Made available in DSpace on 2017-07-24T19:38:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosana Mossanha.pdf: 1591695 bytes, checksum: aac2e3d256b391dd0e8f113bb72eb620 (MD5) Previous issue date: 2011-03-03 / In this work were studied investigated different types of modifiers for the formation of self-assembled monolayers on the gold surface. The monolayers used were formed by different structural arrangements, alkyl chains and functional groups. The thiols groups used were: 3-mercaptopropionic acid (MPA), thiolactic acid (TLA), cystamine (CYS) and 11-mercaptoundecanoic acid. The electroactivity of films of different thiols was assessed by the probe molecule, Fe(CN)63-/4-. It was possible to observe through the cyclic voltammetry technique, the formation and organization of the films, monitoring the behavior of the redox couple. The voltammograms showed a decrease in the faradaic current response with the increase of immersion time of the gold substrate in ethanolic solution of thiols, suggesting that the process of electron transfer occurs through the pinholes of the electrodes surface and tunneling. The monolayers of 3-mercaptopropionic acid (MPA) and thiolactic acid (TLA) had a better coating of the surface in immersion time of 3 hours. While the 11-mercaptopropionic acid (MUA) and cystamine (CYS) needed more time to organize the monolayer, 24 hours, because the MUA is a long chain molecule and CYS because the cleavage of S-S. The size of thiol chain influenced the surface organization, short-chain thiols tend to form monolayers with a considerable amount of defects, leading to a lower coating on the electrode surface. Indeed, the MUA that contains a high number of carbons in the chain showed a higher surface coverage, which caused loss of voltammetric response. The electrode surface roughness and the active area, calculated by the voltammetric data, showed a decrease with the formation of the monolayers on gold surface. Aiming to estimate the amount of molecules immobilized on the surface, it was calculated the superficial excess ) by voltammetric charge obtained from the reductive desorption. The obtained values were of 1.88x10-10 for Au-CYS, 5.03x10-10 to Au-MPA, 1.06x10-8 for Au-MUA and 1.35x10-10 mol.cm-2 for the Au-TLA, demonstrating an almost complete coverage of active sites on the surface. By the electrochemical impedance spectroscopy technique, it was possible to determine the kinetic parameters of the SAMs, which were consistent with those obtained by cyclic voltammetry. Analyzing the performance of sensors for dopamine determination through the VC, it was found that the SAM formed by TLA presented the most satisfactory results regarding the sensitivity and selectivity compared to the analyte DA. Studies at different scan rates for the electrodes, Au-MPA, Au-TLA and Au-CYS in the presence of the analite showed that the anodic peak current linearly increases with the square root of scan rate, indicating that the electron transfer process is controlled by diffusion of species to the electrode surface. Dopamine was quantified by CV and SWV technique, in the linear range from 1.1 to 6.6x10-7 mol L-1 with detection limits of 1,42x10-7 mol L-1 and 4,77x10-8 mol L-1, respectively. Using the technique of VOQ, TLA-Au electrode was able to distinguish between AA and DA, when present in the same solution, with a potential difference of approximately 340 mV. / Neste trabalho foram investigados diferentes tipos de modificadores para a formação de monocamadas auto-organizadas sobre a superfície do ouro. As monocamadas utilizadas foram formadas por diferentes arranjos estruturais, tamanho da cadeia carbônica e grupos funcionais. Os tióis utilizados foram: ácido 3- mercaptopropiônico (MPA), ácido tioláctico (TLA), cistamina (CYS) e o ácido 11-mercaptoundecanóico. A eletroatividade dos filmes dos diferentes tióis foi avaliada pela molécula sonda, Fe(CN)6]3-/4-. Foi possível constatar através da técnica de voltametria cíclica, a formação e a organização dos filmes, monitorando o comportamento do par redox. Os voltamogramas mostraram um decréscimo nas respostas da corrente faradaica com o aumento do tempo de imersão do substrato ouro na solução etanólica dos tióis, sugerindo que o processo de transferência de elétrons ocorre através dos pinholes da superfície e por tunelamento. Os eletrodos com as monocamadas de ácido 3-mercaptopropiônico (MPA) e o ácido tioláctico (TLA) obtiveram melhor recobrimento da superfície no tempo de imersão de 3 horas. Enquanto que o ácido 11-mercaptopropiônico (MUA) e a cistamina (CYS) necessitaram de maior tempo de imersão para organização da monocamada, de 24 horas, devido o MUA ser uma molécula de cadeia longa e a CYS devido a quebra da ligação S-S. O tamanho da cadeia do tiol influenciou no empacotamento da superfície, tióis de cadeia curtas tendem a formar monocamadas com uma quantidade de defeitos considerável, levando ao um menor recobrimento na superfície eletródica. O MUA que contém um número elevado de carbonos na cadeia apresentou um maior recobrimento da superfície, o que ocasionou perda da resposta voltamétrica. A rugosidade e a área ativa dos diferentes eletrodos, calculadas a partir dos voltamogramas, diminuíram com a formação das monocamadas sobre a superfície do ouro. Com o objetivo de estimar a quantidade de moléculas imobilizadas sobre a superfície, foram calculados os excessos superficiais por meio da carga voltamétrica obtida da dessorção redutiva. Os valores obtidos foram de = 1,88x10-10 para Au-CYS, 5,03x10-10 para Au-MPA, 1,06x10-8 para Au-MUA e 1,35x10-10 mol.cm-2 para o Au-TLA, demonstrando uma cobertura quase completa dos sítios ativos da superfície. Pela técnica de espectroscopia de impedância eletroquímica foi possível determinar os parâmetros cinéticos das SAMs, os quais foram consistentes com os obtidos pelos voltamogramas cíclicos. Analisando o desempenho dos sensores para a determinação de dopamina (DA) através da VC, verificou que a SAM formada pelo TLA foi a que apresentou resultados mais satisfatórios quanto a sensibilidade e seletividade em relação a este analito. Estudos em diferentes velocidades de varredura para os eletrodos Au-MPA, Au-TLA e Au-CYS na presença do analito mostraram que a corrente de pico anódica aumenta linearmente com a raiz quadrada da velocidade de varredura, indicando que o processo de transferência de elétrons é controlado pela difusão das espécies à superfície do eletrodo. A dopamina foi quantificada pela técnica de VC e VOQ, na faixa linear de 1,1 a 6,6x10-7 mol L-1 com limites de detecção de 1,42x10-7 mol L-1e 4,77x10-8 mol L-1, respectivamente. Utilizando-se a técnica de VOQ, o eletrodo Au-TLA foi capaz de distinguir o ácido ascórbico (AA) e DA quando presentes na mesma solução, com uma diferença de potencial de aproximadamente 340 mV.

