operating conditions (pH = 6.9, E = -0.1 V), the linear response of the method was extended up to 0.28 mmol L-1 lactate with a limit of detection of 0.84 µmol L-1. The repeatability of the method for injections of a 0.28 mmol L-1 lactate solution was 2.2 % (n = 18). The analytical frequency was calculated as 160 injections h-1. The usefulness of the method was demonstrated by determining lactate in beer (alcoholic and nonalcoholic beers) and blood samples (lyophilized and freshly collected). Finally, the influence of physical exercise on the blood lactate level was studied. Results obtained by using the proposed amperometric detector compared well with the reference method.

Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de biossensores eletroquímicos baseados na imobilização de duas enzimas diferentes em filmes de polipirrol (PPI) eletrodepositados, a fitase e a polifenol oxidase (PFO), esta última na forma de extrato bruto do fruto de abacate. Como a fitase hidrolisa cataliticamente ácido fítico (AF) em íons fosfatos, foram preparados biossensores por imobilização da enzima sobre filmes de PPI para a detecção indireta de ácido fítico via íons fosfatos. Foram utilizados dois métodos de imobilização; no primeiro, a enzima, fitase, foi imobilizada ao filme de PPI por imersão do filme em uma solução contendo a enzima por um período de 2 h, no segundo, a fitase foi encapsulada em lipossomos de dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) e depois foi imobilizada nos filmes de PPI depositados em eletrodos impressos. O segundo método se mostrou melhor para a detecção de ácido fítico, pois levou a um maior alcance linear e um baixo valor de limite de detecção. Neste caso, verificou-se que o DPPG preservou a integridade enzimática e levou a biossensores mais estáveis e sensíveis. Já para a PFO, que catalisa a oxidação de compostos fenólicos a quinonas, foram preparados biossensores para a detecção indireta de catecol. Para esta enzima, foram utilizados três métodos de imobilização: adsorção, ligação cruzada e confinamento, sendo o último que levou a melhores respostas. O método de confinamento consiste na adição da enzima, juntamente com o monômero, à solução de eletropolimerização, quando se procede com a metodologia normal de preparo dos filmes de PPI, que foram caracterizados por: microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia de reflexão e absorção no infravermelho com modulação da polarização (PM-IRRAS). Estas técnicas de caracterização permitiram com que a presença da enzima fosse associada às modificações das características estruturais e morfológicas dos filmes de PPI. / This doctoral thesis reports on the development of electrochemical biosensors based on the immobilization of enzymes phytase and polyphenol oxidase (PPO) (the latter in the form of crude extract of avocado fruit) on electrodeposited polypyrrole films (PPY). As phytase catalytically hydrolyzes phytic acid (PA) in phosphate ions, biosensors were prepared by its immobilization on PPY films for the indirect detection of PA via phosphate ions. In the first method the enzyme was maintained on the PPY film for a period of 2 h, whereas in the second, it was encapsulated in Dipalmitoyl Phosphatidyl glycerol (DPPG) and immobilized on printed electrodes. The second system proved more viable for the detection of PA and showed broader linear range and low detection limit because DPPG preserved the integrity of the enzyme and produced more stable and sensitive biosensors. Regarding PPO, which catalyzes the oxidation of phenolic compounds to quinones, biosensors for the indirect detection of catechol via the formation of quinone in solution were prepared. Three methods of immobilization were used: adsorption, cross-linking and confinement. The latter yielded favorable results in comparison to other methods. The films were characterized by atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) spectroscopy, fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and reflection absorption and infrared polarization modulation (PM-IRRAS) techniques and revealed the presence of the enzyme and a modification in the structural characteristics and morphology of the films.

