The Role of Selenium in Glutathione Peroxidase: Insights from Molecular Modeling

The role of selenium as an antioxidant, in particular as a key component in the enzymatic activity of glutathione peroxidase, was described and analyzed with a computational methodology, employing state-of-the art quantum mechanical techniques combined with classic calculations. Density functional theory methods were the main approach employed to obtain structural, energetic and mechanistic information on model systems. To include the e ect of part of the systems that were left out of the QM calculations, classic molecular dynamics simulations were carried out using a recently developed force eld tailored to e ectively model protein structures. Finally, the application of quantitative models for energy decomposition (activation strain model and energy decomposition analysis) allowed an in-depth analysis of the formation of the reaction barriers and their underlying causes. These in silico techniques made the study of the intrinsic properties of selenium and of the other chalcogens possible. Three scenarios were selected and tested: the ability of chalcogenides to form weak non-covalent bonds (Chapter 3), their thermodynamics and reactivity in SN2 substitution processes (Chapter 5) and their reactivity toward H2O2 in redox reactions (Chapters 4 and 6)

Optimization of a compiler from PDDL to Picat (Short Paper)

Picat is a new constraint logic programming language that has obtained promising results in international competitions. These re-sults have been achieved thanks to several features. The most effective of them is an efficient handling of a tabling technique applied to search al-gorithms. A compiler from PDDL to Picat, which automatically enables to run PDDL models in Picat, has been recently developed. This paper describes a method which automatically optimizes the output of such a compiler, using a different representation of the states that better takes advantage of Picat's Tabling technique

The 125Te Chemical Shift of Diphenyl Ditelluride: Chasing Conformers over a Flat Energy Surface

The interest in diphenyl ditelluride (Ph2Te2) is related to its strict analogy to diphenyl diselenide (Ph2Se2), whose capacity to reduce organic peroxides is largely exploited in catalysis and green chemistry. Since the latter is also a promising candidate as an antioxidant drug and mimic of the ubiquitous enzyme glutathione peroxidase (GPx), the use of organotellurides in medicinal chemistry is gaining importance, despite the fact that tellurium has no recognized biological role and its toxicity must be cautiously pondered. Both Ph2Se2 and Ph2Te2 exhibit significant conformational freedom due to the softness of the inter-chalcogen and carbon\u2013chalcogen bonds, preventing the existence of a unique structure in solution. Therefore, the accurate calculation of the NMR chemical shifts of these flexible molecules is not trivial. In this study, a detailed structural analysis of Ph2Te2 is carried out using a computational approach combining classical molecular dynamics and relativistic density functional theory methods. The goal is to establish how structural changes affect the electronic structure of diphenyl ditelluride, particularly the 125Te chemical shift

Studio della tossicità da palitossina e composti analoghi mediante modelli in vitro e in vivo

