Cardiac output and leg and arm blood flow during incremental exercise to exhaustion on the cycle ergometer

[EN] To determine central and peripheral hemodynamic responses to upright leg cycling exercise, nine physically active men underwent measurements of arterial blood pressure and gases, as well as femoral and subclavian vein blood flows and gases during incremental exercise to exhaustion (Wmax). Cardiac output (CO) and leg blood flow (BF) increased in parallel with exercise intensity. In contrast, arm BF remained at 0.8 l/min during submaximal exercise, increasing to 1.2 +/- 0.2 l/min at maximal exercise (P < 0.05) when arm O(2) extraction reached 73 +/- 3%. The leg received a greater percentage of the CO with exercise intensity, reaching a value close to 70% at 64% of Wmax, which was maintained until exhaustion. The percentage of CO perfusing the trunk decreased with exercise intensity to 21% at Wmax, i.e., to approximately 5.5 l/min. For a given local Vo(2), leg vascular conductance (VC) was five- to sixfold higher than arm VC, despite marked hemoglobin deoxygenation in the subclavian vein. At peak exercise, arm VC was not significantly different than at rest. Leg Vo(2) represented approximately 84% of the whole body Vo(2) at intensities ranging from 38 to 100% of Wmax. Arm Vo(2) contributed between 7 and 10% to the whole body Vo(2). From 20 to 100% of Wmax, the trunk Vo(2) (including the gluteus muscles) represented between 14 and 15% of the whole body Vo(2). In summary, vasoconstrictor signals efficiently oppose the vasodilatory metabolites in the arms, suggesting that during whole body exercise in the upright position blood flow is differentially regulated in the upper and lower extremities.

Does recombinant human Epo increase exercise capacity by means other than augmenting oxygen transport?

[EN] This study was performed to test the hypothesis that administration of recombinant human erythropoietin (rHuEpo) in humans increases maximal oxygen consumption by augmenting the maximal oxygen carrying capacity of blood. Systemic and leg oxygen delivery and oxygen uptake were studied during exercise in eight subjects before and after 13 wk of rHuEpo treatment and after isovolemic hemodilution to the same hemoglobin concentration observed before the start of rHuEpo administration. At peak exercise, leg oxygen delivery was increased from 1,777.0+/-102.0 ml/min before rHuEpo treatment to 2,079.8+/-120.7 ml/min after treatment. After hemodilution, oxygen delivery was decreased to the pretreatment value (1,710.3+/-138.1 ml/min). Fractional leg arterial oxygen extraction was unaffected at maximal exercise; hence, maximal leg oxygen uptake increased from 1,511.0+/-130.1 ml/min before treatment to 1,793.0+/-148.7 ml/min with rHuEpo and decreased after hemodilution to 1,428.0+/-111.6 ml/min. Pulmonary oxygen uptake at peak exercise increased from 3,950.0+/-160.7 before administration to 4,254.5+/-178.4 ml/min with rHuEpo and decreased to 4,059.0+/-161.1 ml/min with hemodilution (P=0.22, compared with values before rHuEpo treatment). Blood buffer capacity remained unaffected by rHuEpo treatment and hemodilution. The augmented hematocrit did not compromise peak cardiac output. In summary, in healthy humans, rHuEpo increases maximal oxygen consumption due to augmented systemic and muscular peak oxygen delivery.

Air to muscle O2 delivery during exercise at altitude

[EN] Hypoxia-induced hyperventilation is critical to improve blood oxygenation, particularly when the arterial Po2 lies in the steep region of the O2 dissociation curve of the hemoglobin (ODC). Hyperventilation increases alveolar Po2 and, by increasing pH, left shifts the ODC, increasing arterial saturation (Sao2) 6 to 12 percentage units. Pulmonary gas exchange (PGE) is efficient at rest and, hence, the alveolar-arterial Po2 difference (Pao2-Pao2) remains close to 0 to 5mm Hg. The (Pao2-Pao2) increases with exercise duration and intensity and the level of hypoxia. During exercise in hypoxia, diffusion limitation explains most of the additional Pao2-Pao2. With altitude, acclimatization exercise (Pao2-Pao2) is reduced, but does not reach the low values observed in high altitude natives, who possess an exceptionally high DLo2. Convective O2 transport depends on arterial O2 content (Cao2), cardiac output (Q), and muscle blood flow (LBF). During whole-body exercise in severe acute hypoxia and in chronic hypoxia, peak Q and LBF are blunted, contributing to the limitation of maximal oxygen uptake (Vo2max). During small-muscle exercise in hypoxia, PGE is less perturbed, Cao2 is higher, and peak Q and LBF achieve values similar to normoxia. Although the Po2 gradient driving O2 diffusion into the muscles is reduced in hypoxia, similar levels of muscle O2 diffusion are observed during small-mass exercise in chronic hypoxia and in normoxia, indicating that humans have a functional reserve in muscle O2 diffusing capacity, which is likely utilized during exercise in hypoxia. In summary, hypoxia reduces Vo2max because it limits O2 diffusion in the lung.

