TY  - THES
A1  - Schumacher, Kerstin
T1  - Effekte einer reduzierten Dosis von Pflanzenschutzmitteln auf tritrophische Systeme im Ackerbau
T1  - Effects of reduced pesticide dose on tritrophic systems in agriculture
N2  - Chemische Pflanzenschutzmittel (PSM) bekämpfen nicht nur Schadorganismen, sondern haben aufgrund ihrer hohen Toxizität auch negative Auswirkungen auf Nicht-Ziel-Organismen. Die Fragestellung der Arbeit war es, ob mit reduzierten Anwendungen von PSM ihr Gefährdungspotenzial für Prädatoren von Schädlingen verringert und dadurch das Potenzial der natürlichen Schädlingsregulation erhöht wird. In dreijährigen Freilanduntersuchungen wurden die Effekte einer dauerhaft reduzierten Dosis von chemischen PSM auf die ökologische Situation im Ackerbau anhand von drei Fallbeispielen in einem konventionell bewirtschafteten Betrieb in der Magdeburger Börde untersucht. Drei über 15 ha große Felder wurden dauerhaft in zwei Teilflächen geteilt, wobei eine Teilfläche mit der vom Landwirt gewünschten Dosis (100 %-Variante) und die andere mit jeweils genau der halben Dosis (50 %-Variante) behandelt wurde. Mittels dieser Halbfelder-Vergleiche wurden die ökologischen Situationen bezüglich des Auftretens von Blattläusen und ihren Prädatoren sowie Unkräutern vor und nach der jeweiligen PSM-Behandlung aufgenommen und ökonomische Parameter ermittelt. Ergänzend wurden im Labor Modellgefäßversuche mit abgestuften Dosierungen von Insektiziden und Herbiziden durchgeführt. Die Insektizidbehandlung übte einen großen Einfluss auf die Blattläuse und ihre Prädatoren aus, während alle vorherigen Herbizid- und Fungizidbehandlungen zu keinen Unterschieden in der Abundanz der Blattläuse und ihrer Prädatoren zwischen beiden Varianten hervorriefen. Die reduzierte Insektiziddosis führte zu keiner guten Blattlauskontrolle, während die Abundanz der blattlausspezifischen Prädatoren positiv beeinflusst wurde. Die Araneae reagierten auf die reduzierte Dosis mit einer teilweise erhöhten Aktivitätsdichte und Artendiversität. Dagegen waren diesbezüglich keine eindeutigen Effekte auf die Carabidae festzustellen. Es traten keine strukturellen Veränderungen in Form einer erhöhten Unkrautdichte durch die reduzierte Herbiziddosis auf. Erste Hinweise auf mögliche langfristige Auswirkungen einer dauerhaft reduzierten PSM-Anwendung konnten nur bei der Verunkrautung und der Aktivitätsdichte der Araneae beobachtet werden. Blattläuse profitierten demnach mehr von der reduzierten Anwendung der PSM als ihre Prädatoren, so dass zwar das Potenzial der natürlichen Blattlausregulation erhöht, die Selbstregulation aber nicht verbessert wurde. Die geschonten Prädatoren schafften es nicht, die vorhandene Restpopulation der Blattläuse zu reduzieren. Dagegen konnte in den Laborversuchen gezeigt werden, das schon bei deutlich reduzierten Insektiziddosen eine ausreichende Blattlausbekämpfung möglich ist und eine weitere Einsparung durch Ausnutzung der natürlichen Regulation durch Prädatoren erreicht werden kann. Allerdings ist eine Übertragung der Ergebnisse von Laboruntersuchungen auf Freilandbedingungen schwierig. Es kann zu einer Überschätzung der Prädatorleistung führen.
N2  - Pesticide application in order to control pest populations can also affects non-target organisms such as beneficials. Thus, effects of low-input pesticide use on the tritrophic system crop – aphid – predator were investigated in field and laboratory studies. The hypothesis was: 50% doses of pesticides, particularly insecticides, permanently conserves beneficials, improves natural control and enhances biodiversity in fields. The field study was carried out in a conventional farm in an intensive cropping region of Central Germany (Magdeburger Boerde) from 2004-2006 using half-field comparisons. Three fields (≥15 ha) were divided into two halves during the whole period of investigation representing low- and high-input variants. One half was treated by permanently 50% reduced pesticide doses, whereas the other one was characterised by good plant protection practise (100%). To determine ecological effects of a low-input plant protection strategy, abundances of aphids and their predators as well as of weeds were investigated before and after pesticide applications.In adddition, economic parameters were determined. Insecticide treatment caused greatest effect on aphids and their predators, whereas fungicide and herbicide applications did not affect their abundances. The reduced insecticide dose did not lead to a good aphid control, but the abundance of aphid specific predators was positive affected and Araneae showed enhanced activity density and diversity by the low-input insecticide use. No clear effect of reduced insecticides use on abundance, structure of dominance, and diversity of carabids could be observed. No structural changes in terms of an increased density of weeds were found. Accumulative effects of reduced pesticide use could only be observed concerning weed density and activity density of Araneae after three years. It is concluded, that aphids profit more from reduced pesticide dose than their predators. The increased predator potential did not lead to a better natural control because of higher relative survival rate of aphids in the 50%-variant. In contrast to the field study, in laboratory aphids could be sufficiently reduced by low-input insecticide doses. In some cases the dose of insecticide could be reduced even more by utilisation of the predator potential to receive a good pest control. But it is difficult to transfer the results of laboratory studies to field conditions. It could result in an overestimation of the potential of natural regulation by a predator.
KW  - Blattläuse
KW  - Nicht-Ziel-Arthropoden
KW  - Insektizide
KW  - tritrophisches System
KW  - Weizen
KW  - aphids
KW  - non-target arthropods
KW  - insecticides
KW  - tritrophic system
KW  - crop
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15675
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kollock, Ronny
T1  - Humane Alkoholdehydrogenasen und Aldehyddehydrogenasen : Bedeutung für den Metabolismus von Methylpyrenderivaten und von 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural
T1  - Human alcohol dehydrogenases and aldehyde dehydrogenases : Importance for the metabolism of methylpyrene derivatives and of 5-(hydroxymethyl)-2-furfural
N2  - Alkylierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (alk-PAK) kommen zusammen mit rein aromatischen polyzyklischen Kohlenwasserstoffen u.a. im Zigarettenrauch, Dieselabgasen sowie einigen Lebensmitteln (z.B. Freilandgemüse, planzliche Öle und Fette) vor. Benzylische Hydroxylierung und nachfolgende Sulfokonjugation ist ein wichtiger Bioaktivierungsweg für einige alk-PAK. Oxidation der benzylischen Alkohole durch Alkoholdehydrogenasen (ADH) und Aldehyddehydrogenasen (ALDH) zur Carbonsäure könnte einen wichtigen Detoxifizierungsweg in Konkurrenz zur Aktivierung durch Sulfotransferasen (SULT) darstellen, was für 1-Hydroxymethylpyren in der Ratte bereits gezeigt wurde (Ma, L., Kuhlow, A. & Glatt, H. (2002). Polycyclic Aromat Compnds 22, 933-946). Durch Hemmung der ADH und/oder ALDH ist eine verstärkte Aktivierung zu erwarten, wie in der besagten Studie ebenfalls nachgewiesen wurde. Insbesondere Ethanol kommt in diesem Zusammenhang eine Rolle als möglicher Risikofaktor für alk-PAK induzierte Kanzerogenese zu. Menschen konsumieren häufig große Mengen Ethanol und oft besteht eine Koexposition mit alk-PAK (z.B. durch Rauchen). Ähnliches gilt für 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural (HMF), einem Pyrolyseprodukt reduzierender Zucker, dem gegenüber Menschen in recht hohen Mengen exponiert sind. Auch bei HMF steht der ADH- und ALDH-vermittelte oxidative Metabolismus in Konkurrenz zu einer Aktivierung durch Sulfokonjugation. Um die Bedeutung humaner ADH und ALDH im Metabolismus von alk-PAK und von HMF aufzuklären, wurden alle bekannten humanen ADH sowie die humanen ALDH2 und 3A1 (aus theoretischen Überlegungen heraus die vielversprechendsten Formen) für kinetische Analysen in Bakterien exprimiert. Als Enzymquelle dienten zytosolische Präparationen und durch Anionenaustauschchromatographie partiell gereinigte Enzyme. In der vorliegenden Arbeit wurde nachgewiesen, dass primäre benzylische Alkohole von Methyl- und Dimethylpyrenen gute Substrate humaner ADH sind. Sekundäre benzylische Alkohole und benzylische Alkohole von alk-PAK mit größerem Kohlenwasserstoffgrundgerüst erwiesen sich dagegen als schlechte Substrate. Vier Formen (ADH1C, 2, 3 und 4) wurden näher analysiert. Dazu wurden sie partiell gereinigt, primär um die störende endogene Bakterien-ADH zu eliminieren. Alle untersuchten ADH waren in der Lage Pyrenylmethanole zu oxidieren. Insbesondere ADH2 katalysierte die Oxidation der Pyrenylmethanole effizient, aber auch für ADH1C und 4 waren die Pyrenylmethanole gute Substrate. ADH3 oxidierte die Pyrenylmethanole mit geringer katalytischer Effizienz. Die Reduktion der entsprechenden Pyrenaldehyde durch ADH1C, 2 und 4 wurde mit noch höherer Effizienz katalysiert als die Oxidation der Pyrenylmethanole, was die Bedeutung von ALDH für die effiziente Detoxifizierung dieser Verbindungen unterstreicht. In einer an diese Arbeit angelehnten Diplomarbeit (Rost, K. (2007). Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät) wurde auch tatsächlich gezeigt, dass humane ALDH2 aber auch ALDH3A1 in der Lage sind, die Pyrenaldehyde zu Pyrenylcarbonsäuren zu oxidieren. Die bestimmten kinetischen Parameter legen nahe, dass insbesondere ALDH2 von Bedeutung für die Detoxifizierung von Methyl- und Dimethylpyrenen ist. Schon allein auf Grund der an der Detoxifizierung beteiligten Enzyme ist Ethanolaufnahme bei Koexposition mit Pyrenderivaten als Risiokofaktor anzusehen. Es ist wahrscheinlich, dass Ethanol und, nach dessen Oxidation, Acetaldehyd als konkurrierende Substrate die ADH- und ALDH-katalysierte Oxidation von Pyrenylmethanolen bzw. Pyrenaldehyden inhibieren und somit zu einer verstärkten SULT-vermittelten Aktivierung der Pyrenylmethanole führen. In der Tat wurde eine effiziente Inhibition der ADH2-katalysierten Oxidation von 1-Hydroxymethylpyren und von 1-(Hydroxymethyl)-8-methylpyren durch physiologisch relevante Ethanolkonzentrationen nachgewiesen. Drei humane ADH (4, 2 und 3), die HMF effizient zum 2,5-Diformylfuran oxidieren können, wurden identifiziert. Durch ALDH-katalysierte Weiteroxidation dieser Substanz entsteht schließlich 2,5-Furandicarbonsäure, die nach HMF-Exposition auch tatsächlich im menschlichen Urin gefunden wurde (Jellum, E., Børresen, H. C. & Eldjarn, L. (1973). Clin Chim Acta 47, 191-201). Weiter wurde gezeigt, dass ALDH3A1, aber auch ALDH2 HMF effizient zur 5-(Hydroxymethyl)-2-furancarbonsäure (HMFA) oxidieren können, ein weiterer nachgewiesener HMF Metabolit in vivo. Dass die ADH-katalysierte Oxidation von HMFA und nachfolgende ALDH-katalysierte Oxidation zur Bildung von 2,5-Furandicarbonsäure einen nennenswerten Anteil beträgt, kann aufgrund der kinetischen Daten für HMFA als Substrat humaner ADH ausgeschlossen werden. Die beobachteten Enzymaktivitäten lassen den Schluss zu, dass Ethanolaufnahme zu einer Reduktion des oxidativen HMF Metabolismus führt und somit eine Aktivierung von HMF durch Sulfokonjugation begünstigt.
N2  - Alkylated polycyclic aromatic hydrocabons (alk-PAH), together with purely aromatic PAH, are present e.g. in tobacco smoke, diesel exhausts and also in some foods (e.g. outdoor vegetables, vegetable oils). Benzylic hydroxylation and subsequent sulfo conjugation is an important metabolic activation pathway for some of these compounds. Nevertheless, oxidation of the benzylic alcohols by alcohol dehydrogenases (ADH) and subsequently by aldehyde dehydrogenases (ALDH) can compete with the sulfo conjugation. Therefore, this pathway is probably important in the detoxification as could be shown for the representative compound 1-hydroxymethylpyrene in the rat (Ma, L., Kuhlow, A. & Glatt, H. (2002). Polycyclic Aromat Compnds 22, 933-946). Inhibition of ADH and/or ALDH should increase bioactivation as indeed was shown for 1-hydroxymethylpyrene in this study. Particularly ethanol, a competing ADH substrate, is of high interest in this context. Humans often consume large quantities of ethanol and often they are coexposed to alk-PAH (e.g. due to tobacco smoking). Similar relationships can be considered for 5-(hydroxymethyl)-2-furfural (HMF), a common pyrolysate of reducing sugars with high exposure to humans. Oxidative metabolism of HMF by ADH and ALDH also competes with its bioactivation by sulfotransferases (SULT). To clarify the importance of human ADH and ALDH in the metabolism of alk-PAH and HMF, all known human ADH as well as human ALDH2 and 3A1 (the most promising forms according to theoretical considerations) were expressed in bacteria for kinetic anlalyses. Cytosolic preparations or enzymes partially purified by anion exchange chromatography were used as enzyme source. In the present study it was shown that primary benzylic alcohols of methyl- and dimethylpyrenes were good substrates for human ADH. However, secondary benzylic alcohols and benzylic alcohols derived from alk-PAH with a bulkier hydrocarbon skeletal were poor substrates for human ADH. The most promising forms (ADH1C, 2, 3 and 4) were partially purified and further analysed. The purification step was necessary to eliminate the bacterial ADH. Particularly ADH2 was efficient for oxidation of pyrenylmethanols, although ADH1C and 4 were relatively efficient too. ADH3 was also capable of oxidising the tested pyrenylmethanols but with low catalytic efficiency. The reduction of the corresponding pyrene aldehydes was catalysed by ADH1C, 2 and 4 even with higher efficiency than the oxidation of the pyrenylmethanols emphasising the importance of ALDH for the detoxification of these compounds. In a diploma work related to the present study (Rost, K. (2007). University of Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät) it was shown that human ALDH2, but also ALDH3A1, can oxidise pyrene aldehydes to pyrenylcarboxylic acids. Particularly ALDH2 efficiently catalyse these reactions and, therefore, is probably of importance for the detoxification of methyl- and dimethylpyrenes. Due to the enzymes involved ethanol consumption could be a risk factor for methyl- and dimethylpyrene induced damage in the case of coexposure to methyl- and dimethylpyrenes. It is probable that ethanol and, after its oxidation, acetaldehyde will inhibit the ADH- and ALDH-catalysed oxidation of pyrenylmethanols and pyrenealdehydes. Indeed, it was shown that ADH2 catalysed oxidation of 1-hydroxymethylpyrene and of 1-(hydroxymethyl)-8-methylpyrene was efficiently inhibited by physiologically attainable concentrations of ethanol. Three human ADHs (4, 2 and 3) that efficiently oxidise HMF to 2,5-diformylfuran were identified. Further oxidation by ALDH leads to 2,5-furandicarboxylic acid, which was found in human urine after exposure to HMF (Jellum, E., Børresen, H. C. & Eldjarn, L. (1973). Clin Chim Acta 47, 191-201). Moreover, it was shown that human ALDH3A1 and also ALDH2 efficiently oxidise HMF to 5-(hydroxymethyl)-2-furancarboxylic acid (HMFA), which was also found in human urine. That 2,5-furandicarboxylic acid can be formed in significant amounts by ADH-catalysed oxidation of HMFA and subsequent oxidation by ALDH could be ruled out due to the kinetic data with HMFA as a substrate for human ADH. Due to the enzymes involved it is probable that ethanol consumption will inhibit the oxidative metabolism of HMF and, therefore, will increase the sulfo conjugation of HMF.
KW  - Alkoholdehydrogenase
KW  - Aldehyddehydrogenase
KW  - Hydroxymethylpyren
KW  - Hydroxymethylfurfural
KW  - Ethanol
KW  - alcohol dehydrogenase
KW  - aldehyde dehydrogenase
KW  - hydroxymethylpyrene
KW  - hydroxymethylfurfural
KW  - ethanol
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15703
ER  - 
TY  - THES
A1  - Geißler, Katja
T1  - Lebensstrategien seltener Stromtalpflanzen : autökologische Untersuchung von Cnidium dubium, Gratiola officinalis und Juncus atratus unter besonderer Berücksichtigung ihrer Stressresistenz
T1  - Life strategies of rare river corridor plants : autecological investigation of Cnidium dubium, Gratiola officinalis and Juncus atratus with special consideration of their stress resistance
N2  - Die vorliegende Dissertation behandelt die Ökologie von Cnidium dubium (Schkuhr) Thell. (Sumpf-Brenndolde), Gratiola officinalis L. (Gottes-Gnadenkraut) und Juncus atratus Krocker (Schwarze Binse), drei gefährdeten Arten, die als sogenannte Stromtalpflanzen in Mitteleuropa in ihrem Vorkommen eng an die Flussauen gebunden sind. Die Arbeit basiert auf verschiedenen Simulationsexperimenten und Feldstudien in der Unteren Havelniederung, einem „Feuchtgebiet von internationaler Bedeutung“. Sie behandelt Themenkomplexe wie das Samenbankverhalten, die Samenkeimung, die Stickstofflimitierung, die Konkurrenzkraft, das Verhalten der Pflanzen nach einer Sommertrockenheit und nach einer Winter/Frühjahrsüberflutung. Ferner widmet sie sich der Populationsbiologie der Arten und dem Verhalten der Pflanzen nach besonderen Störungsereignissen wie Mahd, Herbivorie und der Sommerflut 2002. Der Leser erfährt, wie die Pflanzen in verschiedenen Lebensphasen auf die auentypische Umwelt reagieren und erhält umfassende Einblicke in physiologische Mechanismen, die der Anpassung an die typischen Bedingungen einer mitteleuropäischen Flussaue dienen. Eine Interpretation der Ergebnisse zeigt auf, welche der spezifischen Eigenschaften zur Gefährdung der drei Stromtalarten beitragen. Die Arbeit ist für den Arten-, Biotop- und Landschaftsschutz interessant. Darüber hinaus bietet sie zahlreiche Anknüpfungspunkte zur ökophysiologischen Grundlagenforschung. Die verstärkte Nutzung physiologischer Methoden bei der Klärung ökologischer Fragestellungen wird angeregt.