Este trabalho consistiu de estudos da viabilidade da geração e identificação de radicais livres envolvidos em processos oxidativos avançados por via eletroquímica. Para a geração e identificação de radicais livres em eletrodos modificados com organotióis via eletroquímica, escolheu-se uma técnica pouco aplicada para este fim; a espectroscopia de impedância eletroquímica, e o ajuste dos dados experimentais pela proposta de modelos de circuitos equivalentes. O eletrodo de trabalho utilizado (Au) foi caracterizado em meio ácido e básico e diversas monocamadas auto-organizadas conhecidas foram adsorvidas sobre o mesmo e também caracterizadas por esta técnica. Parâmetros importantes como constante dielétrica, capacitância de uma monocamada livre de defeitos e grau de recobrimento foram determinados com êxito. Também foram empregadas moléculas menos utilizadas como modificadoras de eletrodos (fenotiazinas e derivados). As mesmas foram caracterizadas no sistema Au/adsorvente/NaOH, pois, o pH alto garante a formação do radical superóxido e do ânion hidroperóxido. Os mesmos modelos de circuitos equivalentes puderam ser empregados na obtenção dos parâmetros físicos relativos a essas moléculas no sistema eletroquímico utilizado. Em uma etapa subsequente obteve-se a valiosa informação, se as moléculas adsorvidas sobre Au poderiam ser usadas para a geração de superóxido e outros radicais. As monocamadas de tióis, quando utilizadas para gerar radicais livres, se mostraram aptas a gerar superóxido em meio alcalino saturado com oxigênio molecular. Como se demonstrou na etapa de caracterização, as SAM-3 e SAM-6 não formaram um empacotamento totalmente hidrofóbico. Por este motivo, mesmo que superóxido tenha sido gerado, não pôde ser detectado. Já para a fenotiazina e seu metil-derivado, a cinética de adsorção e a utilização de soluções aquosas impediram a formação de um filme completo e homogêneo, imprescindível para a constituição de uma interface hidrofóbica e isolante. Além disso, possíveis reações de complexação entre as moléculas e superóxido, reações entre a fenotiazina cátion-radical e superóxido fazem necessários mais estudos acerca da natureza eletroquímica do sistema, que já é bastante conhecido fotoquimicamente. Posterior a modificação, todos os eletrodos se mostraram ser bastante sensíveis ao pH e aos eletrólitos utlizados, alterando-se a estrutura interna muito facilmente, o qual implica uma limitação no tempo de uso e reprodutibilidade quando da geração de um radical tão reativo quanto superóxido. / This work consisted in testing the viability of investigations into the electrochemical generation and identification of free radicals involved in advanced oxidative processes. In these studies, a technique which is rarely used for the electrochemical generation and identification of free radicals at organothiole-modified electrodes, electrochemical impedancy spectroscopy, was chosen and the experimental data obtained were fitted by equivalent circuit models. A working electrode (Au) was characterized in both acidic and basic media and several known self-assembled monolayers were adsorbed over this electrode and also characterized using this technique. Important parameters such as dielectric constants, capacitance of the monolayers free of defects and coverage were determined with success. Other lesser-known molecules such as phenothiazines and their derivatives were also used .The modified electrodes were characterized in NaOH solution, since the high pH assures the production of superoxide radicals and hydroperoxylate anions. The equivalent circuit model was employed to obtain physical parameters for these molecules in the electrochemical systems studied. In a subsequent step, a valuable piece of information was obtained; it was noted that the molecules adsorbed over Au could be used in order to generate superoxide and other radicals. The ability of thiol monolayers used in the generation of free radicals, to produce superoxides in alkaline media saturated with molecular oxygen was demonstrated. However, characterization of the self-assembled monolayers, SAM-3 and SAM-6, revealed that these were not able to pack in a completely hydrophobic manner. This may account for the fact that the superoxide could not be detected even when it was believed to have formed. For the phenothiazine-modified electrodes, the adsorption kinetics and the utilization of aqueous solutions prevented the formation of an intact and homogeneous film, which is essential in establishing a hydrophobic and isolating interface. Furthermore, possible complexation reactions between the molecules and the superoxide and reactions between the phenothiazine cation-radical and superoxide, point to the need for further studies regarding the electrochemical nature of this system, whose photochemical properties are very well known. Following modification, all the electrodes were shown to be too sensitive to pH and to the electrolytes used, since the inner structure was easily modified, which implies that they would have a limited time of use and in addition that the reproducibility of the rate of generation of reactive radical species such as superoxides could be compromised.