Plasma volume expansion does not increase maximal cardiac output or VO2 max in lowlanders acclimatized to altitude

[EN] With altitude acclimatization, blood hemoglobin concentration increases while plasma volume (PV) and maximal cardiac output (Qmax) decrease. This investigation aimed to determine whether reduction of Qmax at altitude is due to low circulating blood volume (BV). Eight Danish lowlanders (3 females, 5 males: age 24.0 +/- 0.6 yr; mean +/- SE) performed submaximal and maximal exercise on a cycle ergometer after 9 wk at 5,260 m altitude (Mt. Chacaltaya, Bolivia). This was done first with BV resulting from acclimatization (BV = 5.40 +/- 0.39 liters) and again 2-4 days later, 1 h after PV expansion with 1 liter of 6% dextran 70 (BV = 6.32 +/- 0.34 liters). PV expansion had no effect on Qmax, maximal O2 consumption (VO2), and exercise capacity. Despite maximal systemic O2 transport being reduced 19% due to hemodilution after PV expansion, whole body VO2 was maintained by greater systemic O2 extraction (P < 0.05). Leg blood flow was elevated (P < 0.05) in hypervolemic conditions, which compensated for hemodilution resulting in similar leg O2 delivery and leg VO2 during exercise regardless of PV. Pulmonary ventilation, gas exchange, and acid-base balance were essentially unaffected by PV expansion. Sea level Qmax and exercise capacity were restored with hyperoxia at altitude independently of BV. Low BV is not a primary cause for reduction of Qmax at altitude when acclimatized. Furthermore, hemodilution caused by PV expansion at altitude is compensated for by increased systemic O2 extraction with similar peak muscular O2 delivery, such that maximal exercise capacity is unaffected.

Why is VO2 max after altitude acclimatization still reduced despite normalization of arterial O2 content?

[EN] Acute hypoxia (AH) reduces maximal O2 consumption (VO2 max), but after acclimatization, and despite increases in both hemoglobin concentration and arterial O2 saturation that can normalize arterial O2 concentration ([O2]), VO2 max remains low. To determine why, seven lowlanders were studied at VO2 max (cycle ergometry) at sea level (SL), after 9-10 wk at 5,260 m [chronic hypoxia (CH)], and 6 mo later at SL in AH (FiO2 = 0.105) equivalent to 5,260 m. Pulmonary and leg indexes of O2 transport were measured in each condition. Both cardiac output and leg blood flow were reduced by approximately 15% in both AH and CH (P < 0.05). At maximal exercise, arterial [O2] in AH was 31% lower than at SL (P < 0.05), whereas in CH it was the same as at SL due to both polycythemia and hyperventilation. O2 extraction by the legs, however, remained at SL values in both AH and CH. Although at both SL and in AH, 76% of the cardiac output perfused the legs, in CH the legs received only 67%. Pulmonary VO2 max (4.1 +/- 0.3 l/min at SL) fell to 2.2 +/- 0.1 l/min in AH (P < 0.05) and was only 2.4 +/- 0.2 l/min in CH (P < 0.05). These data suggest that the failure to recover VO2 max after acclimatization despite normalization of arterial [O2] is explained by two circulatory effects of altitude: 1) failure of cardiac output to normalize and 2) preferential redistribution of cardiac output to nonexercising tissues. Oxygen transport from blood to muscle mitochondria, on the other hand, appears unaffected by CH.

Arterial O2 content and tension in regulation of cardiac output and leg blood flow during exercise in humans