2009/2010La Palitossina (PLTX), una delle biotossine marine più tossiche finora note, è saltata agli onori della cronaca in seguito al suo frequente rilevamento in campioni di una microalga tropicale, Ostreopsis ovata, ormai diffusa anche in Mar Mediterraneo, dove sono stati segnalati più volte problemi respiratori in concomitanza alla sua presenza. La tossina è stata rilevata anche in molluschi ed altri prodotti ittici, che possono fungere da vettori per l’ultimo anello della catena alimentare, l’uomo. Poiché in paesi tropicali sono stati segnalati casi di intossicazione gravi, anche letali, in seguito all’ingestione di pesci e crostacei contaminati con PLTXs, si rende necessario monitorare la presenza di questi composti nei prodotti ittici e/o nelle microalghe produttrici, anche in assenza di una legislazione in merito. All’inizio di questo lavoro erano disponibili solo pochi dati relativi alla tossicità acuta di questo composto, spesso purificato con protocolli non perfezionati. Poiché anche i dati clinici disponibili non permettevano un’esatta definizione dell’Acute Reference Dose (ARfD), necessaria per determinare i livelli massimi di tossina ammissibili nei prodotti ittici, si è deciso inizialmente di studiare la tossicità acuta della PLTX (e di un analogo 42-OH-PLTX) dopo somministrazione orale nel topo. I sintomi e le analisi cliniche condotte sui topi hanno indicato un coinvolgimento del sistema neuromuscolare. Questo studio, insieme ad altri pubblicati nel frattempo, hanno permesso agli esperti dell’EFSA di definire la concentrazione di 30 μg di tossina per Kg di polpa di molluschi quale livello al di sopra del quale si possano manifestare effetti tossici nell’uomo. Si è proceduto poi alla messa a punto di due saggi per la determinazione di questi composti: un saggio strutturale di tipo ELISA ed uno funzionale, il saggio emolitico. Il saggio ELISA (sandwich indiretto) è stato messo a punto utilizzando l’anticorpo monoclonale 73D3, e un anticorpo policlonale di coniglio prodotto presso l’Università di Trieste. Il saggio rileva la PLTX in un range di concentrazioni che vanno da 1,25 a 40 ng/ml ed è in grado di quantificare con la stessa sensibilità anche la 42-OH-PLTX, isolata e caratterizzata dal punto di vista chimico durante questo periodo di dottorato dal gruppo del prof. E. Fattorusso (Università di Napoli Federico II), in un campione di palitossina gentilmente fornitoci dal dr. M. Poli (Maryland, USA). Il saggio ELISA è in grado di rilevare anche l’Ostreocina-d, un altro analogo della PLTX, ma a concentrazioni maggiori rispetto a quelle della PLTX (³40 ng/ml). Il mancato rilevamento di acido okadaico, acido domoico, brevetossina-3, saxitossina e yessotossina (tossine che possono essere presenti insieme alla PLTX nei prodotti ittici contaminati) indica la specificità del saggio. Siamo poi passati alla messa a punto del saggio emolitico, ampiamente usato in letteratura per il rilevamento di PLTX e di composti palitossino-simili. Questo saggio sfrutta la capacità della tossina di indurre emolisi tardiva probabilmente tramite l’alterazione della Na+/K+-ATPAasi (NAKA). In letteratura, però, non è disponibile un protocollo standardizzato e la variabilità dei risultati riportati è notevole. Si è pertanto proceduto a realizzare il saggio emolitico, esplorando le variabili che ne influenzano la performance, ottenendo una EC50 = 13,2 pM per la PLTX. Gli anticorpi monoclonale e policlonale anti-PLTX hanno inibito con equa potenza l’emolisi indotta da PLTX e possono quindi essere usati per verificare la specificità dell’emolisi in campioni incogniti. Dopo aver verificato che anche la 42-OH-PLTX condividesse lo stesso recettore della PLTX mediante un saggio di binding indiretto alla NAKA (EC50 di 28.2 nM e 29.4 nM rispettivamente per 42-OH-PLTX e PLTX), è stato eseguito il saggio emolitico anche sulla 42-OH-PLTX, ottenendo dei risultati analoghi (EC50 = 7.6 pM) a quelli della PLTX. Nell’ottica di un utilizzo di questo saggio in situazioni di monitoraggio si è valutata la possibilità di ridurre i suoi tempi di esecuzione e in tal senso, cambiando