Os genes relógio são responsáveis pelo ritmo circadiano e homeostase de diversos sistemas biológicos, incluindo o pâncreas endócrino. Nas células β são de grande importância para a regulação do metabolismo e da secreção de insulina (SI), e sua ausência pode levar ao desenvolvimento do diabetes. A NADPH oxidase (NOX) é um complexo enzimático responsável pela produção do ânion superóxido através da redução do oxigênio molecular. Em ilhotas pancreáticas, a NOX participa da regulação do metabolismo da glicose e da SI, através da modulação do estado redox intracelular. O objetivo do nosso estudo foi verificar se a desregulação dos genes relógio mediada pela ausência de Bmal1 seria capaz de modular a NOX e o estado redox nas células β pancreáticas, influenciando assim a SI. Observamos que a ausência de Bmal1 alterou a atividade e expressão da NOX, desregulando o estado redox intracelular. Essas alterações levaram à redução da viabilidade celular e mudanças na resposta à estimulação com glicose, resultando em uma deficiência na principal função da célula β a SI. / Clock genes are responsible for homeostasis and circadian rhythm in various biological systems, including endocrine pancreas. In β -cells, they are important for the regulation of metabolism and insulin secretion (IS), and its absence can lead to development of diabetes. NADPH oxidase (NOX) is an enzymatic complex responsible for production of superoxide anion by reducing molecular oxygen. In pancreatic islets, NOX regulates glucose metabolism and IS through modulation of the intracellular redox state. The aim of our study was to investigate whether dysregulation of clock genes mediated by Bmal1 suppression would be able to modulate NOX activity and redox state in pancreatic β cells, thus influencing the SI. In this work, the lack of Bmal1 altered the activity and expression of NOX, deregulating the intracellular redox state. These changes led to reduced cell viability and changes in cell response after stimulation with glucose, resulting in a deficiency in β cell main function, GSIS.

A biomassa vegetal é a maior fonte de carbono renovável disponível, e é composta de celulose, hemicelulose e lignina. A lignina, um heteropolímero polifenólico complexo, é uma barreira a utilização mais eficiente da biomassa. Fungos desenvolveram formas de superar o obstáculo imposto pela lignina, através da atividade de enzimas como peroxidases, e da ação de pequenas moléculas reativas. As duas formas dependem da presença de peróxido de hidrogênio, que é produzido pela atividade de enzimas como aril-álcool oxidases (AAOs). AAOs são enzimas pertencentes a superfamília GMC de oxidoredutases e, portanto, possuem FAD como grupo prostético. Realizam a conversão de álcoois aromáticos à aldeídos, com concomitante produção de peróxido de hidrogênio. Devido à capacidade de oxidação de substratos variados, e dependente somente de oxigênio molecular, AAOs têm potencial aplicação na indústria biotecnológica, tanto como produtoras de peróxido de hidrogênio quanto na produção de químicos-plataforma a partir da biomassa. No entanto, AAOs ainda têm poucos exemplares caracterizados, e a maior parte dos estudos publicados é referente a enzimas do gênero de fungos basidiomicetos Pleurotus sp.. A enzima MtAAOx do fungo ascomiceto termofílico M. thermophila foi produzida de forma heteróloga em A. nidulans, e algumas de suas propriedades bioquímicas e estruturais foram determinadas. MtAAOx é uma enzima extracelular monomérica glicosilada, com grupo FAD dissociável, e capaz de oxidar álcoois aromáticos fenólicos e não fenólicos, incluindo um monômero da lignina, coniferil álcool, substrato para o qual a enzima teve mais afinidade. MtAAOx, além de oxidar álcoois aromáticos, também foi capaz de oxidar um substrato heterocíclico, 5-HMF, e de utilizar outro aceptor de elétrons além do oxigênio. Esses resultados, aliados a baixa similaridade entre sequencias de aminoácidos indicam que MtAAOx tem sítio catalítico e canal de acesso do substrato distintos das AAOs até o momento caracterizadas. A enzima MtAAOx deglicosilada teve estabilidade térmica reduzida em comparação com a enzima nativa. A atividade enzimática foi afetada positivamente com a presença de alguns cátions, entre eles Ca2+. Além de afetar a atividade, Ca2+proporcionou ganho de estabilidade térmica, com aumento da temperatura