[EN] A universal O2 sensor presumes that compensation for impaired O2 delivery is triggered by low O2 tension, but in humans, comparisons of compensatory responses to altered arterial O2 content (CaO2) or tension (PaO2) have not been reported. To directly compare cardiac output (QTOT) and leg blood flow (LBF) responses to a range of CaO2 and PaO2, seven healthy young men were studied during two-legged knee extension exercise with control hemoglobin concentration ([Hb] = 144.4 +/- 4 g/l) and at least 1 wk later after isovolemic hemodilution ([Hb] = 115 +/- 2 g/l). On each study day, subjects exercised twice at 30 W and on to voluntary exhaustion with an FIO2 of 0.21 or 0.11. The interventions resulted in two conditions with matched CaO2 but markedly different PaO2 (hypoxia and anemia) and two conditions with matched PaO2 and different CaO2 (hypoxia and anemia + hypoxia). PaO2 varied from 46 +/- 3 Torr in hypoxia to 95 +/- 3 Torr (range 37 to >100) in anemia (P < 0.001), yet LBF at exercise was nearly identical. However, as CaO2 dropped from 190 +/- 5 ml/l in control to 132 +/- 2 ml/l in anemia + hypoxia (P < 0.001), QTOT and LBF at 30 W rose to 12.8 +/- 0.8 and 7.2 +/- 0.3 l/min, respectively, values 23 and 47% above control (P < 0.01). Thus regulation of QTOT, LBF, and arterial O2 delivery to contracting intact human skeletal muscle is dependent for signaling primarily on CaO2, not PaO2. This finding suggests that factors related to CaO2 or [Hb] may play an important role in the regulation of blood flow during exercise in humans.

Cardiovascular responses to dynamic exercise with acute anemia in humans

[EN] We hypothesized that reducing arterial O2 content (CaO2) by lowering the hemoglobin concentration ([Hb]) would result in a higher blood flow, as observed with a low PO2, and maintenance of O2 delivery. Seven young healthy men were studied twice, at rest and during two-legged submaximal and peak dynamic knee extensor exercise in a control condition (mean control [Hb] 144 g/l) and after 1-1.5 liters of whole blood had been withdrawn and replaced with albumin [mean drop in [Hb] 29 g/l (range 19-38 g/l); low [Hb]]. Limb blood flow (LBF) was higher (P < 0.01) with low [Hb] during submaximal exercise (i.e., at 30 W, LBF was 2.5 +/- 0.1 and 3.0 +/- 0.1 l/min for control [Hb] and low [Hb], respectively; P < 0.01), resulting in a maintained O2 delivery and O2 uptake for a given workload. However, at peak exercise, LBF was unaltered (6.5 +/- 0.4 and 6.6 +/- 0.6 l/min for control [Hb] and low [Hb], respectively), which resulted in an 18% reduction in O2 delivery (P < 0.01). This occurred despite peak cardiac output in neither condition reaching >75% of maximal cardiac output (approximately 26 l/min). It is concluded that a low CaO2 induces an elevation in submaximal muscle blood flow and that O2 delivery to contracting muscles is tightly regulated.

Untersuchungen zur Expression und Funktion intrazellulärer Globine

Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die intrazelluläre Lokalisation des Hämoglobin von Drosophila melanogaster, sowie von Neuroglobin und Cytoglobin der Vertebraten. Obwohl alle drei Globine erst kürzlich entdeckt wurden, liegen bereits Daten über ihre Struktur, ihre biochemischen Eigenschaften und die Lokalisation der mRNA vor. Ihre Funktionen konnten bisher jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Das Globin von Drosophila melanogaster konnte mittels Westernblot sowohl in Larven als auch adulten Fliegen nachgewiesen werden. Ebenso war es mir möglich, mittels Immunperoxidaseuntersuchungen die Tracheen, die Terminalzellen der Tracheolen sowie die Fettkörperzellen als Ort der Globinexpression in Drosophila zu identifizieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass dieses Globin eine Funktion als Sauerstoffpuffer, der sowohl Sauerstoff speichert als auch transportiert, hin. Damit würde das Drosophila Globin eine zu anderen Insektenglobinen vergleichbare Funktion übernehmen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Neuroglobin auch in der neuronalen Netzhaut von Säugern und Fischen vorkommt. Des Weiteren konnte Neuroglobin in der Retina zellulär sowie subzellulär lokalisiert werden. In der avaskulären Mäuseretina wurde Neuroglobin neben den Innensegmenten der Photorezeptorzellen, auch noch in den beiden plexiformen Schichten sowie in der Ganglienzellschicht gefunden. Die gezeigte Kolokalisation dieses intrazellulären Globins mit Mitochondrien und somit auch mit den Orten des höchsten Sauerstoffbedarfs in der Retina deutet auf eine Funktion im Sauerstofftransport zu den Mitochondrien hin. Des Weiteren könnte Neuroglobin auch als Sauerstoffspeicher dienen, der es Neuronen ermöglicht, kurzfristige hypoxische Bedingungen unbeschadet zu überstehen. Andere mögliche Funktionen wie z.B. die als Detoxifizierer von reaktiven Sauerstoff- bzw. Sickstoffverbindungen, als Sauerstoffsensor, sowie als terminale Oxidase erscheinen durch die gezeigten Daten eher unwahrscheinlich. Die bisherige Annahme, dass Cytoglobin ein ubiquitär exprimiertes Protein ist, konnte von mir nicht bestätigt werden. Für nichtneuronale Gewebe konnte gezeigt werden, dass Cytoglobin lediglich auf das Cytoplasma von Fibroblasten und ontogenetisch verwandte Zelltypen wie Osteoblasten, Chondroblasten und Sternzellen beschränkt ist. Möglicherweise hat Cytoglobin dort eine Funktion in der Kollagensynthese. Ferner wird Cygb cytoplasmatisch und nukleär in einigen Neuronen der Retina und des Gehirns exprimiert. Dort könnte Cygb z.B. nukleäre Enzyme wie die NO-Synthase mit Sauerstoff versorgen. Andere Funktionen scheinen aufgrund meiner Daten im Moment unwahrscheinlich.