N2  - The thesis deals with the ecology of three endangered European river corridor angiosperms Cnidium dubium (Schkuhr) Thell., Gratiola officinalis L. und Juncus atratus Krocker. The study is based on different experimental approaches and field surveys in a wetland along the Lower Havel River, a designated German Ramsar-site (Wetland of International Importance). This involves the examination of aspects of seed bank dynamics, germination, nitrogen limitation, competitive ability, and the response of plants to summer drought and/or winter/spring flooding. The thesis continues with a detailed study of the population biology of the species at natural sites and the response of these plants to specific disturbances like mowing, herbivory and the severe summer flooding in 2002. The reader learns about the traits of the three plant species to tolerate the typical conditions their natural sites are exposed to in different phases of their life cycle. He gets a comprehensive look at physiological means by which plants can adapt to the prevailing conditions of European river lowlands. The interpretation of the results is used to reveal specific plant traits, which may contribute to the endangerment of the three river corridor plants. As such, this thesis is interesting for protection of species, biotopes and landscapes. Furthermore, it provides numerous close connections to fundamental research from an ecophysiological perspective. The increased use of physiological methods is recommended in order to be able to adequately resolve ecological problems.
KW  - untere Havelniederung
KW  - seltene Pflanzen
KW  - Stoffwechsel
KW  - Wachstum
KW  - Samen
KW  - Hypoxie
KW  - Trockenstress
KW  - Konkurrenz
KW  - Mahd
KW  - lower Havel river wetland
KW  - rare plants
KW  - metabolism
KW  - growth
KW  - seeds
KW  - hypoxia
KW  - drought stress
KW  - competition
KW  - mowing
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-17468
ER  - 
TY  - THES
A1  - Loew, Noya
T1  - Meerrettich Peroxidase : Modifikationen und Anwendungen in Biosensoren
T1  - Horseradish Peroxidase : modifications and applications in biosensors
N2  - Biosensoren werden oft für die Messung einzelner Substanzen in komplexen Medien verwendet, wie z.B. bei der Blutzuckerbestimmung. Sie bestehen aus einem physikochemischen Sensor, dem Transduktionselement, und einer darauf immobilisierten biologischen Komponente, dem Erkennungselement. In dieser Arbeit wurde als Transduktionselement eine Elektrode und als Biokomponente das Enzym „Meerrettich Peroxidase“ (engl. horseradish peroxidase, HRP) verwendet. Solche HRP-Elektroden werden für die Messung von Wasserstoffperoxid (H2O2) eingesetzt. H2O2 wird im Körper von weißen Blutkörperchen produziert, um Bakterien abzutöten, wird teilweise ausgeatmet und kann in kondensierter Atemluft nachgewiesen werden. Da viele weiße Blutkörperchen bei einer Chemotherapie abgetötet und dadurch die Patienten anfälliger für Infektionen werden, muss ihre Anzahl regelmäßig überwacht werden. Dazu wird zurzeit Blut abgenommen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine Überwachung der Anzahl an weißen Blutkörperchen ohne Blutabnahme durch eine H2O2-Messung erfolgen kann. Ein direkter Zusammenhang zwischen der ausgeatmeten H2O2-Menge und der Zahl der weißen Blutkörperchen konnte dabei nicht festgestellt werden. Für empfindliche H2O2-Messungen mit einer HRP-Elektrode ist ein schneller Austausch von Elektronen zwischen der Elektrode und dem Enzym notwendig. Eine Vorraussetzung dafür ist eine kurze Distanz zwischen dem aktiven Zentrum des Enzyms und der Elektrodenoberfläche. Um einen kurzen Abstand zu erreichen wurden im zweiten Teil dieser Arbeit verschiedene poröse graphitähnliche Materialien aus pyrolysierten Kobalt-Porphyrinen für die Elektrodenherstellung verwendet. Dabei stellte sich heraus, dass eines der untersuchten Materialien, welches Poren von etwa der Größe eines Enzyms hat, Elektronen etwa 200mal schneller mit dem Enzym austauscht als festes Graphit. Die HRP selbst enthält in seinem aktiven Zentrum ein Eisen-Protoporphyrin, also ein aus vier Ringen bestehendes flaches Molekül mit einem Eisenatom im Zentrum. Reagiert die HRP mit H2O2, so entzieht es dem Peroxid zwei Elektronen. Eines dieser Elektronen wird am Eisen, das andere im Ringsystem zwischengespeichert, bevor sie an ein anderes Molekül oder an die Elektrode weitergegeben werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde das Eisen durch Osmium ausgetauscht. Das so veränderte Enzym entzieht Peroxiden nur noch ein Elektron. Dadurch reagiert es zwar langsamer mit Wasserstoffperoxid, dafür aber schneller mit tert-Butylhydroperoxid, einem organischen Vertreter der Peroxid-Familie.
N2  - Biosensors are often used for the measurement of specific substances in complex media, e.g. glucose in blood. They consist of a physicochemical sensor, the transducer, onto which a biological component, the recognition element, is immobilised. In this work, an electrode was used as transducer and the enzyme “horseradish peroxidase” (HRP) as biological component. Such HRP electrodes are used for the measurement of hydrogen peroxide (H2O2). H2O2 is produced in the body by white blood cells to destroy bacteria, is partially exhaled and can be measured in breath condensate. Since a lot of white blood cells are destroyed during chemotherapy and patients get more prone to infections, their amount must be checked regularly. Currently blood samples are taken for this purpose. In the first part of this work it was investigated, if the amount of white blood cells can be checked without taking blood by measuring H2O2. A correlation between the amount of exhaled H2O2 and the number of white blood cells could not be found. For a sensitive H2O2 measurement with an HRP electrode a quick exchange of electrons between electrode and enzyme is needed. One condition for this is a short distance between the active centre of the enzyme and the electrode surface. In order to achieve a short distance, several porous graphite-like materials made of pyrolysed cobalt porphyrins where used in the second part of this work for the electrode production. It turned out that one of the tested materials, which had pores about the same size as the enzyme, did exchange electrons with the enzyme about 200 times faster than solid graphite. HRP itself contains an iron protoporphyrin, i.e. a planar molecule consisting of four rings with an iron atom in the middle, its active centre. When HRP reacts with H2O2, it takes two electrons from the peroxide. One of these electrons is stored at the iron, the other in the ring system, until they are passed on to another molecule or the electrode. In the last part of this work, the iron was exchanged with osmium. The modified enzyme takes only one electron from peroxides. Thus it reacts slower with hydrogen peroxide, but faster with tert-butylhydroperoxide, an organic member of the peroxide family.