Os ânions inorgânicos nitrato (NO3-) e nitrito (NO2-) por muito tempo foram considerados produtos finais inertes do metabolismo do óxido nítrico (NO) e constituintes indesejáveis da dieta. Entretanto, é crescente o interesse das potenciais reações que podem se processar em meio fisiológico e, que envolvem especialmente o íon nitrito mediadas por complexos de metais de transição. Ferro-heme presente em proteínas como a mioglobina podem formar complexos porfirínicos com NO, gerando espécies que podem atuar principalmente como catalisadores em diversas vias biológicos importantes. Complexos com NOx coordenado a ferro-heme estão envolvidos tanto no processo da cura da carne (pigmentação da carne), como em processos redox, nos quais são capazes de oxidar substratos indiretamente pela produção de espécies reativas ou diretamente por reações de transferência de átomo de oxigênio (TAO). Os lipídeos, constituintes celulares fundamentais na composição de membranas e lipoproteínas, podem servir como substratos para essas reações e, sua oxidação pode ocasionar danos ao organismo. Tióis, importantes antioxidantes e constituintes de proteínas, também podem participar desse tipo de reações e, conseqüentemente gerar danos ao organismo. Considerando que o mecanismo e os parâmetros cinéticos e termodinâmicos destas reações ainda não foram completamente estabelecidos para explicar a vasta funcionalidade destes complexos, o presente projeto de pesquisa visa proporcionar um melhor conhecimento das reações redox envolvendo NOx e mediadas por porfirinas de ferro em alimentos e sistemas biológicos. / For long time, the anions nitrate (NO3-) and nitrite (NO2-) were considered inert end products of nitric oxide (NO) metabolism and undesirable constituents of the diet. Currently, there is an increasing interest for potential reactions which may occur in physiological conditions involving specially the nitrite ion and mediated by transition metal complexes. Heme NOx iron complexes are involved in meat curing process (meat pigmentation) and are able to oxidize substrates indirectly generating reactive species or directly by oxygen atom transfer reactions (OAT). Lipids, fundamental cellular constituents of membranes and lipoproteins, and thiols, important antioxidants and protein constituents, may serve as substrates to OAT and their oxidation may promote damage to the organism Considering that the mechanism and kinetic and thermodinamic parameters of these reaction have not yet been fully elucidated to explain the varied functionality of these complexes, the present research project aim to bring a better understanding of redox reactions involving NOx mediated by iron porphyrins in foods and biological systems. Thiols, important antioxidants and protein constituents, may serve as substrates to OAT and their oxidation may promote damage to the organism. The present work aims to bring a better understanding of the mechanism, kinetic and thermodynamic parameters of the reaction involving nitrite mediated by iron-porphyrins in food and biological systems.

A reatividade das lupulonas, terpenos, flavonoides prenilados e compostos contendo grupos tióis livre foi avaliada frente ao radical 1-hidroxietila (HER) para melhor conhecer o balanço redox da cerveja. As constantes de velocidade aparentes (kap) para a reação entre HER e os substratos supracitados foram obtidas via cinética de competição utilizando a armadilha química 4-POBN como competidor e monitorando-se o aduto radical formado por RPE. A partir dos valores obtidos de kap (108 L mol-1 s-1 para as lupulonas, 105 a 107 L mol-1 s-1 para terpenos, 109 L mol-1 s-1 para os flavonoides prenilados, e 108 a 109 L mol-1 s-1 para tióis) e pelas concentrações médias destes compostos na cerveja, pôde-se inferir que a extensão da degradação térmica destes compostos na bebida aumenta na ordem: lupulonas > tióis > flavonoides prenilados > terpenos. Os produtos de reação foram identificados por espectrometria de massas, e através de investigações eletroquímicas e cálculos ab initio empregando-se DFT se propôs um mecanismo de reação. Os produtos de degradação pela reação com HER foram: derivados hidroxilados e compostos de adição do radical HER para as lupulonas; derivados hidroxilados para os terpenos; derivados de adição do radical HER para os flavonoides prenilados; e dissulfetos para os tióis. Em experimento similar foram determinadas as kap para a reação entre metil ésteres derivados de ácidos graxos insaturados e esteróis com o HER, cujos valores de kap variaram de (2,7 ± 0,1) x 107 até (5,2 ± 0,1) x 107 L mol-1 s-1 para o metil docosahexanoato e ergosterol, respectivamente. Os dados cinéticos aqui obtidos contribuem para um melhor conhecimento da degradação térmica oxidativa da cerveja, bem como sugerem que os polifenóis prenilados podem conferir um significativo efeito antioxidante ao organismo humano quando do seu consumo e absorção. / The reactivity of lupulones, terpenes, prenilated flavonoids and thiol-containing compounds was evaluated towards the 1-hydroxyethyl radical (HER) to provide a better knowledge of the redox balance of beer. The apparent rate constants (kap) for the reaction between HER and the substrates were obtained through a competitive kinetic approach using the spin-trap 4-POBN as a competitor and by monitoring the radical adduct by EPR. From the obtained values of kap (108 L mol-1 s-1 for lupulones, from 105 to 107 L mol-1 s-1 for terpenes, 109 L mol-1 s-1 for prenylated flavonoids, and from 108 to 109 L mol-1 s-1 thiol compounds) and the average concentrations of these compounds in beer, it is possible to infer that the extension of the thermal degradation on the beverage is enhanced according to: lupulones > thiol compounds > prenylated flavonoids > terpenes. The reaction products were identified by mass spectrometry, and by electrochemical investigations and ab initio (DFT) calculation, a reaction mechanism has been proposed. The degradation products for the reaction with HER were: hydroxide derivatives and HER addition products for the lupulones; hydroxide derivatives for terpenes; HER addition derivatives for prenylated flavonoids; and disulfides for thiol cmpounds. In similar experiments it was determined the kap for the reaction among methyl ester derivatives of unsaturated fatty acids and sterols with HER, with kap values ranging from (2.7 ± 0.1) x 107 to (5.2 ± 0.1) x 107 L mol-1 s-1 for the methyl docosahexanoate and ergosterol, respectively. The obtained kinetic data may contribute for a better knowledge of the thermal oxidative degradation of beer, as well as may suggest that prenylated polyphenols could present a significant antioxidant effect in the human body through its consumption and absorption.

