Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Modulation of potassium ion channel proteins utilising antibodies

The application of antibodies to living cells has the potential to modulate the function of specific proteins by virtue of their high specificity. This specificity has proven effective in determining the involvement of many proteins in neuronal function where specific agonists and antagonists do not exist, e.g. ion channel subunits. We discuss a way to utilise subunit specific antibodies to target individual channel subunits in electrophysiological experiments to determine functional roles within native neurones. Utilising this approach, we have investigated the role of the voltage-gated potassium channel Kv3.1b subunit within a region of the brainstem important in the regulation of autonomic function. We provide some useful control experiments in order to help validate this method. We conclude that antibodies can be extremely valuable in determining the functions of specific proteins in living neurones in neuroscience research.

Diverse mechanisms underlying the regulation of ion channels by carbon monoxide

Carbon monoxide is firmly established as an important, physiological signalling molecule as well as a potent toxin. Through its ability to bind metal-containing proteins it is known to interfere with a number of intracellular signalling pathways, and such actions can account for its physiological and pathological effects. In particular, CO can modulate the intracellular production of reactive oxygen species, nitric oxide and cGMP levels, as well as regulate MAP kinase signalling. In this review, we consider ion channels as more recently discovered effectors of CO signalling. CO is now known to regulate a growing number of different ion channel types, and detailed studies of the underlying mechanisms of action are revealing unexpected findings. For example, there are clear areas of contention surrounding its ability to increase the activity of high conductance, Ca2+ -sensitive K+ channels. More recent studies have revealed the ability of CO to inhibit T-type Ca2+ channels and have unveiled a novel signalling pathway underlying tonic regulation of this channel. It is clear that the investigation of ion channels as effectors of CO signalling is in its infancy, and much more work is required to fully understand both the physiological and the toxic actions of this gas. Only then can its emerging use as a therapeutic tool be fully and safely exploited.

Diverse mechanisms underlying the regulation of ion channels by carbon monoxide

Carbon monoxide (CO) is firmly established as an important, physiological signalling molecule as well as a potent toxin. Through its ability to bind metal-containing proteins, it is known to interfere with a number of intracellular signalling pathways, and such actions can account for its physiological and pathological effects. In particular, CO can modulate the intracellular production of reactive oxygen species, NO and cGMP levels, as well as regulate MAPK signalling. In this review, we consider ion channels as more recently discovered effectors of CO signalling. CO is now known to regulate a growing number of different ion channel types, and detailed studies of the underlying mechanisms of action are revealing unexpected findings. For example, there are clear areas of contention surrounding its ability to increase the activity of high conductance, Ca2+ -sensitive K+ channels. More recent studies have revealed the ability of CO to inhibit T-type Ca2+ channels and have unveiled a novel signalling pathway underlying tonic regulation of this channel. It is clear that the investigation of ion channels as effectors of CO signalling is in its infancy, and much more work is required to fully understand both the physiological and the toxic actions of this gas. Only then can its emerging use as a therapeutic tool be fully and safely exploited.

Redox regulation of the mitochondrial K(ATP) channel in cardioprotection

The mitochondrial ATP-sensitive potassium channel (mK(ATP)) is important in the protective mechanism of ischemic preconditioning (IPC). The channel is reportedly sensitive to reactive oxygen and nitrogen species, and the aim of this study was to compare such species in parallel, to build a more comprehensive picture of mK(ATP) regulation. mK(ATP) activity was measured by both osmotic swelling and Tl(+) flux assays, in isolated rat heart mitochondria. An isolated adult rat cardiomyocyte model of ischemia-reperfusion (IR) injury was also used to determine the role of mK(ATP) in cardioprotection by nitroxyl. Key findings were as follows: (i) mK(ATP) was activated by O(2)(center dot-) and H(2)O(2) but not other peroxides. (ii) mK(ATP) was inhibited by NADPH. (iii) mK(ATP) was activated by S-nitrosothiols, nitroxyl, and nitrolinoleate. The latter two species also inhibited mitochondrial complex II. (iv) Nitroxyl protected cardiomyocytes against IR injury in an mK(ATP)-dependent manner. Overall, these results suggest that the mK(ATP) channel is activated by specific reactive oxygen and nitrogen species, and inhibited by NADPH. The redox modulation of mK(ATP) may be an underlying mechanism for its regulation in the context of IPC. This article is part of a Special Issue entitled: Mitochondria and Cardioprotection. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nicorandil protects cardiac mitochondria against permeability transition induced by ischemia-reperfusion