KW  - Peroxidase
KW  - Biosensor
KW  - Elektrochemie
KW  - Porphyrin
KW  - Peroxid
KW  - Peroxidase
KW  - Biosensor
KW  - Electrochemistry
KW  - Porphyrin
KW  - Peroxide
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18430
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TY  - THES
A1  - Voß, Martin
T1  - Regulation der vakuolären H(+)-ATPase durch reversible Proteinphosphorylierung
T1  - Regulation of the vacuolar H(+)-ATPase by reversible protein phosphorylation
N2  - Die vakuoläre Protonen-ATPase, kurz V-ATPase, ist ein multimerer Enzymkomplex, der in fast jeder eukaryotischen Zelle zu finden ist und den aktiven elektrogenen Transport von Protonen über Membranen katalysiert. Die Aktivität der V-ATPase ist essentiell für eine Vielzahl physiologischer Prozesse. Ein grundlegender Mechanismus zur Regulation der V-ATPase-Aktivität ist die reversible Dissoziation des Holoenzyms in den integralen VO-Komplex, der als Protonenkanal dient, und den cytosolischen V1-Komplex, der ATP hydrolysiert und somit den Protonentransport energetisiert. Die Untereinheit C, die im dissoziierten Zustand der V-ATPase als einzige Untereinheit isoliert im Cytoplasma vorliegt, scheint bei der Bildung des aktiven Holoenzyms eine Schlüsselrolle zu übernehmen. In den Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina ist die V-ATPase an der Speichelsekretion beteiligt. In den sekretorischen Zellen wird die Bildung des V-ATPase-Holoenzyms in der apikalen Plasmamembran durch das Neurohormon Serotonin (5-HT) stimuliert. Der Effekt von 5-HT auf die V-ATPase wird intrazellulär durch die Proteinkinase A (PKA) vermittelt und hält nur für die Dauer der Stimulierung an. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels Phosphoproteinfärbungen und 2D-Elektrophorese nachgewiesen, dass infolge einer Stimulierung der Drüsenzellen mit 5-HT die Untereinheit C der V-ATPase durch die PKA reversibel phosphoryliert wird. Die Phosphorylierung geht einher mit einer Umverteilung der Untereinheit C aus dem Cytoplasma zur apikalen Plasmamembran und der Bildung des aktiven Holoenzyms. Immuncytochemische Untersuchungen zeigten, dass die katalytische Untereinheit der PKA ebenfalls umverteilt wird und in stimulierten Zellen im Bereich der apikalen Plasmamembran konzentriert vorliegt. Um herauszufinden welche Proteinphosphatase der PKA entgegenwirkt, wurden luminale pH-Messungen durchgeführt und der Effekt von spezifischen Proteinphosphatase-Inhibitoren und veresterten Komplexbildnern zweiwertiger Kationen auf die V-ATPase-Aktivität untersucht. Diese Messungen führten zu der Schlussfolgerung, dass eine Proteinphosphatase des Typs 2C an der Inaktivierung der V-ATPase beteiligt ist. Mit weiteren Phosphoproteinfärbungen konnte gezeigt werden, dass die Dephosphorylierung der Untereinheit C ebenfalls durch eine Proteinphosphatase 2C katalysiert wird und dies vermutlich die Dissoziation des VO- und V1-Komplexes begünstigt. Darüber hinaus konnte durch luminale pH-Messungen und ergänzende biochemische Untersuchungen eine Calcineurin-vermittelte Modulation des cAMP/PKA-Signalweges durch den parallel aktivierten IP3/Ca2+-Signalweg und damit einhergehend eine Beeinflussung der V-ATPase-Aktivität durch den [Ca2+]-Spiegel nachgewiesen werden.
N2  - The vacuolar-type H+-ATPase (V-ATPase) is a multimeric enzyme that can be found in nearly every eukaryotic cell. It catalyses the active electrogenic transport of protons across membranes and is essential for a multitude of physiological processes. A fundamental mechanism to regulate V-ATPase activity is the reversible dissociation of the holoenzyme into an integral proton conducting VO-complex and a cytosolic V1-complex that hydrolyses ATP and thus energises proton translocation. Subunit C occurs isolated in the cytoplasm upon dissociation of the V-ATPase complexes and seems to be critical for the formation of active holoenzymes. In the salivary glands of the blowfly Calliphora vicina the V-ATPase is involved in fluid secretion. In secretory cells, formation of the V-ATPase holoenzyme is stimulated by the hormone serotonin (5-HT). The effect of 5-HT on V-ATPase activity is mediated by protein kinase A (PKA) and persists for the duration of the 5-HT stimulus. In this study, it was shown by phosphoprotein stainings and two-dimensional electrophoresis that subunit C of the V-ATPase becomes phosphorylated by PKA upon exposure of blowfly salivary glands to 5-HT. Parallel to the phosphorylation event, subunit C translocates from the cytoplasm to the apical plasma membrane for the assembly of active V-ATPase holoenzymes. Using immunofluorescence staining, it could be shown that PKA catalytic subunit translocates as well to the apical membrane upon 5-HT stimulation. To examine which protein phosphatase counteracts PKA, luminal pH-measurements were carried out. Based on the results with protein phosphatase inhibitors and esterified chelating agents of bivalent cations, it may be concluded that a protein phosphatase 2C is involved in the process leading to V-ATPase inactivation. Phosphoprotein stainings revealed that dephosphorylation of subunit C is likewise catalysed by a protein phosphatase 2C. Therefore the dephosphorylation of subunit C seems to promote dissociation of VO- and V1-complexes. Finally, luminal pH-measurements and supplemental biochemical experiments revealed a Ca2+/calcineurin-mediated modulation of the cAMP/PKA signalling cascade and an influence of intracellular calcium on the V-ATPase activity.
KW  - V-ATPase
KW  - PKA
KW  - Proteinphosphorylierung
KW  - Proteinphosphatasen
KW  - V-ATPase
KW  - PKA
KW  - protein phosphorylation
KW  - protein phosphatases
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19617
ER  - 
TY  - THES
A1  - Teller, Carsten
T1  - Entwicklung neuartiger biomimetischer Sensoren: ein bifunktionaler Sensor auf Basis haptenisierter Cholinesterase
T1  - Development of novel biomimetic sensors: a bifunctional sensor based on haptenized cholinesterase
N2  - In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines bifunktionellen Biosensors nach dem Vorbild eines Baukastensystems beschrieben. Das Ziel wird durch die Kombination verschiedenster molekularer Erkennungselemente erreicht. Solche molekularen Erkennungselemente im verwendeten System sind: • Propidium und die periphere anionische Bindungsstelle der Acetylcholinesterase (AChE) • Organophosphate und das aktive Zentrum der AChE • ein an die AChE gekoppeltes Hapten und das Epitop eines Antikörpers • ein an die AChE gekoppeltes Hapten, das als Ligand ein weiteres Enzym bindet Neben dem molekularen Erkennungselement wird ein Biosensor ebenso durch die Art des Transducers charakterisiert. Hier werden Quarzplättchen mit Goldelektroden zur Signalumwandlung eingesetzt. Die Verwendung solcher Sensoren mit einem EQCM-Gerät (electrochemical quartz crystal microbalance) ermöglicht es zwei Messsignale gleichzeitig aufzunehmen: die piezoelektrische Bestimmung einer Massebeladung und die amperometrische Detektion von Enzymaktivität auf der Sensoroberfläche. Für die Analytik stehen somit zwei verschiedene Assay-Varianten zur Verfügung: die Bestimmung der Inhibition der ACHE-Aktivität und ein Bindungstest über das Hapten. Die Basis beider Tests ist die Modifizierung der piezoelektrischen Kristalle mit Propidium – einem reversiblen Inhibitor der Acetylcholinesterase. Dies ermöglicht die Beladung des Sensors mit AChE über die Wechselwirkung mit der peripheren anionischen Bindungsstelle des Enzyms. Die Aktivität der so immobilisierten AChE und die Inhibition durch Organophosphate (Pestizide) werden amperometrisch bestimmt. Durch die chemische Kopplung eines Hapten an die Cholinesterase wird ein weiteres Erkennungselement eingeführt. Das eröffnet die Möglichkeit, an die auf dem Propidium-modifizierten Sensor immobilisierte, haptenisierte Cholinesterase einen Antikörper zu binden. Als Voraussetzung für elektrochemische Bestimmung der AChE-Aktivität wurde zunächst die Optimierung der amperometrischen Messmethode vorgenommen. Die Oxidatationspotentiale für die Detektion von Thiocholin wurden im Bereich von 150 mV bis 300 mV variiert. Dabei wurde für die nachfolgenden Untersuchungen eine Arbeitspotential von 200 mV (vs. Ag/AgCl) festgelegt, da hier das beste Verhältnis von gemessenem Oxidationsstrom und Langzeitstabilität der Propidium-modifizierten Sensoren erzielt wurde. Dieses Potential war deutlich geringer als die bisher publizierten Mediator-freien AChE-Biosensoren. Es wurde ein Vergleich verschiedener Organophosphate über ihre Inhibitionskonstanten durchgeführt, um diejenigen herauszufinden, die möglichst schnell mit dem aktiven Zentrum der Acetylcholinesterase reagieren. Das verwendete Messsystem beruht nicht auf der Vorinkubation der AChE und damit einer Einstellung des Inhibitionsgleichgewichts. Stattdessen wurde die Inhibition der AChE direkt im Fließsystem verfolgt. Daher war eine schnelle Inhibitionskinetik für einen empfindlichen Organophosphat-Nachweis erforderlich. Da einige Inhibitoren nur als Phosphothionat vorlagen, wurde die Überführung dieser Substanzen in die entsprechenden Oxo-Formen mittels N-Bromsuccinimid untersucht. Die NBS-Aktivierung wurde erfolgreich durchgeführt, die erwartete Inhibitionsstärke konnte jedoch aufgrund hydrolytischer Vorgänge nicht erreicht werden. Untersuchungen mit Diisopropylfluorophosphat (DFP) und Chlorpyriphos-oxon (CPO) konnten die Voruntersuchungen über die Inhibitionskinetik in Bezug auf die erreichten Nachweisgrenzen von 2E-06 M für DFP und 5E-08 M für CPO bestätigen. Für die chemische Modifizierung der Acetylcholinesterase wurde zunächst 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) als Hapten ausgewählt. 2,4-D wird als Herbizid eingesetzt und in der EU über die Gewässerschutzrichtlinie reguliert. 