Untersuchungen zur Globinexpression in Karpfenfischen

In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Diversität und die sauerstoffabhängige Expression der Globine von Karpfenfischen. Mit Globin X konnte ein fünfter Globintyp identifiziert werden, dessen Vorkommen auf Fische und Amphibien beschränkt ist. Globin X wird sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene in zahlreichen Geweben exprimiert. Zur Aufklärung der genauen Funktion müssen noch weitere Analysen durchgeführt werden. Phylogenetische Untersuchungen ergaben eine ursprüngliche Verwandtschaft zwischen Neuroglobin und Globin X und deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Protostomia und Deuterostomia bereits zwei verschiedene Globintypen besessen hat. Im Zebrabärbling und im Goldfisch konnte ich eine Myoglobin-Expression neben dem Herzen auch in Hirn, Kieme, Leber und Niere nachweisen und somit zeigen, dass Myoglobin nicht nur im Muskelgewebe lokalisiert ist. Des Weiteren konnte eine hirnspezifische Myoglobin-Isoform im Goldfisch identifiziert werden, deren Funktion noch unklar ist und weiterer Untersuchungen bedarf. Das Vorhandensein der zweiten Isoform ist innerhalb der Cyprinidae (Karpfenfische) aufgrund einer Genomduplikation bei den Cyprininae (Kärpflinge) auf diese Unterfamilie beschränkt. Durch Hypoxieexperimente konnte gezeigt werden, dass die Expression der Globine von der Intensität des Sauerstoffmangels abhängig ist und gewebe- und artspezifisch erfolgt. Im Zebrabärbling wurde eine Abnahme der Hämoglobin- und Globin X-Konzentration beobachtet, während das Cytoglobin-Expressionsniveau nahezu unverändert blieb. Im Fall von Myoglobin und Neuroglobin konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die hypoxieinduzierte Zunahme der mRNA-Menge auch mit einer verstärkten Expression des jeweiligen Proteins korreliert ist. Im Vergleich dazu war die Veränderung der Expression der meisten Globine im Goldfisch gering, lediglich Myoglobin wurde im Fischkörper auf mRNA-Ebene nach Hypoxie deutlich verstärkt exprimiert. Durch einen Vergleich der konstitutiven Neuroglobin-Expression beider Karpfenfische konnte in Auge und Hirn des hypoxietoleranten Goldfisches eine 3- bzw. 5-fach höhere Neuroglobin-Konzentration als im hypoxiesensitiven Zebrabärbling nachgewiesen werden. Meine Ergebnisse stützen somit die Hypothese, dass Neuroglobin eine myoglobinähnliche Funktion einnimmt und den aeroben Stoffwechsel im neuronalen Gewebe auch unter Sauerstoffmangel aufrechterhält.

Studio della funzione cardiaca e della massa ventricolare sinistra mediante ecocardiografia convenzionale e tissue doppler imaging in una popolazione pediatrica con malattia renale cronica in terapia conservativa e sostitutiva

Background: Cardiovascular disease (CVD) is a common cause of morbidity and mortality in childhood chronic kidney disease (CKD). Left ventricular hypertrophy (LVH) is known to be one of the earliest events in CVD development. Left ventricular diastolic function (DF) is thought to be also impaired in children with CKD. Tissue Doppler imaging (TDI) provide an accurate measure of DF and is less load dependent than conventional ECHO. Aim: To evaluate the LV mass and the DF in a population of children with CKD. Methods: 37 patients, median age: 10.4 (3.3-19.8); underlying renal disease: hypo/dysplasia (N=28), nephronophthisis (N=4), Alport (N=2), ARPKD (N=3), were analyzed. Thirty-eight percent of the patients were on stage 1-2 of CKD, 38% on stage 3, 16% on stage 4. Three patients were on dialysis. The most frequent factors related to CVD in CKD have been studied. LVH has been defined as a left ventricular mass index (LVMI) more than 35.7 g/h2,7. Results: Twenty-five patients (81%) had a LVH. LVMI and diastolic function index (E’/A’) were significantly related to the glomerular filtration rate (p<0.003 and p<0.004). Moreover the LVMI was correlated with the phosphorus and the hemoglobin level (p<0.0001 and p<0.004). LVH was present since the first stages of CKD (58% of patients were on stages 1-2). Early-diastolic myocardial velocity was reduced in 73% of our patients. We didn’t find any correlation between LVH and systemic hypertension. Conclusion: ECHO evaluation with TDI is suggested also in children prior to dialysis and with a normal blood pressure. If LVH is diagnosed, a periodic follow-up is necessary with the treatment of the modifiable risk factors (hypertension, disturbances of calcium, phosphorus and PTH, anemia ).