de melting em 5 ºC. Esta enzima é uma nova aril-álcool oxidase caracterizada, a primeira de um fungo ascomiceto, e acredita-se que tenha papel na degradação da lignina da biomassa vegetal. / Plant biomass is the largest source of available renewable carbon, and is composed of cellulose, hemicellulose and lignin. Lignin, a complex polyphenolic heteropolymer, is a barrier to a more efficient use of biomass. Fungi have developed ways to overcome the obstacle imposed by lignin through the activity of enzymes such as peroxidases and the action of small reactive molecules. The two forms depend on the presence of hydrogen peroxide, which is produced by the activity of enzymes such as aryl-alcohol oxidases (AAOs). AAOs are enzymes belonging to the GMC superfamily of oxidoreductases and therefore have FAD as the prosthetic group. They perform the conversion of aromatic alcohols to aldehydes, with simultaneous production of hydrogen peroxide. Because of their capacity of oxidizing various substrates, and dependence only on molecular oxygen, AAOs have potential applications in the biotech industry, both as hydrogen peroxide producers and in the production of platform chemicals derived from biomass. However, characterized AAOs are few, most of the published studies being on enzymes of basidiomycete fungi from genus Pleurotus sp.. The MtAAOx enzyme of the thermophilic ascomycete M. thermophila was produced heterologously in A. nidulans, and some of its biochemical and structural properties were determined. MtAAOx is a glycosylated, monomeric, extracellular enzyme with a dissociable FAD group, capable of oxidizing phenolic and non-phenolic aromatic alcohols, including a lignin monomer, coniferyl alcohol, the substrate for which the enzyme has the highest affinity. MtAAOx, besides oxidizing aromatic alcohols, was also able to oxidize a heterocyclic substrate, 5-HMF, and to use another electron acceptor in addition to oxygen. These results, combined with the low similarity between amino acid sequences, indicate that MtAAOx has a catalytic site and substrate access channel distinct from characterized AAOs\'. The deglycosylated MtAAOx enzyme had reduced thermal stability compared to the native enzyme. The enzymatic activity was positively affected by the presence of some cations, including Ca2+. In addition to affecting the activity, Ca2+ improved thermal stability, with 5 °C increase of the melting temperature. This enzyme is a novel aryl-alcohol oxidase characterized, the first of an ascomycete fungus, and is believed to play a role in the lignin degradation of plant biomass.

A utilização descontrolada de pesticidas tem provocado no decorrer dos anos a intoxicação de milhares de pessoas no mundo, uma vez que, seus resíduos têm sido depositados em alimentos, em solos e em ambientes aquáticos. Assim, a construção de duas novas plataformas sensoras para a detecção de pesticidas é o objetivo desse trabalho. Na primeira plataforma foi utilizado o polieletrólito catiônico polietilenoimina (PEI) em conjunto com o polissacarídeo extracelular algal (PSE) produzido pela microalga criptofícea Cryptomonas tetrapirenoidosa preparados através da técnica de deposição \"spin-coating\". E a segunda plataforma foi produzida por eletrodeposição pulsada, entre um potencial de redução e um de oxidação, utilizando nanoestruturas de óxido de zinco (ZnO). Para caracterizar as plataformas, foram utilizadas as técnicas de microscopia eletrônica de varredura com fonte de emissão de campo (FEG-SEM), difração de raios X (XRD), espectroscopia de absorção ultravioleta-visível (UV-Vis), microscopia de força atômica (AFM) e espectroscopia de reflexão-absorção no Infravermelho com modulação da polarização (PM-IRRAS). Através da imobilização da enzima polifenol oxidase na forma de extrato bruto em sua fonte natural (fruto abacate), as plataformas de PEI/PSE e ZnO, foram avaliadas como biossensores de catecol e do inseticida carbaril. De modo comparativo, as plataformas de PEI/PSE sem a presença imobilizada da enzima também foram estudadas para a detecção do catecol e do carbaril. A simplicidade na formação e na construção dessas plataformas vem qualificá-las como viáveis a serem produzidas em escala industrial e com baixo custo de processamento. E diante dos resultados obtidos no desenvolvimento desses biossensores destaca-se a eficiência e a