2,4-D konnte in unterschiedlichen molaren Verhältnissen von 2,6 : 1 bis 260 : 1 (2,4-D : AChE) nach Aktivierung mit einem Norbornendicarboximido-Derivat an die AChE gekoppelt werden. Dabei konnte die spezifische Aktivität der Acetylcholinesterase erhalten und die Bindung eines anti-2,4-D-Antikörpers ermöglicht werden. Zur Verstärkung des piezolelektrischen Signals der Antikörperbindung wurden die Immunoglobuline zunächst an Goldnanopartikel gekoppelt. Damit konnte eine Verstärkung um den Faktor 10 erreicht werden. Allerdings waren die Antikörper-modifizierten Goldnanopartikel nicht langzeitstabil. Daher wurden auch Silica-Nanopartikel als Matrix für die Antikörperkopplung getestet. Mit diesem System konnte eine Verstärkung um den Faktor von 5 bis 13 je nach Grad der Beladung den Nanopartikel mit Antikörper bestimmt werden. Die hohe unspezifische Bindung der Antikörper-Nanopartikel-Konjugate an den Propidium-modifizierten QCM-Sensor konnte keinen empfindlichen 2,4-D-Nachweis ermöglichen. Als Alternative wurde Kokain (Benzoylecgonin, BZE) als Hapten an die Aceytlcholinesterase gekoppelt. Da Kokain selbst auch als Inhibitor im aktiven Zentrum der AChE binden kann, wurden zwei verschiedene Strategien zur Konjugatsynthese verfolgt. Durch Zugabe von Kokain während der Kopplung sollte die kovalente Fixierung des Kokain-Derivats BZE-DADOO im aktiven Zentrum verhindert werden (Konjugat B). In der Tat konnten mit dieser Synthesestrategie 67% der spezifischen Cholinesterase-Aktivität erhalten werden, während im Kokain-freien Ansatz (Konjugat A) nur 2% der Ausgangsaktivität wiedergefunden wurden. Das BZE-AChE-Konjugat ermöglichte auch die Untersuchung der Bindungskinetik der anti-BZE-Antikörper. Dabei konnte eine Assoziationsgeschwindigkeitskonstante ka von 12911 l/(mol•s) berechnet werden. Dieser Wert ist trotz der vergleichsweise geringen Oberflächenbeladung vergleichbar mit den in der Literatur angegebenen Werten. Die Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante ist mit 2,89E−3 1/s um den Faktor 30 höher als der Literaturwert. Diese Abweichung ist auf Unterschiede im Bindungsmodell zurückzuführen. Mit beiden BZE-AChE-Konjugaten konnte ein kompetetiver Immunoassay mit Kokain im Fließsystem durchgeführt werden. Dabei zeigte sich für beide Konjugate ein ähnlicher Testmittelpunkt: IC50 = 4,40E−8 mol/l für Konjugat A bzw. IC50 = 1,77E−8 mol/l für Konjugat B. Diese Werte sind vergleichbar zu bereits publizierten Kokainassays im Fließsystem. Wie vorstehend beschrieben, bindet Kokain als Inhibitor auch im aktiven Zentrum von Cholinesterasen. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um ein zweites Enzym – Butyrylcholinesterase (BChE) – an die BZE-AChE zu binden. Die Spezifität dieser Bindung konnte durch die Abwesenheit einer Affinität der BChE zum Propidium und durch die Blockierbarkeit der Bindung von BChE und BZE-AChE durch Kokain nachgewiesen werden. Damit konnte erfolgreich die Kombination mehrere molekularer Erkennungselemente demonstriert werden. Die Propidium-Plattform ermöglicht den Aufbau einer Architektur aus verschiedenen Cholinesterasen, die über unterschiedliche Bindungsstellen wechselwirken. Sowohl freie als auch BZE-modifizierte AChE können über die Affinität zum Propidium auf dem EQCM-Sensor immobilisiert werden. Mit Kokain als Substrat der Butyrylcholinesterase kann Benzoylecgonin nicht nur als Epitop für die Bindung eines Antikörpers, sondern auch als Erkennungselement für die BChE genutzt werden. Auf der anderen Seite erschwert die geringe Affinität der BChE im Gegensatz zum anti-BZE-Antikörper den Einsatz dieses Systems für analytische Zwecke. Durch die Verwendung anderer Ligand-Enzym-Kombinationen läßt sich das in dieser Arbeit vorgestellte Konzept noch weiter ausbauen und ermöglicht damit eine Entwicklung ausgehend von „einfachen“ molekularen Erkennungselementen (MRE) hin zu „multifunktionellen“ Erkennungselementsystemen. In dieser Arbeit konnte demonstriert werden, dass der Aufbau solch komplexe Systeme möglich ist, ohne Abstriche in Bezug auf die Empfindlichkeit der einzelnen Assays hinzunehmen.
N2  - This work describes the development of a bifunctional biosensor following a modular assembly approach. This aim is reached through the combination of various molecular recognition elements. The system presented herein uses the following recognition elements: • propidium and the peripheral anionic site of the acetylcholinesterase (AChE) • an organophosphate and the active site of the AChE • a hapten – covalently coupled to the AChE – and the epitope of an antibody • a hapten – covalently coupled to the AChE – binding as a ligand to another enzyme A biosensor is not only characterized by the molecular recognition element, but also by the type of signal transducer. This work is based on an electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) device that uses gold-plated quartz sensors for the signal transduction. This allows monitoring two distinct signals at the same time: the piezoelectric determination of a mass loading and the amperometrical detection of enzymatic activity on the sensor surface. Thus two different assay systems are provided: the determination of the inhibition of the AChE activity and ligand binding assay via the hapten. Both tests are based on the modification of the piezoelectric crystals with propidium – a reversible AChE inhibitor. This allows the deposition of AChE on the sensor surface via the interaction with the enzyme’s peripheral anionic site. The enzymatic activity of the in-situ immobilized AChE and the inhibition by organophosphates (pesticides) are measured amperometrically. Another recognition element is introduced by the chemical coupling of a hapten to the cholinesterase. This provides the opportunity bind an antibody to the haptenized cholinesterase that is immobilized on the propidium-modified sensor. Preliminary experiments were focussed on the improvement of the amperometric determination the AChE activity. The applied potential for the oxidation of thiocholine was changed over a range from 150 to 300 mV. The best results for the measured oxidation current and the long-term stability of the propidium-modified sensors were obtained at 200 mV (vs. Ag/AgCl). This potential was used throughout all subsequent experiments. This potential was also found to be lower as compared to mediator-free AChE-biosensors published hitherto. Different organophosphates were evaluated with regard to their inhibition constants to find those which react with active site of the acetylcholinesterase as fast as possible. The assay format used herein monitors the inhibition of the AChE directly in the flow-system. That is, it is not based preincubation of the enzyme with the inhibitor and therefore no inhibition equilibrium is reached. This approach requires fast inhibition kinetics in order to detect the organophosphates highly sensitively. Some of the inhibitors were only available in the phosphothionate form. Thus was necessary to convert these compounds to their respective oxon-forms by N-bromosuccinimide (NBS). The NBS-activation was performed successfully, though the expected inhibition potential could not be reached due to hydrolytic processes. Experiments with diisopropylfluorophosphate (DFP) und chlorpyriphos-oxon (CPO) could confirm the previous experiments on the inhibtion kinetics. Lower limits of detection of 2E-06 M for DFP and 5E-08 M for CPO could be reached with this approach. Initially 2,4-dichlorphenoxyacetic acid (2,4-D) was chosen as a hapten for the chemical modification of the acetylcholinesterase. The use of 2,4-D as a herbicide is regulated by the water protection directive of the European Union. 2,4-D was coupled to AChE in different molar ratios from 2,6 : 1 to 260 : 1 (2,4-D : AChE) after activation with a norbornendicarboximido derivative. The chosen coupling method allowed to recover the complete specific activity of the acetylcholinesterase and to bind a specific anti-2,4-D-antibody. Furthermore, the coupling of the immunoglobulins to gold nanoparticles was tested to enhance the piezoelectric signal of the antibody binding. An amplification factor of 10 was reached with this system. However the antibody-coated gold nanoparticles show a very poor long-term stability. Therefore also silica nanoparticles were tested as a matrix for the coupling of the antibodies. This approach yielded an amplification factor from 5 to 13 depending amount of antibodies bound to the nanoparticles. Unfortunately the high non-specific binding of the antibody nanoparticle conjugates did not allow a sensitive 2,4-D detection assay. Cocaine (benzoylecgonine, BZE) was coupled as a hapten to Acetylcholinesterase in an alternative approach. Two different strategies for the synthesis of the conjugate were pursued, since cocaine can bind also bind as an inhibitor for the AChE’s active site. The addition of excess cocaine during the coupling reaction should the covalent binding of the cocaine derivative BZE-DADOO at the active site (conjugate B). Indeed over two thirds of the original specific cholinesterase activity could be recovered with this strategy, while the cocaine-free batch (conjugate A) showed only 2% of the original activity. Furthermore the BZE-AChE conjugate allowed the evaluation of the binding kinetics of the anti-BZE-antibody. The association rate constant ka was calculated to 12911 l/(mol•s). Despite the low surface coverage this value is still comparable to other published results. The dissociation rate constant kd of 2,89E−3 1/s is thirty times higher than values found in the literature. This deviation is due to differences in the applied binding model. Both BZE-AChE conjugates could be applied in a competitive immunoassay for cocaine in the flow system. It was shown that for both conjugates a similar half maximal inhibitory concentration was reached: : IC50 = 4,40E−8 mol/l for conjugate A and IC50 = 1,77E−8 mol/l for conjugate B, respectively. These values are comparable to other published assay for cocaine in a flow system. As described earlier, cocaine is also able to bind to the active site of cholinesterases. This feature was used to examine the interaction of a second enzyme – butyrylcholinesterase (BChE) – with the BZE-AChE. Evidence for the specificity of this interaction was provided by two further experiments, i.e. BChE has no affinity towards Propidium and the binding of BChE towards BZE-AChE could be blocked by excess cocaine. Thus the successful integration of recognition elements on the molecular level could be demonstrated. The propidium-modifies sensor allowed the construction of a scaffold of cholinesterases that interact via different recognition sites. Unmodified and BZE-coupled AChE can be immobilized on the EQCM-sensor via the interaction with propidium. With cocaine being a substrate BChE this compound cannot only be used to capture anti-BZE-antibodies, but also as a recognition element for BChE. The affinity of the BChE towards is relatively low as compared to the antibody’s binding strength, thus making it difficult to employ this system for analytical purposes. Still the concept presented herein can be extended by other ligand-enzyme-combinations. On the basis of “simple” molecular recognition elements this enables the development of “multifunctional” recognition element systems. This work could show that the construction of such complex systems is possible without cutting back with regard to the sensitivity of the individual assays.