la concentrazione salina della soluzione tampone al 62 % di quella normale, si è riusciti a ridurre il tempo di incubazione di 4 volte (1 h anziché 4 h). La curva concentrazione-risposta ottenuta dopo incubazione di 1 h con la PLTX in tampone al 62 % è risultata perfettamente sovrapponibile a quella ottenuta dopo 4 h di incubazione della tossina in tampone 100%. Al contrario, nessuna delle concentrazioni di PLTX testate ha dato emolisi dopo incubazione di 1 h della tossina in tampone 100%. Questo aspetto è particolarmente interessante perché permetterebbe di distinguere l’emolisi dovuta a palitossina da una emolisi aspecifica, semplicemente conducendo il saggio in 1 ora in parallelo nei due tamponi 62 % e 100 %, evitando l’uso di anticorpi anti-PLTX. In particolare, nel caso di un campione ignoto che dia emolisi in PBS al 62 % e non in PBS al 100 %, il risultato fornirebbe un primo indizio della presenza di palitossina, da confermare con metodi di riferimento (LC-MS). Se invece l’emolisi avviene ad entrambe le concentrazioni di PBS, dopo incubazione per 1 ora, essa potrebbe dipendere da un’azione aspecifica non imputabile alla sola palitossina. La presenza di una proliferazione massiccia (6.700.000 di cellule/litro) di Ostreospis cf. ovata nel Golfo di Trieste, ci ha permesso di utilizzare gli anticorpi monoclonale e policlonale per la localizzazione immunocitochimica delle tossine nelle singole cellule di microalghe. Per la prima volta è stata così visualizzata la presenza delle palitossine in cellule di Ostreopsis cf. ovata, che risultano distribuite in tutto il citoplasma. La positività per le tossine è stata verificata in tutte le cellule di Ostreopsis analizzate, mentre nessuna cellule di Coolia monotis osservate è risultata positiva, a conferma della specificità verso la PLTX del segnale degli anticorpi. L’analisi HR LCMS ha evidenziato la presenza di ovatossine-a, -b, -c, -d/-e, con una forte prevalenza di ovatossinaa (circa 80%, 45-64 pg/cellula), mentre per la prima volta in un campione naturale non è stata rilevata la presenza di PLTX. Questi risultati ci hanno permesso di concludere che entrambi gli anticorpi utilizzati sono in grado di riconoscere anche le ovatossine, analoghi della palitossina preponderanti nel Mar Mediterraneo. Inoltre, la tecnica immunocitochimica eseguita direttamente sulle microalghe potrebbe permettere un’allerta precoce della presenza di palitossine, ad esempio prima del loro ingresso/accumulo nella catena alimentare, evitando eventuali problemi per la salute pubblica. Un altro approccio per il rilevamento della tossina è stato fatto utilizzando la spettroscopia Raman. La palitossina (il cui spettro Raman è stato qui registrato per la prima volta) è stata ricercata in singole cellule di Ostreospis, depigmentate con acetone-esano 1:1. Non sono stati riscontrati segnali univocamente attribuibili alle palitossine negli spettri Raman di Ostreopsis, probabilmente a causa della loro uniforme diffusione citoplasmatica, come visualizzato in immunocitochimica. Nelle cellule non depigmentate con acetone:esano 1:1 è stata confermata le presenza del carotenoide peridinina. L’analisi Raman di cellule in coltura di Ostreopsis cf. ovata nelle diverse fasi di crescita ha evidenziato forti segnali associabili ad acidi grassi polinsaturi, già riscontrati in Ostreopsis cf. ovata con altre tecniche. L’analisi HR LC-MS delle cellule in coltura nelle varie fasi di crescita ha mostrato, analogamente alle relative popolazioni naturali, un elevato contenuto di ovatossina-a (circa 55%, 7.5–19.7 pg/cellula) e minori quantità di altre ovatossine, con la palitossina presente in tracce (< 0,1 pg/cellula). Si è osservato che il contenuto di tossine aumenta con l’età della coltura, con le cellule in fase senescente (giorno 25 dall’avvio della coltura) contenenti circa il doppio di tossina delle cellule in fase stazionaria (giorno 18). Quindi, analogamente a quanto si verifica per altri metaboliti secondari negli organismi vegetali, l’accumulo di queste tossine raggiunge il massimo generalmente verso la fine del ciclo vitale.XXIII Ciclo198