rapidez de detecção, o que os tornam economicamente promissores e competitivos em termos de aplicações ambientais. / The uncontrolled use of pesticides has resulted over the years the intoxication of thousands of people in the world, since their waste has been deposited in food, in soil and aquatic environments. Thus, the construction of two new sensors platforms for pesticide detection is the objective of this work. At first platform was used cationic polyelectrolyte polyethyleneimine (PEI) along with the extracellular algal polysaccharide (EPS) produced by microalgae criptofícea Cryptomonas tetrapirenoidosa prepared by deposition technique \"spin-coating\". The second platform was produced by pulsed electrodeposition between a reduction and an oxidation potential using nanostructures zinc oxide (ZnO). To characterize the platforms, we used the techniques of field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM), X-ray diffraction (XRD), ultraviolet visible absorption spectroscopy (UV-Vis), atomic force microscopy (AFM), and polarization modulation infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS). By immobilization of the polyphenol oxidase enzyme as a crude extract in their natural source (avocado fruit), platforms PEI/PSE and ZnO, they were evaluated as catechol and carbaryl insecticide biosensors. In a comparative way, the platforms PEI/PSE without the presence of immobilized enzyme were also studied for detection of catechol and carbaryl. The simplicity in the formation and construction of these platforms comes qualify them as viable to be produced on an industrial scale and low cost processing. And on the results obtained in the development of such biosensors stand out the efficiency and speed of detection, which make them economically promising and competitive in terms of environmental applications.

As flavoproteinas AhpF (Alquil Hidroperoxido Redutase subunidade F) e TrxR (Tiorredoxina Redutase) sao membros da familia piridina dissulfeto redutase e possuem atividade dissulfeto redutase as custas de NAD(P)H. A proteina TrxR e responsavel pela reducao de Tiorredoxina (Trx) que participa do ciclo catalitico de grande parte das enzimas da familia peroxirredoxina, alem de outras enzimas. AhpF e dedicada a reducao de AhpC, (Alquil Hidroperoxido Redutase subunidade C) uma peroxirredoxina exclusiva de bacterias, AhpC e AhpF juntas formam sistema AhpR (Alquil Hidroperoxido Redutase). AhpF possui dois dominios, Trx-like (N-terminal) e TrxR-like (C-terminal); sendo que a ultima possui alta similaridade de estrutura e sequencia a TrxR. De forma interessante AhpF possui atividade NADH-oxidase formadora de H2O2, enquanto TrxR nao possui. Provavelmente pequenas mudancas na sua estrutura contribuem para essa diferenca. A atividade NADH-oxidase esta presente em algumas flavoproteinas e esta geralmente centrada no anel de isoaloxazina do cofator FAD. Este anel quando no estado radicalar e chamado de semiquinona. A semiquinona pode estar protonada ou desprotonada, sendo que a ultima forma e relacionada com atividades oxidase e oxigenase de maneira geral, mas ainda nao existem regras claras a respeito da reatividade de flavoproteinas com o oxigenio. Para elucidar quais poderiam ser essas diferencas, nos clonamos os genes para as proteinas TrxR, AhpC e AhpF da bacteria fitopatogenica Xylella fastidiosa e os expressamos em Escherichia coli. Reconstituimos com sucesso o sistema AhpR in vitro, medindo o consumo de H2O2 na presenca de AhpC, AhpF e NADH atraves de eletrodos especificos para peroxido. Da mesma forma caracterizamos a atividade NADH-oxidase de AhpF medindo o consumo de oxigenio e a producao de peroxido de hidrogenio. Alem disso, demonstramos que a atividade NAD(P)H-oxidase e ausente em TrxR atraves de ensaios de consumo de NADH. A expressao de somente o dominio C-terminal de AhpF manteve a atividade NADH-oxidase como na proteina selvagem, levando a crer que sao diferencas no motivo TrxR-like que disparam a atividade NADH-oxidase. Analisando a sobreposicao de estruturas tridimensionais de AhpF e TrxR disponiveis no PDB em conjunto com o alinhamento de sequencia de aminoacidos destas proteinas em diferentes organismos, identificamos tres possiveis candidatos que poderiam estar envolvidos na atividade NADH-oxidase. Atraves de mutacao sitio dirigida, identificamos que a retirada do residuo