KW  - bifunktionaler Sensor
KW  - Kokain
KW  - Organophosphate
KW  - Acetylcholinesterase
KW  - Antikörper
KW  - bifunctional sensor
KW  - cocaine
KW  - organophosphate
KW  - acetylcholinesterase
KW  - antibody
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-25021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krehl, Susanne
T1  - Das Selenoprotein Glutathionperoxidase-2 : physiologische Funktion und Einfluss auf die entzündungsassoziierte Colonkarzinogenese
T1  - The selenoprotein glutathione peroxidase-2 : physiological function and influence on inflammation triggered coloncarcinogenesis
N2  - Bei der Entdeckung der Glutathionperoxidase-2 (GPx2) wurde zunächst davon ausgegangen, dass die Funktion dieses Enzyms im Kryptengrund des Colons einzig in der Reduktion von H2O2 besteht. Im Laufe der weiteren Erforschung zeigte sich, dass GPx2 auch in verschiedenen Tumorgeweben vermehrt exprimiert wird. Dabei wird diskutiert, ob die Wirkung von GPx2 im Tumor eher als pro- oder als antikarzinogen einzustufen ist. Mehrere Experimente in vitro und in vivo zeigten antiinflammatorische Eigenschaften der GPx2. Aufgrund dieser Befunde wird derzeit über weitere Funktionen der GPx2 spekuliert. In dieser Arbeit wurde die physiologische Funktion von GPx2 näher erforscht, dazu wurden Wildtyp- und GPx2-Knockout-Mäuse in Hinblick auf Veränderungen der Enzymexpression und der Colonmorphologie untersucht. Es wurden drei verschiedene Selendiäten verfüttert: selenarmes, selenadäquates und selensupplementiertes Futter. Unter physiologischen Bedingungen ist am Kryptengrund des Colons, innerhalb der proliferierenden Zone, die Mitoserate am höchsten. Der Großteil der apoptotischen Zellen ist hingegen an der Kryptenspitze vorzufinden. Durch den Knockout von GPx2 kam es zu einer signifikanten Erhöhung der Apoptoserate am Kryptengrund. Dabei war der größte Effekt auf selenarmem Futter zu verzeichnen. Hierbei wurde sogar eine Veränderung der Colonmorphologie dokumentiert, da die Verschiebung der Proliferationszone in Richtung Kryptenspitze eine Verlängerung der Krypten nach sich zog. Im Wildtyp wurden keine Apoptosen im Kryptengrund detektiert. GPx1 wird unter physiologischen Bedingungen im Gegensatz zur GPx2 in der Kryptenspitze exprimiert und ist im Selenmangel nicht mehr detektierbar. Der Knockout von GPx2 erhöhte die GPx1-Expression im Kryptengrund auf allen drei Selendiäten. Diese Überexpression von GPx1 am Kryptengrund soll vermutlich den Verlust von GPx2 an dieser Stelle kompensieren. Da jedoch dort die massive Apoptoserate detektiert wurde, kann die GPx1 nicht die komplette Funktion von GPx2 kompensieren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Funktion von GPx2 nicht nur in der Reduktion von H2O2 liegt. Vielmehr kann eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Homöostase von Zellen postuliert werden. Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit war die Klärung der Frage, welchen Einfluss GPx2 auf die entzündungsassoziierte Colonkarzinogenese ausübt. In dem hierfür verwendeten AOM/DSS-Model wird der karzinogene Prozess durch Entzündung vorangetrieben. Es erfolgte sowohl im Wildtyp als auch im GPx2-Knockout zum einen die Bewertung des Entzündungsstatus des Colons und zum anderen wurde die Anzahl von ACF und Tumoren verglichen. Das Colon im GPx2-Knockout war wesentlich stärker entzündet als im Wildtyp. Diese Ergebnisse bestätigen die für die GPx2 postulierte antiinflammatorische Funktion. Normalerweise führt eine Erhöhung der Mitoseanzahl zur Regeneration des entzündeten Gewebes. Jedoch beeinflusst der Verlust von GPx2 vermutlich den Ablauf der Entzündung, indem beispielsweise die Regeneration des Gewebes durch die enorm hohe Apoptoserate am Kryptengrund verlangsamt wird. Des Weiteren hatten sich im GPx2-Knockout tendenziell mehr Tumore entwickelt. Somit korrelierte die Entzündung des Colons mit der Entwicklung von Tumoren. Der Verlust von GPx2 begünstigte vermutlich sowohl die Tumorinitiation als auch die Tumorprogression. Allerdings stimulierte die Expression von GPx2 ebenfalls das Tumorwachstum. Es kann geschlussfolgert werden, dass eine adäquate GPx2-Expression vor Entzündung schützt und somit das Risiko für Colonkrebs senkt. Ob GPx2 aber insgesamt pro- oder antikarzinogen wirkt, hängt vermutlich vom Stadium des Colonkarzinogenese ab.
N2  - Since the detection of glutathione peroxidase-2 (GPx2) it was assumed that reducing hydroperoxides is the only function of this enzyme in the crypt ground of the colon. But further studies showed that GPx2 is also highly expressed in tumor tissue. However, it is not known whether it acts a pro- or anticarcinogenic manner at this site. In vitro and in vivo experiments elucidate antiinflammatory features of GPx2, based on these findings additional functions of GPx2 are discussed. In this dissertation the physiological function of GPx2 was investigated. For this purpose in wild type and GPx2-knockout mice, changes of enzyme expression and colon morphology were analyzed. The mice were fed three diets containing different selenium concentrations: selenium deficient, selenium adequate and selenium supplemented. Under physiological conditions the mitosis rate is highest in the proliferating zone in the crypt ground of the colon. The majority of apoptotic cells are located at the tip of the crypt. The knockout of GPx2 significantly increased the rate of apoptosis in the crypt ground. The greatest effect was documented on the selenium deficient diet. Here, changes of the colonic morphology were detectable, because the shift of the proliferating zone towards the tip of the crypt lead to an extension of the crypts. In the wild type mice no apoptotic cells were detected on the crypt ground. Under physiological conditions GPx1, in contrast to GPx2, is mainly expressed on the top of the crypt, and this enzyme is no longer detectable under selenium deficiency. The knockout of GPx2 increased the expression of GPx1 in the crypt ground of the colon on all three selenium diets. It is likely that this over expression of GPx1 compensates for the loss of GPx2. However the massive apoptotic rate in the crypt ground shows that GPx1 can not compensate the complete function of GPx2. These results elucidate that GPx2 not only functions as a hydroperoxide reducer, but that it is also important for the maintenance of the stem cell character and the homeostasis of cells. The question if GPx2 influences the inflammation triggered by the coloncarcinogenic process was next assessed in this dissertation. Therefore the AOM/DSS model was used to trigger the carcinogenic process through inflammation. The amount of aberrant crypt foci (ACF) and tumors in the colon were analyzed in both wild type and GPx2-knockout mice. However initially the inflammation status was compared between the two genotypes. The inflammation of the colon was stronger in the GPx2-knockout mice than in wild type. These results support the postulated antiinflammatory features of GPx2. The loss of GPx2 may influence the inflammation process by decelerating the regeneration of the tissue caused by the increased apoptotic rate in the proliferating zone. Additionally, the GPx2-knockout mice developed more tumors in the colon. Therefore the inflammation of the colon correlated with the development of tumors. The loss of GPx2 may have enhanced both tumor initiation and progression. But the expression of GPx2 also stimulated the growth of tumors. These results indicate that an adequate GPx2-expression can protect from colonic inflammation, and therefore decrease the risk of developing colon cancer. Whether GPx2 acts in a pro- or anticarcinogenic manner appears to depend on the state of the carcinogenic process.