Das Globingen-Repertoire von Amphibien und Teleostiern

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die molekulare Evolution von Globinen in Amphibien und Teleostiern untersucht und Analysen zur Genexpression ausgewählter Globine durchgeführt. Die bisher besonders für die neueren Mitglieder der Superfamilie der Globine – Neuroglobin und Cytoglobin – schwerpunktmäßig in Mammaliern erbrachten Daten sollten durch die Analyse in Amphibien und Teleostiern auf ihre generelle Gültigkeit für Vertebraten überprüft werden. Die Analysen zur Genexpression wurden sowohl in silico, basierend auf genomischen wie EST-Daten, als auch experimentell durch qualitative und quantitative RT-PCR-Nachweise durchgeführt. Die mRNA-Lokalisation wurde durch in situ-Hybridisierungen an Gewebeschnitten beziehungsweise durch Whole mount in situ-Hybridisierung an ganzen Embryonen detektiert. In einem ersten Teil der Arbeit wurde das Globin-Repertoire von Xenopus tropicalis umfassend analysiert. Die Expressionsanalyse der gefundenen Globine umfasste nicht nur adulte Tiere, sonder erstmals auch detailliert die Entwicklungsstadien eines Vertebraten. Dabei wurde festgestellt, dass die vorwiegend neuronale Expression des streng konservierten Neuroglobins ein generelles Charakteristikum aller Tetrapoden ist und bereits in der frühembryonalen Entwicklung auftritt. Auch für das als Einzelkopie im Amphibiengenom vertretene Cytoglobin konnte eine strenge Sequenzkonservierung gezeigt werden. Das Expressionsmuster des Amphibien-Cytoglobins stimmte mit dem aus Mammaliern bekannten überein und zeigte konservierte Charakteristika dieses Globins bei Tetrapoden auf. Die Analyse des Xenopus-Genoms ergab zudem, dass Krallenfrösche nicht über Myoglobin verfügen. Genomische Vergleiche syntäner Genregionen ließen auf Rearrangements in diesem Genombereich im Verlauf der Evolution schließen, in deren Folge das Myoglobingen in den Krallenfröschen deletiert wurde. Die Hämoglobine wurden in Xenopus tropicalis erstmals in einem Amphibium umfassend analysiert. Die Gene zeigten demnach eine geclusterte Anordnung: der tropische Krallenfrosch verfügte über je ein funktionelles α- bzw. β-adultes und sieben bzw. vier α- bzw. β-larvale Hämoglobine, die während der Entwicklung bzw. in adulten Tieren charakteristisch exprimiert wurden. Die Analyse der Hämoglobine hinsichtlich ihrer Lage in einem Cluster, ihrer phylogenetischen Relation zueinander und nicht zuletzt ihres Expressionsmusters ließen Rückschlüsse auf ihre Evolution zu. Zusätzlich zu diesen bereits bekannten Globinen konnte im Rahmen dieser Dissertation das Globingen-Repertoirs von Xenopus um zwei weitere, bisher unbekannte Globine erweitert werden. Diese wurden entsprechend ihrer bisher unbekannten Funktion als GlobinX und GlobinY bezeichnet. Während GlobinY bisher ausschließlich in Amphibien nachgewiesen werden konnte, wurde GlobinX zudem in Teleostiern detektiert und repräsentiert damit ein auf Anamnia beschränktes Globin. Die rekombinante Proteinexpression von Neuroglobin, Cytoglobin, GlobinX und GlobinY des tropischen Krallenfrosches zeigte ein hexakoordiniertes Bindungsschema dieser Globine in ihrem Deoxy-Zustand. In einem zweiten Teil dieser Dissertation wurden Neuroglobin und Cytoglobin in Teleostiern untersucht und die Analyse für diese zwei Gene somit über die Tetrapoden hinaus auf den gesamten Stammbaum der Vertebraten ausgedehnt. Dabei wurde deutlich, dass die vorwiegend neuronale Expression des seit 420 Millionen Jahren streng konservierten Neuroglobins ein generelles Merkmal dieses Globins in allen Vertebraten ist. Der in Amphibien und Teleostiern erbrachte und mit Ergebnissen in Mammaliern übereinstimmende Nachweis von Neuroglobin in neuronalen Geweben mit einem hohen Stoffwechsel lässt derzeit eine Funktion dieses Globins im Sauerstoffmetabolimus als wahrscheinlich erscheinen. Ob Neuroglobin dabei als kurzzeitiger Sauerstoffspeicher, O2-Transoprter oder aber in der Detoxifikation reaktiver Sauerstoff- bzw. Stickstoffspezies agiert, bleibt zu untersuchen. Für Cytoglobin konnte eine offenbar alle Teleostier betreffende Genduplikation nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen zeigen die Monophylie der Vertebraten-Cytoglobine. Der Vergleich der paralogen Cytoglobine der Teleostier mit dem syntänen Genombereich des humanen Cytoglobins zeigte die wahrscheinliche Entstehung der Fisch-Cytoglobine durch eine Genomduplikation in einem Vorfahren aller Teleostier vor etwa 300-450 Millionen Jahren. Die paralogen Cytoglobine zeigten in Danio rerio und Tetraodon nigroviridis differierende, charakteristische Expressionsmuster, die mit der Theorie der Subfunktionalisierung von Genen in Folge eines Duplikationsereignisses kompatibel sind. Die Analyse zeigte, dass Cygb-1 prädominant in Gehirn und Herz exprimiert wurde, Cygb-2 hingegen bevorzugt in Gehirn und Auge. Dies bestätigte indirekt die Hypothese, nach der das Cytoglobin der Mammalier zwei unterschiedliche Funktionen in differenten Geweben wahrnimmt. Die rekombinante Expression von Cygb-1 des Zebrabärblings zeigte zudem, das auch dieses Globin in seiner Deoxy-Form über ein hexakoordiniertes Bindungsschema verfügt.