de histidina entre o motivo CXXC de AhpF fez o mutante AhpF H347T apresentar metade da atividade especifica NADHoxidase. Da mesma forma a mutacao reversa em TrxR, adicionando o residuo de histidina no motivo CXXC levou a TrxR T142H apresentar uma atividade especifica significativamente maior que a TrxR selvagem. Os dados em conjunto sugerem que o residuo de histidina por sua natureza polar e relevante para a desprotonacao do anel de izoaloxazina do FAD, e a sua consequente reatividade com o oxigenio, sendo um fator importante para a atividade NADH-oxidase presente em AhpF / The flavoproteins AhpF (Alkylhydroperoxide reductase subunit F) and TrxR (Thioredoxin Reductase) are members of the nucleotide pyridine disulfide oxidoreductase family and possess disulfide reductase activity at the expense of NAD(P)H. The TrxR protein is responsible for the reduction of thioredoxin (Trx), which is used in the catalytic cycle of most peroxiredoxins, among other enzymes. AhpF is dedicated to reducing the bacterial peroxiredoxin AhpC, and together they form the AhpR system (Alkylhydroperoxide reductase system). AhpF has two domains, Trx-like (N-terminal) and TrxR-like (C-terminal); the latter has high of similarity to TrxR. Intriguingly, AhpF has an H2O2-forming NAD(P)H-dependent oxidase activity, while TrxR does not. Slight changes in the structures of these two enzymes probably account for this phenomenon. The NADH-oxidase activity is present in some flavoproteins and is generally centered in the isoalloxazine ring of the FAD cofactor. This ring in its radical state is called a semiquinone, which can be protonated or deprotonated. The deprotonated form is related to oxidase and oxygenase activities, but there are no clear rules as to the reactivity of flavoproteins and molecular oxygen. In order to elucidate these differences, we have cloned genes which code the proteins TrxR, AhpC and AhpF of the phytopathogenic bacteria Xylella fastidiosa and have expressed them in Escherichia coli. We have successfully reconstituted the AhpR system in vitro, measuring the H2O2 decrease in the presence of AhpC, AhpF and NADH, by using specific electrodes. We have similarly characterized the NADH-oxidase activity of AhpF by measuring the decrease in the levels of oxygen and the production of hydrogen peroxide. Furthermore, through assays measuring the consumption of NADH, we have demonstrated that the NAD(P)H-oxidase activity is non-existent in TrxR. The expression of only the C-terminal domain of AhpF showed NADH-oxidase activity similar to the wild-type protein, which indicated that the NADH-oxidase activity occurs due to differences in the TrxR-like motif. By analyzing the superposition of the threedimensional structures of AhpF and TrxR, as well as the alignment of their amino acid sequence in different organisms, we identified three possible candidates which could be involved in NADH-oxidase activity. Through site-directed mutation, we found that the removal of the histidine residue within the CXXC motif of AhpF caused the mutant AhpF H347T to present half of the NADH-oxidase specific activity, when compared to the wild-type protein. Likewise, the reverse mutation in TrxR, adding the histidine residue to the CXXC motif, caused TrxR T142H to have a significantly higher specific activity when compared to the wild-type TrxR. The data suggests that, because of its polar nature, the histidine residue is relevant to the deprotonation of the isoalloxazine ring of FAD and its reactivity to oxygen, and, therefore, is an important factor to the NADHoxidase activity of AhpF

Avaliamos importância da NADPH oxidase 2 (NOX2) na produção de espécies reativas de oxigênio (EROs) em ilhotas de ratas alimentadas ou em jejum, incubadas na presença de 2,8 mM ou 16,7 mM de glicose, associada ou não a leucina, com ou sem inibição da NOX2. As ilhotas dos animais alimentados ou em jejum apresentaram reduzida secreção de insulina e altas concentrações de EROs na presença de 2,8 mM de glicose. Esses parâmetros foram invertidos pela adição de inibidores da NOX2. A leucina, que é metabolizada no Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos, também aumentou a secreção de insulina por aumento de ATP, e diminuiu as EROs, devido ao aumento de NADPH, um substrato do sistema antioxidante. Desse modo, quando as ilhotas são submetidas ao jejum, a