Este trabalho consistiu de estudos da viabilidade da geração e identificação de radicais livres envolvidos em processos oxidativos avançados por via eletroquímica. Para a geração e identificação de radicais livres em eletrodos modificados com organotióis via eletroquímica, escolheu-se uma técnica pouco aplicada para este fim; a espectroscopia de impedância eletroquímica, e o ajuste dos dados experimentais pela proposta de modelos de circuitos equivalentes. O eletrodo de trabalho utilizado (Au) foi caracterizado em meio ácido e básico e diversas monocamadas auto-organizadas conhecidas foram adsorvidas sobre o mesmo e também caracterizadas por esta técnica. Parâmetros importantes como constante dielétrica, capacitância de uma monocamada livre de defeitos e grau de recobrimento foram determinados com êxito. Também foram empregadas moléculas menos utilizadas como modificadoras de eletrodos (fenotiazinas e derivados). As mesmas foram caracterizadas no sistema Au/adsorvente/NaOH, pois, o pH alto garante a formação do radical superóxido e do ânion hidroperóxido. Os mesmos modelos de circuitos equivalentes puderam ser empregados na obtenção dos parâmetros físicos relativos a essas moléculas no sistema eletroquímico utilizado. Em uma etapa subsequente obteve-se a valiosa informação, se as moléculas adsorvidas sobre Au poderiam ser usadas para a geração de superóxido e outros radicais. As monocamadas de tióis, quando utilizadas para gerar radicais livres, se mostraram aptas a gerar superóxido em meio alcalino saturado com oxigênio molecular. Como se demonstrou na etapa de caracterização, as SAM-3 e SAM-6 não formaram um empacotamento totalmente hidrofóbico. Por este motivo, mesmo que superóxido tenha sido gerado, não pôde ser detectado. Já para a fenotiazina e seu metil-derivado, a cinética de adsorção e a utilização de soluções aquosas impediram a formação de um filme completo e homogêneo, imprescindível para a constituição de uma interface hidrofóbica e isolante. Além disso, possíveis reações de complexação entre as moléculas e superóxido, reações entre a fenotiazina cátion-radical e superóxido fazem necessários mais estudos acerca da natureza eletroquímica do sistema, que já é bastante conhecido fotoquimicamente. Posterior a modificação, todos os eletrodos se mostraram ser bastante sensíveis ao pH e aos eletrólitos utlizados, alterando-se a estrutura interna muito facilmente, o qual implica uma limitação no tempo de uso e reprodutibilidade quando da geração de um radical tão reativo quanto superóxido. / This work consisted in testing the viability of investigations into the electrochemical generation and identification of free radicals involved in advanced oxidative processes. In these studies, a technique which is rarely used for the electrochemical generation and identification of free radicals at organothiole-modified electrodes, electrochemical impedancy spectroscopy, was chosen and the experimental data obtained were fitted by equivalent circuit models. A working electrode (Au) was characterized in both acidic and basic media and several known self-assembled monolayers were adsorbed over this electrode and also characterized using this technique. Important parameters such as dielectric constants, capacitance of the monolayers free of defects and coverage were determined with success. Other lesser-known molecules such as phenothiazines and their derivatives were also used .The modified electrodes were characterized in NaOH solution, since the high pH assures the production of superoxide radicals and hydroperoxylate anions. The equivalent circuit model was employed to obtain physical parameters for these molecules in the electrochemical systems studied. In a subsequent step, a valuable piece of information was obtained; it was noted that the molecules adsorbed over Au could be used in order to generate superoxide and other radicals. The ability of thiol monolayers used in the generation of free radicals, to produce superoxides in alkaline media saturated with molecular oxygen was demonstrated. However, characterization of the self-assembled monolayers, SAM-3 and SAM-6, revealed that these were not able to pack in a completely hydrophobic manner. This may account for the fact that the superoxide could not be detected even when it was believed to have formed. For the phenothiazine-modified electrodes, the adsorption kinetics and the utilization of aqueous solutions prevented the formation of an intact and homogeneous film, which is essential in establishing a hydrophobic and isolating interface. Furthermore, possible complexation reactions between the molecules and the superoxide and reactions between the phenothiazine cation-radical and superoxide, point to the need for further studies regarding the electrochemical nature of this system, whose photochemical properties are very well known. Following modification, all the electrodes were shown to be too sensitive to pH and to the electrolytes used, since the inner structure was easily modified, which implies that they would have a limited time of use and in addition that the reproducibility of the rate of generation of reactive radical species such as superoxides could be compromised.