KW  - Glutathionperoxidase-2 GPx2
KW  - Apoptose
KW  - Colonkrebs
KW  - Entzündung
KW  - Selen
KW  - glutathione peroxidase-2 GPx2
KW  - apoptosis
KW  - colon cancer
KW  - inflammation
KW  - selenium
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50220
ER  - 
TY  - THES
A1  - Strehmel, Nadine
T1  - GC-TOF-MS basierte Analyse von niedermolekularen Primär- und Sekundärmetaboliten agrarwirtschaftlich bedeutsamer Nutzpflanzen
T1  - GC-TOF-MS based metabolite profiling of low molecular weight primary and secondary metabolites of agricultural meaningful crops
N2  - Die Qualität von Nutzpflanzen ist von zahlreichen Einflussfaktoren wie beispielsweise Lagerbedingungen und Sorteneigenschaften abhängig. Um Qualitätsmängel zu minimieren und Absatzchancen von Nutzpflanzen zu steigern sind umfangreiche Analysen hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung notwendig. Chromatographische Techniken gekoppelt an ein Massenspektrometer und die Kernspinresonanzspektroskopie wurden dafür bislang verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Gaschromatograph an ein Flugzeitmassenspektrometer (GC-TOF-MS) gekoppelt, um physiologische Prozesse bzw. Eigenschaften (die Schwarzfleckigkeit, die Chipsbräunung, das Physiologische Alter und die Keimhemmung) von Nutzpflanzen aufzuklären. Als Pflanzenmodell wurde dafür die Kartoffelknolle verwendet. Dazu wurden neue analytische Lösungsansätze entwickelt, die eine zielgerichtete Auswertung einer Vielzahl von Proben, die Etablierung einer umfangreichen Referenzspektrenbibliothek und die sichere Archivierung aller experimentellen Daten umfassen. Das Verfahren der Probenvorbereitung wurde soweit modifiziert, dass gering konzentrierte Substanzen mittels GC-TOF-MS analysiert werden können. Dadurch wurde das durch die Probenvorbereitung limitierte Substanzspektrum erweitert. Anhand dieser Lösungsansätze wurden physiologisch relevante Stoffwechselprodukte identifiziert, welche indikativ (klassifizierend) bzw. prädiktiv (vorhersagend) für die physiologischen Prozesse sind. Für die Schwarzfleckigkeitsneigung und die Chipseignung wurde jeweils ein biochemisches Modell zur Vorhersage dieser Prozesse aufgestellt und auf eine Züchtungspopulation übertragen. Ferner wurden für die Schwarzfleckigkeit Stoffwechselprodukte des Respirationsstoffwechsels identifiziert sowie Aminosäuren, Glycerollipide und Phenylpropanoide für das Physiologische Alter als relevant erachtet. Das physiologische Altern konnte durch die Anwendung höherer Temperaturen beschleunigt werden. Durch Anwendung von Keimhemmern (Kümmelöl, Chlorpropham) wurde eine Verzögerung des physiologischen Alterns beobachtet. Die Applikation von Kümmelöl erwies sich dabei als besonders vorteilhaft. Kümmelöl behandelte Knollen wiesen im Vergleich zu unbehandelten Knollen nur Veränderungen im Aminosäure-, Zucker- und Sekundärstoffwechsel auf. Chlorpropham behandelte Knollen wiesen einen ähnlichen Stoffwechsel wie die unbehandelten Knollen auf. Für die bislang noch nicht identifizierten Stoffwechselprodukte wurden im Rahmen dieser Arbeit das Verfahren der „gezielten An-/Abreicherung“, der „gepaarten NMR/GC-TOF-MS Analyse“ und das „Entscheidungsbaumverfahren“ entwickelt. Diese ermöglichen eine Klassifizierung von GC-MS Signalen im Hinblick auf ihre chemische Funktionalität. Das Verfahren der gekoppelten NMR/GC-TOF-MS Analyse erwies sich dabei als besonders erfolgversprechend, da es eine Aufklärung bislang unbekannter gaschromatographischer Signale ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Stoffwechselprodukte in der Kartoffelknolle identifiziert, wodurch ein wertvoller Beitrag zur Analytik der Metabolomik geleistet wurde.
N2  - Several factors influence the quality of crops. These include particular storage conditions and cultivar properties. Minimization of quality defects requires the employment of comprehensive metabolic analysis to enhance the marketing potential of crops. From this point of view chromatographic techniques coupled either with a mass spectrometer or the combination with nuclear magnetic resonance spectroscopy have been successfully applied to solve the main tasks. In the present work, a gas chromatograph was coupled to a time of flight mass spectrometer (GC-TOF-MS) to analyze physiological processes and attitudes of crops like black spot bruising, chips tanning, physiological aging, and sprouting inhibition. For this purpose the potato tuber was employed as a model plant. Therefore, new analytical approaches were developed comprising the targeted analysis of a multitude of samples, the establishment of a comprehensive mass spectral reference library and the built up of a secure archival storage system. Furthermore, the sample preparation protocol was modified to analyze trace components with the help of GC-TOF-MS as well. This helped to extend the discovery of more endogenous metabolites. These analytical approaches were required to identify physiological relevant indicative and predictive metabolites. Consequently, a biochemical model was build up for the process of black spot bruising and chips tanning respectively. These models could be applied to an unknown breeding progeny. Metabolites of the respiratory chain were identified as relevant for the process of black spot bruising whereas amino acids, lipids and phenylpropanoids were of high importance for the process of physiological aging.  The process of physiological aging could be accelerated while applying higher temperatures and could be delayed while applying sprouting inhibitors, like caraway oil and chlorpropham. Compared to chlorpropham, caraway oil exhibited more advantages with respect to storage attitudes although it caused significant changes in the amino acid, sugar and secondary metabolism during a common storage period. However, the chlorpropham treated tubers showed a similar phenotype in comparison to the control tubers. In addition, several methods were developed with respect to the classification of yet unidentified signals. These cover the decision tree process, the targeted enrichment and depletion of specific metabolites with the help of solid phase extraction and the paired NMR and GC-MS analyses. The paired NMR and GC-MS analysis appears very promising because it allows for the identification of unknown GC-MS signals. Thus, this work makes a valuable contribution to the analytics of the metabolome, as new metabolites could be identified which are of physiological relevance for the potato tuber.
KW  - Stoffwechselprodukt
KW  - Kartoffelknolle
KW  - Identifizierung
KW  - analytische Lösungsansätze
KW  - Biomarker
KW  - metabolite
KW  - potato tuber
KW  - identification
KW  - analytical approaches
KW  - biomarker
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51238
ER  - 
TY  - THES
A1  - Born, Stephan
T1  - Kartierung der Bindungstasche des humanen Bittergeschmacksrezeptors hTAS2R10
T1  - Mapping the binding site of the human bitter taste receptor hTAS2R10
N2  - Die Bittergeschmacksrezeptoren stellen in der Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren eine besondere Gruppe dar. Im Menschen können die 25 Rezeptoren eine große Anzahl unterschiedlichster Bittergeschmacksstoffe detektieren. Diese Substanzen können sowohl schädlich, wie etwa Strychnin, als auch der Gesundheit förderliche Arzneistoffe, wie etwa Chloramphenicol sein. Unter den Bittergeschmacksrezeptoren des Menschen gibt es eine Gruppe von drei Rezeptoren, die besonders viele Bitterstoffe detektieren können. Einer von ihnen ist der Rezeptor hTAS2R10. In dieser Arbeit konnte sowohl experimentell als auch durch computergestützte Modellierung gezeigt werden, dass der hTAS2R10 nur eine Bindungstasche besitzt. Das stimmt mit den bisher ausführlich experimentell und in silico untersuchten Rezeptoren hTAS2R1, -R16, -R38 und -R46 überein. Die für die Agonisteninteraktionen nachweislich wichtigen Transmembrandomänen sind in den bisher untersuchten Bittergeschmacksrezeptoren, wie auch im hTAS2R10, die Transmembrandomänen 3, 5, 6 und 7. Die Untersuchungen zeigten, dass die Bindungstasche des hTAS2R10 in der oberen Hälfte des zum extrazellulären Raum gerichteten Bereichs lokalisiert ist. Insbesondere konnte für die untersuchten Agonisten Strychnin, Parthenolid und Denatoniumbenzoat gezeigt werden, dass die Seitenketten der Aminosäuren in Position 3.29 und 5.40 ausgeprägte agonistenselektive Wechselwirkungen eingehen. Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass das weitgefächerte Agonistenspektrum des hTAS2R10 zu Lasten der Sensitivität für einzelne Bitterstoffe geht. Der Vergleich wichtiger Positionen im hTAS2R10, hTAS2R46 und mTas2r105 hat deutlich gemacht, dass sich die Bindungsmodi zwischen diesen Rezeptoren unterscheiden. Dies deutet auf eine getrennte evolutionäre Entwicklung der Bindungseigenschaften dieser Rezeptoren hin. Gleichfalls zeigten die Untersuchungen, dass einige Positionen wie z.B. 7.39 die Funktion aller untersuchten Bittergeschmacksrezeptoren prägen, sich jedoch die genaue Bedeutung im jeweiligen Rezeptor unterscheiden kann. Einzelne dieser Positionen konnten auch bei der Agonisteninteraktion des Rhodopsins und des β2-adrenergen Rezeptors beobachtet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen dabei die Wechselwirkungen zwischen Bitterstoffen und den Bittergeschmacksrezeptoren zu verstehen und geben erste Einblicke in die Entwicklung der Rezeptoren in Hinblick auf ihren Funktionsmechanismus. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um Inhibitoren zu entwickeln, die sowohl ein wichtiges Werkzeug in der Rezeptoranalytik wären, als auch dazu genutzt werden könnten, den unerwünschten bitteren Geschmack von Medikamenten oder gesundheitsfördernden sekundären Pflanzenstoffen zu mindern. Damit könnte ein Beitrag zur Gesundheit der Menschen geleistet werden.