diminuição da atividade secretória é fundamental para impedir que quantidades maiores de hormônio sejam secretadas, podendo levar a uma hipoglicemia. Porém, na presença de alta concentração de glicose, a ativação das defesas antioxidantes da célula b atenua o excesso de EROS, liberando a secreção de insulina. / We sought to evaluate the importance of NADPH oxidase 2 (NOX2) in the production of reactive oxygen species (ROS) in islets from rats fed or fasted, incubated in the presence of glucose 2.8 mM or 16.7 mM, with or without leucine or inhibition of NOX2. Islets of fed or fasted animals showed reduced insulin secretion and high concentration of ROS in the presence of 2.8 mM glucose. These parameters were reversed by addition of inhibitors NOX2. Leucine that is metabolized in the cycle of Tricarboxylic Acids (TCA) also increased insulin secretion, by increasing ATP, and ROS decreased due to the increase of NADPH, a substrate of the antioxidant system. Thus, when the islets are subjected to fasting, decreased secretory activity is essential to prevent amounts of the hormone be secreted and may lead to hypoglycaemia. However, in the presence of high glucose levels, activation of antioxidant defenses of b cell attenuates the excess of ROS, releasing insulin secretion.

Bilirrubina oxidase de Myrothecium verrucaria é uma multicobre oxidase capaz de reduzir O2 pela oxidação de fenóis, aminas aromáticas e polipirróis. Eletroquimicamente, essa reação de redução ocorre pela transferência de elétrons entre a enzima e um eletrodo. Nesta tese, foi investigada a eficiência da enzima como agente redutor de O2 na superfície de eletrodos modificados pela função orgânica naftil-2-carboxilato por acoplamento de diazônio. Essa modificação na superfície do eletrodo aumenta em até quatro vezes a atividade do filme catalítico em relação à obtida por eletrodos em que a adsorção da enzima foi feita de forma convencional, sem a modificação. Foram estudados os efeitos da temperatura sobre a atividade da enzima para a redução de O2, sendo observado um aumento linear da atividade do eletrodo com o aumento da temperatura até 30 °C, de tal forma que temperaturas mais altas proporcionaram o aumento da inativação natural das moléculas de enzima. Esse efeito de inativação foi confirmado pela diminuição da atividade com o tempo na presença de O2, por cronoamperometria, sendo a atividade interrompida pela inserção de argônio e retomada do mesmo ponto pela reinserção de O2, descartando a idéia da queda de corrente proveniente da dessorção de enzima. Foi estudado também o efeito do pH na máxima atividade da bilirrubina oxidase, conduzidos entre pH 5,0 e 8,0, e verificando-se que a máxima atividade da enzima foi obtida entre pH 5,5 e 6,0 e, além disso, verificou-se que a corrente catalítica em baixos valores de pH aumenta diretamente com o aumento do sobrepotencial aplicado. Porém, em altos valores de pH, a curva de redução toma a forma sigmoidal e passa a ser independente do sobrepotencial aplicado, sendo a reação governada por etapas químicas de transferência de prótons. O uso de eletrodos de disco rotatório possibilitou resolver parâmetros de Michaelis-Menten para a cinética do filme catalítico de forma mais precisa (a resposta de corrente é menos dependente do transporte de massa de reagentes) e esses dados foram obtidos dentro de um intervalo de pH importante para aplicações práticas. O sobrepotencial da reação de redução de O2 catalisada por bilirrubina oxidase foi comparado com o sobrepotencial obtido para a mesma reação catalisada por Platina eletrodepositada sobre a superfície de grafite pirolítico, onde foi observado um sobrepotencial de 140 mV para a catálise enzimática, demasiado menor que o valor de 415 mV obtidos para a Platina, sob as mesmas condições experimentais, em pH neutro. A metodologia proposta para a construção de um cátodo para aplicação em células a combustível enzimáticas e os subsequentes estudos possibilitaram uma investigação minuciosa para caracterizar a enzima bilirrubina oxidase como talvez o catalisador mais eficiente na redução eletroquímica de oxigênio molecular em células a combustível até o momento. / Bilirubin oxidase from Myrothecium verrucaria is a multicopper oxidase reducing O2 at the expenses of phenols, aromatic amines and polypyrrols oxidation. Electrochemically, this reduction reaction