Multiscale modeling of reaction rates: application to archetypal SN2 nucleophilic substitutions

We propose an approach to the evaluation of kinetic rates of elementary chemical reactions within Kramers\u2019 theory based on the definition of the reaction coordinate as a linear combination of natural, pseudo Z-matrix, internal coordinates of the system. The element of novelty is the possibility to evaluate the friction along the reaction coordinate, within a hydrodynamic framework developed recently [J. Campeggio et al., J. Comput. Chem. 2019, 40, 679\u2013705]. This, in turn, allows to keep into account barrier recrossing, i.e. the transmission coefficient that is employed in correcting transition state theory evaluations. To test the capabilities and the flaws of the approach we use as case studies two archetypal SN2 reactions. First, we consider to the standard substitution of chloride ion to bromomethane. The rate constant at 295.15 K is evaluated to k/c 96 = 2.7 7 10 126 s 121 (with c 96 = 1 M), which compares well to the experimental value of 3.3 7 10 126 s 121 [R. H. Bathgate and E. A. Melwyn-Hughes, J. Chem. Soc 1959, 2642\u20132648]. Then, the method is applied to the SN2 reaction of methylthiolate to dimethyl disulfide in water. In biology, such an interconversion of thiols and disulfides is an important metabolic topic still not entirely rationalized. The predicted rate constant is k/c 96 = 7.7 7 103 s 121. No experimental data is available for such a reaction, but it is in accord with the fact that the alkyl thiolates to dialkyl disulfides substitutions in water have been found to be fast reactions [S. M. Bachrach, J. M. Hayes, T. Dao and J. L. Mynar, Theor. Chem. Acc. 2002, 107, 266\u2013271]

Enhancing Temporal Planning Domains by Sequential Macro-actions (Extended Version)

Temporal planning is an extension of classical planning involving concurrent execution of actions and alignment with temporal constraints. Durative actions along with invariants allow for modeling domains in which multiple agents operate in parallel on shared resources. Hence, it is often important to avoid resource conflicts, where temporal constraints establish the consistency of concurrent actions and events. Unfortunately, the performance of temporal planning engines tends to sharply deteriorate when the number of agents and objects in a domain gets large. A possible remedy is to use macro-actions that are well-studied in the context of classical planning. In temporal planning settings, however, introducing macro-actions is significantly more challenging when the concurrent execution of actions and shared use of resources, provided the compliance to temporal constraints, should not be suppressed entirely. Our work contributes a general concept of sequential temporal macro-actions that guarantees the applicability of obtained plans, i.e., the sequence of original actions encapsulated by a macro-action is always executable. We apply our approach to several temporal planners and domains, stemming from the International Planning Competition and RoboCup Logistics League. Our experiments yield improvements in terms of obtained satisficing plans as well as plan quality for the majority of tested planners and domains

Psychiatric Disorders and Oxidative Injury: Antioxidant Effects of Zolpidem Therapy disclosed In Silico

Zolpidem (N,N-Dimethyl-2-[6-methyl-2-(4-methylphenyl)imidazo[1,2-a]pyridin-3-yl]acetamide) is a well-known drug for the treatment of sleeping disorders. Recent literature reports on positive effects of zolpidem therapy on improving renal damage after cisplatin and on reducing akinesia without sleep induction. This has been ascribed to the antioxidant and neuroprotective capacity of this molecule, and tentatively explained according to a generic structural similarity between zolpidem and melatonin. In this work, we investigate in silico the antioxidant potential of zolpidem as scavenger of five ROSs, acting via hydrogen atom transfer (HAT) mechanism; computational methodologies based on density functional theory are employed. For completeness, the analysis is extended to six metabolites. Thermodynamic and kinetic results disclose that indeed zolpidem is an efficient radical scavenger, similarly to melatonin and Trolox, supporting the biomedical evidence that the antioxidant potential of zolpidem therapy may have a beneficial effect against oxidative injury, which is emerging as an important etiopathogenesis in numerous severe diseases, including psychiatric disorders