N2  - In the Superfamily of G protein-coupled receptors the bitter taste receptors form a notable group. The 25 human receptors are able to detect a large group of structurally diverse bitter compounds. These compounds can be toxic – like strychnine – or have beneficial effects on health – like the pharmacological agent chloramphenicol. Three of these bitter taste receptors show a strikingly broad agonist spectrum. One of them is the hTAS2R10. It was shown empirically and by computational modelling that the hTAS2R10 has only one binding pocket. This agrees with the findings of studies on the bitter taste receptors hTAS2R1, -R16, -R38 and -R46. The domains important for agonist interaction in these receptors, as well as in the hTAS2R10, are the transmembrane domains 3, 5, 6 and 7. The results of this thesis show that the binding pocket of the hTAS210 is located in the upper part of the receptor which points into the direction of the extracellular area. Interestingly, it has been shown for the amino acid side chains in the positions 3.29 and 5.40, that they can interact with the analysed agonists strychnine, parthenolide and denatonium benzoate in an agonist-selective way. Further analyses showed that the broad tuning of the hTAS2R10 goes at the expense of the sensitivity to single agonists. The comparison of crucial positions in the hTAS2R10, hTAS2R46 and the mTas2r105 reveal that these receptors differ in their binding mode. These could be evidence that the binding abilities of these receptors evolved independently. However, the results show that some positions, e.g. 7.39, influence the receptor activity in all analysed receptors, but the function of these positions in the receptors could be different. Some of these positions also have an influence on the agonist-receptor interaction of Rhodopsin and the β2-adrenergic receptor. The findings in this thesis contribute to the knowledge about interaction between bitter receptors and bitter compounds. The results also provide insight into the evolvement of receptor functions. These outcomes can be of use for the development of inhibitors which could serve as analytical tools in taste research. Furthermore, such inhibitors could be used to reduce the bitter taste of medicine and healthy plant compounds and thus increase palatability. This could contribute to improve human well-being.
KW  - Bittergeschmack
KW  - hTAS2R10
KW  - Geschmack
KW  - Agonisteninteraktion
KW  - Homologiemodellierung
KW  - taste
KW  - hTAS2R10
KW  - homology modelling
KW  - agonists interaction
KW  - bitter taste
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61392
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TY  - THES
A1  - Fleischmann, Tobias
T1  - Deletion plastidärer ribosomaler Proteine in Nicotiana tabacum im Kontext reduktiver Genomevolutionund Entwicklung einer Hochdurchsatzplattform zur Analysevon miRNAs in Chlamydomonas reinhardtii
T1  - Deletion of plastid ribosomal proteins in Nicotiana tabacum in the context of reductive genome evolution and development of a high throughpout platform for the analysis of miRNAs of Chlamydomonas reinhardtii
N2  - Im Rahmen des ersten Teils der vorliegenden Doktorarbeit konnten zwei nicht-essentielle (rps15, rpl36) und fünf essentielle (rps3, rps16, rpl22, rpl23, rpl32) im Plastom von Nicotiana tabacum kodierte Proteine des plastidären Ribosoms bezüglich ihrer Essentialität charakterisiert werden. Diese Gene wurden durch gezielte Knockout-Experimente inaktiviert und die resultierenden Effekte untersucht. Die Ergebnisse lassen einen Rückschluss auf die Lokalisation der Gene der insgesamt sieben untersuchten ribosomalen Proteine zu, die im Plastom mehrerer parasitischer, Plastiden-besitzender Spezies nicht mehr nachweisbar sind. Im Fall von rps15 könnte tatsächlich ein Verlust des Genes stattgefunden haben, im Fall der restlichen Gene ist eher mit einem Transfer in den Nukleus zu rechnen (rpl36 ausgenommen). Dies würde bedeuten, dass die Geschwindigkeit der erfolgreichen Etablierung eines Gentransfers in vielen parasitischen Spezies gegenüber grünen Pflanzen stark erhöht ist. Alle in E. coli nicht-essentiellen Proteine mit Homologen in Plastiden (rps15, rpl33, rpl36) sind auch dort, trotz ~1,5 Milliarden Jahren getrennter Evolution, nicht essentiell. Dieses Ergebnis bestätigt den schon früher festgestellten hohen Konservierungsgrad der bakteriellen und plastidären Translationsmaschinerien. Die Phänotypen der KO-Pflanzen der nicht-essentiellen Gene (rps15, rpl36) weisen auf eine interessante Rolle von S15 während der Ribosomenassemblierung hin und im Fall von L36 auf eine wichtige funktionelle Rolle im Plastiden-Ribosomen sowie auf eine Involvierung der Plastidentranslation in der Generierung eines retrograden Signals, welches die Blattform zu beeinflussen im Stande ist. Des Weiteren konnte eine Verbindung der Translationsaktivität mit der Ausbildung von Seitentrieben hergestellt werden, die vermutlich auf veränderte Auxinsynthese im Chloroplast zurückzuführen ist. Aus dem Folgeprojekt, bei dem Doppel-KO-Pflanzen nicht-essentieller ribosomaler Proteine erzeugt wurden, lässt sich auf eine relativ große Plastizität der Architektur von Plastidenribosomen schließen. Im zweiten Teil der Arbeit konnte erfolgreich ein Hochdurchsatz-Screeningsystem zur semiquantitativen Analyse von 192 verschiedenen miRNAs aus Chlamydomonas reinhardtii etabliert werden. Es gelang durch die Untersuchung von 23 verschiedenen Wachstums- und Stressbedingungen sowie Entwicklungsstadien mehrere miRNAs zu identifizieren, die eine differenzielle Expression zeigen sowie unter allen untersuchten Bedingungen konstant bleibende miRNAs nachzuweisen. Dadurch konnten mehrere vielversprechende Kandidaten-miRNAs ausgemacht werden, die nun eingehender untersucht werden können.
N2  - Plastid genomes of higher plants contain a conserved set of ribosomal protein genes. Although plastid translational activity is essential for cell survival in tobacco (Nicotiana tabacum), individual plastid ribosomal proteins can be nonessential. Candidates for nonessential plastid ribosomal proteins are ribosomal proteins identified as nonessential in bacteria and those whose genes were lost from the highly reduced plastid genomes of nonphotosynthetic plastid-bearing lineages (parasitic plants, apicomplexan protozoa). Here we report the reverse genetic analysis of seven plastid-encoded ribosomal proteins that meet these criteria. We have introduced knockout alleles for the corresponding genes into the tobacco plastid genome. Five of the targeted genes (ribosomal protein of the large subunit22 [rpl22], rpl23, rpl32, ribosomal protein of the small subunit3 [rps3], and rps16) were shown to be essential even under heterotrophic conditions, despite their loss in at least some parasitic plastid-bearing lineages. This suggests that nonphotosynthetic plastids show elevated rates of gene transfer to the nuclear genome. Knockout of two ribosomal protein genes, rps15 and rpl36, yielded homoplasmic transplastomic mutants, thus indicating nonessentiality. Whereas Δrps15 plants showed only a mild phenotype, Δrpl36 plants were severely impaired in photosynthesis and growth and, moreover, displayed greatly altered leaf morphology. This finding provides strong genetic evidence that chloroplast translational activity influences leaf development, presumably via a retrograde signaling pathway. In the second project a qRT-PCR based plattform for the analysis of miRNAs in Chlamydomonas reinhardtii has been developed. 20 different growth conditions have been scanned.
KW  - Chloroplast
KW  - miRNAs
KW  - Plastomevolution
KW  - Parasiten
KW  - Chlamydomonas
KW  - Chloroplast
KW  - miRNA
KW  - Plastome-evolution
KW  - Parasites
KW  - Chlamydomonas
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60393
ER  -