Ischemia followed by reperfusion is known to negatively affect mitochondrial function by inducing a deleterious condition termed mitochondrial permeability transition. Mitochondrial permeability transition is triggered by oxidative stress, which occurs in mitochondria during ischemia-reperfusion as a result of lower antioxidant defenses and increased oxidant production. Permeability transition causes mitochondrial dysfunction and can ultimately lead to cell death. A drug able to minimize mitochondrial damage induced by ischemia-reperfusion may prove to be clinically effective. We aimed to analyze the effects of nicorandil, an ATP-sensitive potassium channel agonist and vasodilator, on mitochondrial function of rat hearts and cardiac HL-1 cells submitted to ischemia-reperfusion. Nicorandil decreased mitochondrial swelling and calcium uptake. It also decreased reactive oxygen species formation and thiobarbituric acid reactive substances levels, a lipid peroxidation biomarker. We thus confirm previous reports that nicorandil inhibits mitochondrial permeability transition and demonstrate that nicorandil inhibits this process by preventing oxidative damage and mitochondrial calcium overload induced by ischemia-reperfusion, resulting in improved cardiomyocyte viability. These results may explain the good clinical results obtained when using nicorandil in the treatment of ischemic heart disease.

Organophosphorus-induced delayed neuropathy: A simple and efficient therapeutic strategy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Produção do tomateiro (Lycopersicon esculentum L.) cultivado em diferentes recipientes e níveis de cálcio na solução nutritiva

Pós-graduação em Agronomia - FEIS

Balanço de espécies químicas em microbacias sob utilização agrícola - região de Botucatu/SP

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

KCNQ Channels Determine Serotonergic Modulation of Ventral Surface Chemoreceptors and Respiratory Drive

Chemosensitive neurons in the retrotrapezoid nucleus (RTN) regulate breathing in response to CO2/H+ changes. Their activity is also sensitive to neuromodulatory inputs from multiple respiratory centers, and thus they serve as a key nexus of respiratory control. However, molecular mechanisms that control their activity and susceptibility to neuromodulation are unknown. Here, we show in vitro and in vivo that KCNQ channels are critical determinants of RTN neural activity. In particular, we find that pharmacological block of KCNQ channels (XE991, 10 mu M) increased basal activity and CO2 responsiveness of RTN neurons in rat brain slices, whereas KCNQ channel activation (retigabine, 2-40 mu M) silenced these neurons. Interestingly, we also find that KCNQ and apamin-sensitive SK channels act synergistically to regulate firing rate of RTN chemoreceptors; simultaneous blockade of both channels led to a increase in CO2 responsiveness. Furthermore, we also show that KCNQ channels but not SK channels are downstream effectors of serotonin modulation of RTN activity in vitro. In contrast, inhibition of KCNQ channel did not prevent modulation of RTN activity by Substance P or thyrotropin-releasing hormone, previously identified neuromodulators of RTN chemoreception. Importantly, we also show that KCNQ channels are critical for RTN activity in vivo. Inhibition of KCNQ channels lowered the CO2 threshold for phrenic nerve discharge in anesthetized rats and decreased the ventilatory response to serotonin in awake and anesthetized animals. Given that serotonergic dysfunction may contribute to respiratory failure, our findings suggest KCNQ channels as a new therapeutic avenue for respiratory complications associated with multiple neurological disorders.