Influence of Electromagnetic Fields On Biological Signalling: An Experimental and Theoretical Approach

The primary goals of this study were to develop a cell-free in vitro assay for the assessment of nonthermal electromagnetic (EMF) bioeffects and to develop theoretical models in accord with current experimental observations. Based upon the hypothesis that EMF effects operate by modulating Ca2+/CaM binding, an in vitro nitric oxide (NO) synthesis assay was developed to assess the effects of a pulsed radiofrequency (PRF) signal used for treatment of postoperative pain and edema. No effects of PRF on NO synthesis were observed. Effects of PRF on Ca2+/CaM binding were also assessed using a Ca2+-selective electrode, also yielding no EMF Ca2+/CaM binding. However, a PRF effect was observed on the interaction of hemoglobin (Hb) with tetrahydrobiopterin, leading to the development of an in vitro Hb deoxygenation assay, showing a reduction in the rate of Hb deoxygenation for exposures to both PRF and a static magnetic field (SMF). Structural studies using pyranine fluorescence, Gd3+ vibronic sideband luminescence and attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy were conducted in order to ascertain the mechanism of this EMF effect on Hb. Also, the effect of SMF on Hb oxygen saturation (SO2) was assessed under gas-controlled conditions. These studies showed no definitive changes in protein/solvation structure or SO2 under equilibrium conditions, suggesting the need for real-time instrumentation or other means of observing out-of-equilibrium Hb dynamics. Theoretical models were developed for EMF transduction, effects on ion binding, neuronal spike timing, and dynamics of Hb deoxygenation. The EMF sensitivity and simplicity of the Hb deoxygenation assay suggest a new tool to further establish basic biophysical EMF transduction mechanisms. If an EMF-induced increase in the rate of deoxygenation can be demonstrated in vivo, then enhancement of oxygen delivery may be a new therapeutic method by which clinically relevant EMF-mediated enhancement of growth and repair processes can occur.