A reatividade das lupulonas, terpenos, flavonoides prenilados e compostos contendo grupos tióis livre foi avaliada frente ao radical 1-hidroxietila (HER) para melhor conhecer o balanço redox da cerveja. As constantes de velocidade aparentes (kap) para a reação entre HER e os substratos supracitados foram obtidas via cinética de competição utilizando a armadilha química 4-POBN como competidor e monitorando-se o aduto radical formado por RPE. A partir dos valores obtidos de kap (108 L mol-1 s-1 para as lupulonas, 105 a 107 L mol-1 s-1 para terpenos, 109 L mol-1 s-1 para os flavonoides prenilados, e 108 a 109 L mol-1 s-1 para tióis) e pelas concentrações médias destes compostos na cerveja, pôde-se inferir que a extensão da degradação térmica destes compostos na bebida aumenta na ordem: lupulonas > tióis > flavonoides prenilados > terpenos. Os produtos de reação foram identificados por espectrometria de massas, e através de investigações eletroquímicas e cálculos ab initio empregando-se DFT se propôs um mecanismo de reação. Os produtos de degradação pela reação com HER foram: derivados hidroxilados e compostos de adição do radical HER para as lupulonas; derivados hidroxilados para os terpenos; derivados de adição do radical HER para os flavonoides prenilados; e dissulfetos para os tióis. Em experimento similar foram determinadas as kap para a reação entre metil ésteres derivados de ácidos graxos insaturados e esteróis com o HER, cujos valores de kap variaram de (2,7 ± 0,1) x 107 até (5,2 ± 0,1) x 107 L mol-1 s-1 para o metil docosahexanoato e ergosterol, respectivamente. Os dados cinéticos aqui obtidos contribuem para um melhor conhecimento da degradação térmica oxidativa da cerveja, bem como sugerem que os polifenóis prenilados podem conferir um significativo efeito antioxidante ao organismo humano quando do seu consumo e absorção. / The reactivity of lupulones, terpenes, prenilated flavonoids and thiol-containing compounds was evaluated towards the 1-hydroxyethyl radical (HER) to provide a better knowledge of the redox balance of beer. The apparent rate constants (kap) for the reaction between HER and the substrates were obtained through a competitive kinetic approach using the spin-trap 4-POBN as a competitor and by monitoring the radical adduct by EPR. From the obtained values of kap (108 L mol-1 s-1 for lupulones, from 105 to 107 L mol-1 s-1 for terpenes, 109 L mol-1 s-1 for prenylated flavonoids, and from 108 to 109 L mol-1 s-1 thiol compounds) and the average concentrations of these compounds in beer, it is possible to infer that the extension of the thermal degradation on the beverage is enhanced according to: lupulones > thiol compounds > prenylated flavonoids > terpenes. The reaction products were identified by mass spectrometry, and by electrochemical investigations and ab initio (DFT) calculation, a reaction mechanism has been proposed. The degradation products for the reaction with HER were: hydroxide derivatives and HER addition products for the lupulones; hydroxide derivatives for terpenes; HER addition derivatives for prenylated flavonoids; and disulfides for thiol cmpounds. In similar experiments it was determined the kap for the reaction among methyl ester derivatives of unsaturated fatty acids and sterols with HER, with kap values ranging from (2.7 ± 0.1) x 107 to (5.2 ± 0.1) x 107 L mol-1 s-1 for the methyl docosahexanoate and ergosterol, respectively. The obtained kinetic data may contribute for a better knowledge of the thermal oxidative degradation of beer, as well as may suggest that prenylated polyphenols could present a significant antioxidant effect in the human body through its consumption and absorption.

Proteína dissulfeto isomerase (PDI) é uma ditiol-dissulfeto óxido redutase ubíqua que é responsável por uma série de funções celulares, inclusive na sinalização celular e nas respostas a eventos que causam dano celular. Entretanto, a PDI pode se tornar disfuncional através das modificações pós-traducionais, incluindo as promovidas por oxidantes biológicos. Estes oxidantes são provavelmente os responsáveis pelas modificações oxidativas pós-traducionais da PDI que foram detectadas em várias condições associadas ao estresse oxidativo, levando à disfunção da proteína. Devido a falta de estudos cinéticos com a PDI nativa e a falta de caracterização dos produtos dessas reações, investigamos se a diminuição da fluorescência da PDI nativa pode ser empregada para estudos da cinética de oxidação com peróxido de hidrogênio. Posteriormente, investigamos a cinética e os produtos da reação entre PDI e peroxinitrito. Nossos experimentos mostraram que a oxidação por excesso de peróxido de hidrogênio levava a uma diminuição da fluorescência de forma dependente do tempo e da concentração do oxidante, permitindo a determinação da constante de velocidade de segunda ordem (k = (17,3±1,3) M-1 s-1, pH 7,4, 25 ºC). Relevantemente, mostramos que o processo era totalmente revertido por DDT, mostrando que o peróxido de hidrogênio oxida quase que exclusivamente os grupos ditióis da PDI (Cys53 e Cys56 e Cys397 e Cys400). Utilizando a mesma abordagem para estudar a oxidação da PDI por peroxinitrito, notamos que o decréscimo da fluorescência intrínseca da PDI nativa e a velocidade só era proporcional à concentrações sub-estequiométricas ou estequiométricas do oxidante em relação aos tióis reativos da PDI. Somente nessas condições o processo se mostrava reversível por DDT, indicando que os ditióis da PDI eram o alvo preferencial do peroxinitrito mas que a oxidação de outros resíduos também ocorria. A reação dos tióis reativos da PDI com peroxinitrito foi considerada relativamente rápida (6,9 ± 0,6 × 104 M-1 s-1, pH 7,4, 25 °C), e os resíduos de Cys reativos dos domínios a e a\' aparentam reagir com constantes de velocidade similares. Experimentos de proteólise limitada, simulações cinética e análises de MS e MS/MS confirmaram que o peroxinitrito oxida preferencialmente os tióis redox ativos da PDI para os ácidos sulfênicos correspondentes, que, subsequentemente, reagem com os tióis vizinhos, produzindo dissulfetos (Cys53- Cys56 e Cys397- Cys400). Entretanto, uma fração de peroxinitrito decai para radicais levando à hidroxilação e nitração de outros resíduos próximos ao sítio redox ativo (Trp52 Trp396 e Tyr393). Assim, investigamos também a oxidação da PDI por excesso de peroxinitrito em relação aos grupos tióis reativos por diferentes metodologias. Experimentos de SDS-PAGE, western-blot e atividade redutase mostraram que o peroxinitrito promove inativação, nitração