undergoes through the electron transfer between enzyme and electrode. In this thesis, the enzyme was investigated as an efficient O2 reducing agent on electrode surfaces modified by naphthil-2-carboxylate functionalities through diazonium coupling. This modification of the electrode surface increases the activity of the catalytic film up to four times comparing to that obtained by electrodes in which the enzyme molecules were adsorbed conventionally, without modification. It was studied the effect of temperature on O2 reduction, in which catalysis increased linearly with temperature up to 30 °C, and higher temperatures increased the natural enzyme inactivation. This inactivation was confirmed by the activity drop off with time in the presence of O2, by chronoamperometry, ceased out when argon was inserted into the cell and re-established from the same point when argon was purged out by insertion of O2. These results cast aside the idea of activity drop off caused by enzyme desorption. It was also investigated the pH effect on the maximum activity of bilirubin oxidase, carried out between pH 5.0 and 8.0, being the highest activity obtained at pH 5.5-6.0. Furthermore, it was observed that the catalytic current directly increases with applied overpotential, at low pH values, and the reduction wave shape becomes sigmoidal and independent on applied overpotential at high pH values. The reaction is then governed by chemical steps, as the proton transfer. The use of rotating-disc electrodes favored solving the Michaelis-Menten kinetics for the catalytic film in a much greater accuracy (the current response is much less dependent on reagent mass transport) and these data were obtained for pH interval important for practical applications. The overpotential for the O2 reduction reaction catalyzed by bilirubin oxidase was compared to the overpotential obtained by the same reaction catalyzed by Platinum electrodeposited onto a pyrolytic graphite electrode. An overpotential of only 140 mV was observed for the enzymatic catalysis, much lower compared to the 415 mV obtained for the Platinum electrode, under the same experimental conditions, at neutral pH. The proposed method for constructing a cathode for enzymatic fuel cell application and subsequent investigation described allowed an in-depth study of bilirubin oxidase characterization as perhaps the most efficient catalysts for the electrochemical reduction of molecular oxygen in fuel cells to date.

Nesta dissertação, a polifenol oxidase (PFO) como extrato bruto de abacate (Persea americana) foi imobilizada em filmes de polipirrol (PPI) sintetizados eletroquimicamente utilizando o glutaraldeído (GA) como um agente de ligação entrecruzada. Os filmes PPI e PPI/PFO-GA foram caracterizados por eletroquímica, principalmente voltametria cíclica, sendo avaliadas a eletroatividade e a reversibilidade eletroquímica. A detecção de compostos fenólicos em soluções padrão foi feita por cronoamperometria, tendo um controle sobre a concentração dos compostos. O processo de transferência de massa foi monitorado com uma microbalança de cristal de quartzo eletroquímica. Os resultados indicaram uma boa reprodutibilidade das medidas na detecção dos compostos fenólicos. A estabilidade do biossensor em uma solução tampão manteve-se durante 27 dias, um resultado aceitável já que é encontrado na literatura um tempo de vida estável para sistemas semelhantes em tomo de 30 dias / In this dissertation, polyphenol oxidase (PPO) as crude extract of avocado (Persea americana) was immobilized on electrochemical1y synthesized polypyrrole (PPY) films using glutaraldehyde (GA) as a crosslinking agent. PPY and PPY/PPO-GA films were electrochemical1y characterized, mainly by cyclic voltametry, where electroactivity and electrochemical reversibility were evaluated. The detection of phenolic compounds in standard samples was made by chronoamperometry with a control over the compound concentration. The process of mass transfer was monitored with an electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM). Our results indicated a good repeatability of the measurements for the detection of phenolic compounds. The stability of biosensor in a buffer solution has remained for 27 days, a result acceptable since it is found in the literature a time of life stable for similar systems around 30 days