Die Kristallstruktur zweier Atmungsproteine: das Hämoglobin des Meerschweinchens und das 24-mere Hämocyanin des Kaiserskorpions

Im Verlauf der vorgestellten Arbeit konnten die Kristallstrukturen zweier Atmungsproteine gelöst werden. Da diese Strukturen mit verschiedenen Auflösungen gelöst wurden, wurden für die beiden Modelle unterschiedliche Methoden verwendet.rnrnDie Kristalle des Hämoglobins des Meerschweinchens Cavia porcellus erlaubten eine Messung von Streureflexen bis zu einer Auflösung von 1.7 Ǻ. Damit konnten das Molecular Replacement und das folgende Refinement mit geringen Vorgaben durchgeführt werden.rnAnhand der ermittelten Struktur konnte gezeigt werden, dass die Höhenadaptation des Hämoglobins des Meerschweinchens auf einer Stabilisierung des R2-Zustandes und einer gleichzeitigen Destabilisierung des T-Zustandes beruht. Die zu Grunde liegenden Aminosäureaustausche konnten identifiziert und der resultierende Mechanismus postuliert werden. Die Durchführung von Mutagenese-Experimenten am Hämoglobin des Meerschweinchens könnte die vorgestellte Hypothese bestätigen.rnrnDie Kristallstruktur des 24-meren Hämocyanins aus Pandinus imperator konnte durch eine Kombination von Röntgenkristallographie und Homologiemodellierung mit einer Auflösung von 6.5 Ǻ gelöst werden. Allerdings wäre die Bestimmung der Phasen durch Molecular Replacement ohne die vor kurzem publizierte Kryo-EM Struktur nicht möglich gewesen [Cong et al., 2009].rnDamit ist es durch die Kombination verschiedener Methoden erstmalig gelungen die Struktur eines Hämocyanins dieser Größe (Mw = 1.7 MDa) zu lösen. Die Auflösung von 6.5 Ǻ, eine für die Kristallographie relativ geringe Auflösung, erlaubte die Bestimmung des Cα-Traces des Proteins mit hoher Genauigkeit.rnDurch die Kristallstruktur konnte das zu Grunde liegende Kryo-EM Modell aus [Cong et al., 2009] bestätigt werden. Insbesondere die Position der α-Helices konnte mittels Kristallographie mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden. Durch die Verwendung von OMIT-Maps wurde sichergestellt, dass die Struktur nicht "kopiert" wurde. Die Übereinstimmung ist deshalb auf die Struktur des Hämocyanins im gemessenen Kristall zurückzuführen, nicht auf einen Bias bei der Auswertung.rnAnhand der Kristallstruktur konnten für die Kooperativität im Trimer potentiell entscheidende Aminosäuren identifiziert werden. Diese Aminosäuren könnten im Vergleich zur bekannten trimeren Struktur aus Limulus polyphemus zur Ausbildung zusätzlicher Bindungen zwischen den Untereinheiten führen. Diese Bindungen könnten eine wichtige Rolle beim Konformationsübergang zwischen dem T- und R-Zustand spielen.rn