e agregação da PDI de forma dependente da concentração de peroxinitrito. Análises de MS e MS/MS mostraram que, em excesso, o peroxinitrito promove nitração (Tyr43, Tyr49, Tyr196, Tyr393, Trp52, Trp396) e hidroxilação (Trp52, Trp396) da PDI. Em síntese, nossos estudos contribuem para melhor compreensão da oxidação da PDI por peroxinitrito e de suas possíveis consequências biológicas. / Protein disulfide isomerase (PDI) is a ubiquitous dithiol-disulfide oxidoreductase that performs an array of cellular functions, including in cellular signaling and responses to cell-damaging events. Nevertheless, PDI can become dysfunctional by post-translational modifications, including those promoted by biological oxidants. These oxidants are likely responsible for the oxidative post-translational modifications of PDI, which have detected under various conditions associated with oxidative stress, leading to protein dysfunction. However, the kinetics of the reactions of PDI with biological oxidants received limited studies and the products of these reactions were not characterized. Here, we examined whether the decrease in PDI fluorescence can be employed to follow the kinetics of the reaction of the full-length protein with biological oxidants. Also, we investigated the kinetics and products of the reaction between PDI and peroxynitrite. Our experiments showed that oxidation by excess hydrogen peroxide led to a decrease of PDI intrinsic fluorescence in a time- and concentration-dependent manner , permitting the determination of the second-order rate constant of the reaction (k = (17.3 ± 1.3 ) M1 s-1, pH 7.4, 25 ° C). The oxidation was reversed by DDT, indicating that hydrogen peroxide oxidizes mainly PDI dithiols (Cys53 and Cys56 and Cys397 and Cys400). Using the same approach to study PDI oxidation by peroxynitrite we noted that the decrease of the native PDI fluorescence was proportional to sub-stoichiometric or stoichiometric concentrations of the oxidant relative to that of PDI reactive thiols. Only under these conditions, PDI oxidation was reversed by DDT, indicating that PDI dithiols were the preferred target of peroxynitrite but that oxidation of other residues also occurred. The reaction of the active redox thiols of the PDI with peroxynitrite can be considered relatively fast (6.9 ± 0.6 × 104 M-1 s-1, pH 7.4, 25 ° C), and the reactive Cys residues of domains a and a\' were kinetically indistinguishable. Limited proteolysis experiments, kinetic simulations, and MS and MS/MS analyses confirmed that peroxynitrite preferentially oxidizes the redox-active Cys residues of PDI to the corresponding sulfenic acids, which subsequently react with the resolving thiols to produce disulfides (Cys53-Cys56 and Cys397-Cys400). However, a fraction of peroxynitrite decays to radicals leading to hydroxylation and nitration to other residues located close to the active site (Trp52 Trp396 and Tyr393). SDS-PAGE, western blotting and inhibition of the reductase activity experiments confirmed that excess peroxynitrite promotes further PDI oxidation, nitration, inactivation and aggregation in a concentration-dependent manner. MS and MS/MS analyzes showed that peroxynitrite in a ten times excess relative to PDI reactive thiols promote PDI nitration (Tyr43, Tyr49, Tyr196, Tyr393, Trp52, Trp396) and hydroxylation (Trp52, Trp396). In conclusion, our studies contribute to a better understanding of PDI oxidation by peroxynitrite and its possible biological consequences

Os ânions inorgânicos nitrato (NO3-) e nitrito (NO2-) por muito tempo foram considerados produtos finais inertes do metabolismo do óxido nítrico (NO) e constituintes indesejáveis da dieta. Entretanto, é crescente o interesse das potenciais reações que podem se processar em meio fisiológico e, que envolvem especialmente o íon nitrito mediadas por complexos de metais de transição. Ferro-heme presente em proteínas como a mioglobina podem formar complexos porfirínicos com NO, gerando espécies que podem atuar principalmente como catalisadores em diversas vias biológicos importantes. Complexos com NOx coordenado a ferro-heme estão envolvidos tanto no processo da cura da carne (pigmentação da carne), como em processos redox, nos quais são capazes de oxidar substratos indiretamente pela produção de espécies reativas ou diretamente por reações de transferência de átomo de oxigênio (TAO). Os lipídeos, constituintes celulares fundamentais na composição de membranas e lipoproteínas, podem servir como substratos para essas reações e, sua oxidação pode ocasionar danos ao organismo. Tióis, importantes antioxidantes e constituintes de proteínas, também podem participar desse tipo de reações e, conseqüentemente gerar danos ao organismo. Considerando que o mecanismo e os parâmetros cinéticos e termodinâmicos destas reações ainda não foram completamente estabelecidos para explicar a vasta funcionalidade destes complexos, o presente projeto de pesquisa visa proporcionar um melhor conhecimento das reações redox envolvendo NOx e mediadas por porfirinas de ferro em alimentos e sistemas biológicos. / For long time, the anions nitrate (NO3-) and nitrite (NO2-) were considered inert end products of nitric oxide (NO) metabolism and undesirable constituents of the diet. Currently, there is an increasing interest for potential reactions which may occur in physiological conditions involving specially the nitrite ion and mediated by transition metal complexes. Heme NOx iron complexes are involved in meat curing process (meat pigmentation) and are able to oxidize substrates indirectly generating reactive species or directly by oxygen atom transfer reactions (OAT). Lipids, fundamental cellular constituents of membranes and lipoproteins, and thiols, important antioxidants and protein constituents, may serve as substrates to OAT and their oxidation may promote damage to the organism Considering that the mechanism and kinetic and thermodinamic parameters of these reaction have not yet been fully elucidated to explain the varied functionality of these complexes, the present research project aim to bring a better understanding of redox reactions involving NOx mediated by iron porphyrins in foods and biological systems. Thiols, important antioxidants and protein constituents, may serve as substrates to OAT and their oxidation may promote damage to the organism. The present work aims to bring a better understanding of the mechanism, kinetic and thermodynamic parameters of the reaction involving nitrite mediated by iron-porphyrins in food and biological systems.

Os lipídeos abrangem uma ampla gama de moléculas hidrofóbicas presentes nas células. As características moleculares dos lipídios determinam sua localização celular e função biológica. Em geral, os lipídios são considerados componentes essenciais de membranas, reservatórios de energia e moduladores de vias de sinalização ligadas ao metabolismo celular, sobrevivência, entre outros. Em mamíferos, grande parte dos lipídios é esterificada em ácidos graxos poli-insaturados (PUFAs), especialmente os ácidos docosahexaenóico (DHA) e araquidônico (ARA), essenciais para vários processos fisiológicos, incluindo o desenvolvimento normal do cérebro. No entanto, os PUFAs são muito suscetíveis à oxidação por espécies reativas de oxigênio (ROS) geradas endogenamente. Uma vez oxidados, lipídios são capazes de modificar grupos tióis de peptídeos e proteínas, levando à modulação das vias de sinalização e alterando o balanço redox celular. No capítulo 1, foram investigados os mecanismos envolvidos na modificação de grupos tióis de peptídeos e proteínas por produtos de auto-oxidação de PUFAs. Com as análises realizadas foi possível identificar vários adutos de glutationa (GSH) covalentemente modificados por endoperóxidos cíclicos derivados de DHA e ARA. Uma análise detalhada dos espectros de MS/MS dos adutos de GSH revelou que GSH e endoperóxidos cíclicos são provavelmente ligados através de uma ligação química de enxofre-oxigênio, em uma reação que envolve um ataque nucleofílico do ânion tiolato. Além disso, sugerimos que a eficiência da modificação do tiol por endoperóxidos cíclicos também é dependente da reatividade do tiol, como demonstrado pela modificação covalente do resíduo de cisteína mais reativo (Cys111) da enzima antioxidante superóxido dismutase 1(SOD1). Modificações químicas de tióis por endoperóxidos cíclicos podem modular a agregação proteica e o status redox celular, produzindo adutos de GSH capazes de modular a inflamação, como relatado para os conjugados de GSH gerados enzimaticamente. No capítulo 2, nós investigamos o papel dos lipídios na esclerose lateral amiotrófica (ALS), uma vez que a inflamação e o estresse oxidativo nos neurônios motores contribuem para o desenvolvimento desta doença neurodegenerativa. Usando uma abordagem lipidômica não direcionada baseada em espectrometria de massa acoplada à cromatografia líquida (UHPLC-MS/MS), nós investigamos o metabolismo lipídico no córtex motor e na medula espinhal de um modelo de ratos com ALS. A análise do córtex motor mostrou que as principais alterações lipídicas foram dependentes da idade e ligadas ao metabolismo dos esfingolipídios. Em contraste, as principais alterações lipídicas na medula espinhal foram encontradas no grupo sintomático da ALS, sendo o metabolismo de ceramidas, ésteres de colesterol e cardiolipinas os mais afetados. De acordo com os resultados obtidos e dados relatados na literatura, propusemos um mecanismo baseado em neuroproteção que envolve o acúmulo de ésteres de colesterol esterificados em PUFAs em astrócitos. Coletivamente, nossos achados sugerem que os lipídios desempenham um papel crucial na modulação de processos celulares ligado à oxidação de tióis e à neurodegeneração. / Lipids encompass a wide range of hydrophobic molecules present in cells. The molecular characteristics of lipids determine their cellular localization and biological function. In general, lipids are regarded as essential components of membranes, as energy reservoir and modulators of signaling pathways linked to cellular metabolism and survival, among others. In mammals, a large part of the lipids are esterified to polyunsaturated fatty acids (PUFAs), especially docosahexaenoic (DHA) and arachidonic (ARA) acids, essential for several physiological processes, including normal brain development. However, PUFAs are very susceptible to oxidation by reactive oxygen species (ROS) generated endogenously. Once oxidized, lipids are able to modify thiol groups of peptides and proteins leading to modulation of signaling pathways and cellular redox balance. In the chapter 1, we investigated the mechanisms involved in modification of thiol groups of peptides and protein by autoxidation products derived from PUFAs. Here, we identified several glutathione (GSH) adducts covalently modified by hydroxy-endoperoxides derived from both DHA and ARA. Detailed inspection of MS/MS spectra of GSH-adducts revealed that GSH and hydroxy-endoperoxides are likely bonded through a sulfur-oxygen chemical bond in a reaction which involves a nucleophilic attack by the thiolate anion. Also, we suggest that the efficiency of modification of thiol by hydroxy-endoperoxides are also dependent of the thiol reactivity, as demonstrated by covalent modification of the most reactive cysteine residue (Cys111) of the antioxidant enzyme Cu,Zn-superoxide dismutase (SOD1). Chemical modifications of thiol groups by hydroxy-endoperoxides may modulate protein aggregation and cellular redox status, yieldingGSH adducts capable to modulate inflammation, as reported for the enzymatically generated counterparts. In the chapter 2, we investigated the role of lipids in amyotrophic lateral sclerosis (ALS), since inflammation and oxidative stress in motor neurons are hallmarks of this neurodegenerative disease. Using an untargeted lipidomics approach based on mass spectrometry coupled to liquid chromatography (UHPLC-MS/MS), we investigated the lipid metabolism in motor cortex and spinal cord tissues of a rodent model of ALS. Analysis of the motor cortex showed that the main lipid alterations were age-dependent and linked to metabolism of sphingolipids. In contrast, the major lipid alterations in the spinal cord were found in ALS symptomatic group, being the metabolism of ceramides, cholesteryl esters and cardiolipin the most affected. According to our findings and data reported in the literature, we proposed a mechanism based on neuroprotection that involves accumulation of cholesteryl esters esterified to PUFAs in astrocytes. Collectively, our findings suggest that lipids play a crucial role in modulation of cellular process linked to thiol metabolism and neurodegeneration.