Funktionsaufklärung von Atmungsproteinen in Insekten

Globine sind kleine globuläre Proteine mit nahezu ubiquitärem Vorkommen in allen Tiergruppen. Sie weisen eine typische Sandwichstruktur auf, die in der Regel aus acht α-Helices mit einer zentralen prosthetischen Häm-Gruppe besteht und die Proteine zur Bindung gasförmiger Liganden befähigt. Die Funktionen der Globine reichen von O2-Transport und – Speicherung, über eine Beteiligung bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies bis hin zu sensorischen physiologischen Aufgaben. Innerhalb der Klasse der Insekten schien das Vorhandensein von Globinen zunächst auf Insekten mit offensichtlich hypoxischen Habitaten beschränkt zu sein. Die Entdeckung des Globins glob1 in Drosophila melanogaster deutete jedoch eine sehr viel weitere Verbreitung der Globine in Insekten an, die sich durch die Identifizierung von Globingenen in einer Vielzahl von normoxisch lebenden Insekten, wie z.B. Apis mellifera oder Aedes aegypti bestätigte. D. melanogaster besitzt drei Globine, glob1, glob2 und glob3. Glob1 ist eng mit anderen intrazellulären Insektenglobinen verwandt, was zu der Annahme führte, dass es sich bei glob1 um das ursprüngliche und bei glob2 und glob3 um abgeleitete D. melanogaster Globine handelt. Glob1 wird in allen Entwicklungsstadien exprimiert, wobei die Hauptexpressionsorte der Fettkörper und das Tracheensystem sind. Die Transkription des glob1 startet von zwei alternativen Promotoren (Promotor I und II), wodurch in Kombination mit alternativem Splicing vier Transkriptvarianten (Isoform A-D) entstehen, deren Translation jedoch in einer Proteinvariante (glob1) resultiert. Hypoxische Bedingungen führen zu einer vermutlich HIF (=‚hypoxia-inducible factor‘) -vermittelten Abnahme der glob1 Genexpression, wohingegen Hyperoxie eine leichte Zunahme der glob1 mRNA Menge bewirkt. Der mithilfe des UAS/Gal4- Systems erzeugte, RNAi-vermittelte glob1 Knockdown führt zu einer schlechteren Überlebensrate adulter Fliegen unter hypoxischen Bedingungen, einer verkürzten Erholungszeit nach hypoxischem Stupor in Weibchen sowie zu einer erhöhten Resistenz gegenüber dem ROS (=‘reactive oxygen species‘) -generierenden Herbizid Paraquat in Larven und adulten Weibchen. Diese Beobachtungen sprechen für eine Funktion des Drosophila glob1 innerhalb der O2-Versorgung. Unter hyperoxischen Bedingungen hingegen wurde kein Unterschied zwischen Fliegen mit wildtypischer und manipulierter glob1-Expression festgestellt, wodurch eine Beteiligung des glob1 bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies als mögliche Funktion vorerst ausscheidet. Bei glob2 und glob3 handelt es sich um duplizierte Gene. Auf phylogenetischen Rekonstruktionen basierend konnte die Entstehung der Globin-Duplikate auf ein Duplikationsereignis vor der Radiation des Subgenus Sophophora vor mindestens 40 Millionen Jahren zurückgeführt werden. Die durchgeführten Analysen zur molekularen Sequenzevolution der Globin-Duplikate deuten darauf hin, dass glob2 und glob3 nach der Duplikation eine Kombination aus Sub- und Neo-Funktionalisierungsprozessen durchlaufen haben. Glob2 und glob3 zeigen eine deckungsgleiche mRNA Expression, die auf die männliche Keimbahn beschränkt ist. Aufgrund des hohen Konservierungsgrads der für die Häm- und O2-Bindung essentiellen Aminosäuren kann von der Funktionalität beider Proteine ausgegangen werden. Die streng auf die männliche Keimbahn begrenzte Expression von glob2 und glob3 deutet auf eine Rolle der Globin-Duplikate innerhalb der Spermatogenese hin, die möglicherweise in einem Schutz der Spermatogenese vor oxidativem Stress besteht. Auch eine Beteiligung beim korrekten Ablauf der Spermien-Individualisierung, beispielsweise durch Regulation von Apoptoseprozessen wäre denkbar.

Charakterisierung und Expression zweier multimerer Hämolympheproteine der Schnecke Biomphalaria glabrata

Die tropische Süsswasserschnecke Biomphalaria glabrata gehört zu der Familie der Planorbidae, welche als einziges Taxon der Gastropoden Hämoglobin als Sauerstofftransportprotein verwenden. Als Zwischenwirt des Bilharzioseerregers Schistosoma mansoni ist B. glabrata von tropenmedizinischer Interesse. Das extrazelluläre BgHb zeigt sich mit einem Anteil von 95% als Hauptprotein in der Hämolymphe. Dieses setzt sich aus Polypeptidketten mit je 240kDa zusammen. Diese wiederrum lassen sich in 13-Häm-Domänen und eine deutlich kleinere N-terminalen nicht Häm-Domäne untergliedern. Die Sequenzierung von zwei der drei Untereinheiten des BgHb (BgHb1, BgHb2) ermöglichte die rekombinante Expression ganzer Untereinheiten in Insektenzellen, und die Expression einiger BgHb2-Konstrukte in E. coli Zellen. Im Rahmen meiner Arbeit gelang es, BgHb1 in biologisch aktiver Form in Insektenzellen zu exprimieren. Das aus dem Überstand der Insektenzellen aufgereinigte rekombinante BgHb1 zeigte eine immunologische Identität mit nativen BgHb. Strukturelle Analysen belegten zudem die Assemblierung des rekombinanten BgHb1 zu einer dem nativen Protein gleichenden Quartärstruktur. Demnach konnte in meiner Arbeit der Nachweis erbracht werden, dass eine einzelne Isoform in der Lage ist, zur Quartärstruktur zu assemblieren. Zusätzlich ergaben Sauerstoffbindungsanalysen, dass das rekombinante BgHb1 reversibel Sauerstoff binden kann.rnIn den restlichen 5% der B. glabrata Hämolymphe zeigt sich ein rudimentäres Hämocyanin, welches für den Sauerstofftransport keine Rolle zu spielen scheint, und ein rosettenförmiges Protein, das es aufzuklären galt. Durch massenspektrometrische Analysen erhaltene Peptidfragmente zeigten eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den löslichen Acetylcholin -Bindeproteinen anderer Mollusken. Diese AChBP zeigen eine hohe Sequenzähnlichkeit zur Ligandenbindedomäne von Rezeptoren der Cys-Loop-Proteinfamilie.rnDatenbankrecherchen deckten die Existenz zweier Isoformen auf