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / The compound 2,2 -dithienyl diselenide (DTDS), an organoselenium compound with thiophene moieties, has been proven to be a promising antioxidant in vitro and in vivo, as well as an antifungal and antimicrobial agent. However, its toxicity, an important point to be investigated, has not been evaluated. The objective of this study was to evaluate whether DTDS has potential toxicity in vitro or in vivo. For this reason, sulfhydryl enzyme activities, such as δ-aminolevulinic acid dehydratase (δ-ALA-D) and Na+, K+-ATPase were assessed to predict in vitro DTDS toxicity in rat brain homogenate, in addition to its thiol oxidase-like activity. In other section of experiments, DTDS was administered to rats (50 or 100 mg/kg; per orally) in order to determine toxicological parameters in vivo. Plasma samples were collected in order to measure the biochemical parameters: alanine (ALT) and aspartate (AST) aminotransferase activities and urea and creatinine levels. Besides, in brain homogenates, it was determined the activity of the enzymes δ-ALA-D and Na+, K+-ATPase, as well as lipid peroxidation levels and antioxidant defenses (catalase and superoxide dismutase activities and ascorbic acid and reduced glutathione levels). The compound DTDS inhibited in vitro both δ-ALA-D and Na+, K+-ATPase activities (IC50 2 μM and 17 μM, respectively). The DTDS inhibitory effect on δ-ALA-D and Na+, K+-ATPase activities was restored by dithiol dithiothreitol. In addition, DTDS (5-25 μM) showed a thiol oxidase-like activity. In vivo, DTDS (50 and 100 mg/kg) caused a decrease in food and water intakes and the loss of body weight, indicating systemic toxicity, even causing death of the animals. At a dose of 100 mg/kg, DTDS decreased urea levels and increased plasma alanine and aspartate aminotransferase activities. Lipid peroxidation was increased in both administered doses. Moreover, in the highest dose, DTDS inhibited δ-ALA-D activity. By contrast, neither Na+, K+-ATPase activity nor antioxidant defenses were altered in the brain of rats exposed to DTDS. In conclusion, the interaction with thiol groups of sulfhydryl enzymes seems to mediate the inhibitory effect of DTDS against δ-ALA-D and Na+, K+-ATPase activities in vitro. Furthermore, in the administered doses, DTDS causes cerebral and systemic toxicity in rats. Although other studies are necessary to give more information about this specific compound, our findings contribute to the knowledge on the toxicology of DTDS, a compound with pharmacological properties. / O composto 2,2 -disseleneto de ditienila (DSDT), um composto orgânico de selênio com grupamento tiofeno, fora comprovado como um promissor antioxidante in vitro e in vivo, assim como um agente antifúngico e antimicrobiano. Entretanto, sua toxicidade ainda não fora avaliada, representando um importante ponto a ser investigado. O objetivo deste estudo foi avaliar se o DSDT apresenta potencial toxicidade in vitro ou in vivo. Para este fim, a atividade de enzimas sulfidrílicas, como δ-aminolevulato desidratase (δ-ALA-D) e Na+, K+-ATPase fora testada para predizer a toxicidade in vitro do DSDT em homogeneizado de cérebro de ratos, bem como a sua atividade tipo-tiol oxidase. Em outra seção de experimentos, o DSDT foi administrado em ratos (50 ou 100 mg/kg; oralmente) com o intuito de determinar parâmetros toxicológicos in vivo. Amostras de plasma foram retiradas para dosagem dos parâmetros bioquímicos: atividade das enzimas alanina (ALT) e aspartato (AST) aminotrasferase e níveis de ureia e creatinina. Além disso, em homogeneizado de cérebro foram dosadas a atividade das enzimas δ-ALA-D e Na+, K+-ATPase, assim como os níveis de peroxidação lipídica e as defesas antioxidantes (atividade das enzimas catalase e superóxido dismutase e níveis de ácido ascórbico e glutationa reduzida). O composto DSDT inibiu in vitro, tanto a atividade da δ-ALA-D quanto da Na+, K+-ATPase (IC50 2μM e 17μM, respectivamente). O efeito inibitório do DSDT sobre a atividade das enzimas δ-ALA-D e Na+, K+-ATPase foi restaurado pelo ditiol ditiotreitol. Adicionalmente, DSDT (5-25μM) apresentou atividade do tipo-tiol oxidase. In vivo, o DSDT (50 e 100 mg/kg) causou uma diminuição no consumo de comida e água e perda de peso corporal, evidenciando toxicidade sistêmica, causando inclusive morte de ratos. Quando administrado na dose de 100 mg/kg, DSDT diminui os níveis de ureia e aumentou a atividade plasmática da ALT e da AST. Os níveis de peroxidação lipídica encontraram-se aumentados em ambas as doses administradas. Na maior dose, o DSDT inibiu a atividade da δ-ALA-D. Em contrapartida, nem a atividade da Na+, K+-ATPase nem as defesas antioxidantes foram alteradas no cérebro de ratos expostos ao DSDT. Em conclusão, a interação com grupos tióis de enzimas sulfidrílicas parece mediar o efeito inibitório do DSDT em relação a atividade da δ-ALA-D e da Na+, K+-ATPase in vitro. Além disso, nas doses administradas, o DSDT induz toxicidade cerebral e sistêmica em ratos. Embora outros estudos sejam necessários para fornecer mais informações sobre este composto em específico, estes dados contribuem para o conhecimento sobre a toxicologia do DSDT, um composto com propriedades farmacológicas.