The peripheral L-arginine-nitric oxide-cyclic GMP pathway and ATP-sensitive K+ channels are involved in the antinociceptive effect of crotalphine on neuropathic pain in rats

Crotalphine, a 14 amino acid peptide first isolated from the venom of the South American rattlesnake Crotalus durissus terrificus, induces a peripheral long-lasting and opioid receptor-mediated antinociceptive effect in a rat model of neuropathic pain induced by chronic constriction of the sciatic nerve. In the present study, we further characterized the molecular mechanisms involved in this effect, determining the type of opioid receptor responsible for this effect and the involvement of the nitric oxide-cyclic GMP pathway and of K+ channels. Crotalphine (0.2 or 5 mu g/kg, orally; 0.0006 mu g/paw), administered on day 14 after nerve constriction, inhibited mechanical hyperalgesia and low-threshold mechanical allodynia. The effect of the peptide was antagonized by intraplantar administration of naltrindole, an antagonist of delta-opioid receptors, and partially reversed by norbinaltorphimine, an antagonist of kappa-opioid receptors. The effect of crotalphine was also blocked by 7-nitroindazole, an inhibitor of the neuronal nitric oxide synthase; by 1H-(1,2,4) oxadiazolo[4,3-a]quinoxaline-1-one, an inhibitor of guanylate cyclase activation; and by glibenclamide, an ATP-sensitive K+ channel blocker. The results suggest that peripheral delta-opioid and kappa-opioid receptors, the nitric oxide-cyclic GMP pathway, and ATP-sensitive K+ channels are involved in the antinociceptive effect of crotalphine. The present data point to the therapeutic potential of this peptide for the treatment of chronic neuropathic pain. Behavioural Pharmacology 23:14-24 (C) 2012 Wolters Kluwer Health | Lippincott Williams & Wilkins.

Crotamine Pharmacology Revisited: Novel Insights Based on the Inhibition of K-V Channels

Crotamine, a 5-kDa peptide, possesses a unique biological versatility. Not only has its cell-penetrating activity become of clinical interest but, moreover, its potential selective antitumor activity is of great pharmacological importance. In the past, several studies have attempted to elucidate the exact molecular target responsible for the crotamine-induced skeletal muscle spasm. The aim of this study was to investigate whether crotamine affects voltage-gated potassium (K-V) channels in an effort to explain its in vivo effects. Crotamine was studied on ion channel function using the two-electrode voltage clamp technique on 16 cloned ion channels (12 K-V channels and 4 Na-V channels), expressed in Xenopus laevis oocytes. Crotamine selectively inhibits K-V 1.1, K-V 1.2, and K-V 1.3 channels with an IC50 of similar to 300 nM, and the key amino acids responsible for this molecular interaction are suggested. Our results demonstrate for the first time that the symptoms, which are observed in the typical crotamine syndrome, may result from the inhibition of K-V channels. The ability of crotamine to inhibit the potassium current through K-V channels unravels it as the first snake peptide with the unique multifunctionality of cell-penetrating and antitumoral activity combined with K-V channel-inhibiting properties. This new property of crotamine might explain some experimental observations and opens new perspectives on pharmacological uses.

Ether-A -go-go 1 (Eag1) Potassium Channel Expression in Dopaminergic Neurons of Basal Ganglia is Modulated by 6-Hydroxydopamine Lesion

The ether A go-go (Eag) gene encodes the voltage-gated potassium (K+) ion channel Kv10.1, whose function still remains unknown. As dopamine may directly affect K+ channels, we evaluated whether a nigrostriatal dopaminergic lesion induced by the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA) would alter Eag1-K+ channel expression in the rat basal ganglia and related brain regions. Male Wistar rats received a microinjection of either saline or 6-OHDA (unilaterally) into the medial forebrain bundle. The extent of the dopaminergic lesion induced by 6-OHDA was evaluated by apomorphine-induced rotational behavior and by tyrosine hydroxylase (TH) immunoreactivity. The 6-OHDA microinjection caused a partial or complete lesion of dopaminergic cells, as well as a reduction of Eag1+ cells in a manner proportional to the extent of the lesion. In addition, we observed a decrease in TH immunoreactivity in the ipsilateral striatum. In conclusion, the expression of the Eag1-K+-channel throughout the nigrostriatal pathway in the rat brain, its co-localization with dopaminergic cells and its reduction mirroring the extent of the lesion highlight a physiological circuitry where the functional role of this channel can be investigated. The Eag1-K+ channel expression in dopaminergic cells suggests that these channels are part of the diversified group of ion channels that generate and maintain the electrophysiological activity pattern of dopaminergic midbrain neurons.

Improvement of non-paraneoplastic voltage-gated potassium channel antibody-associated limbic encephalitis without immunosuppressive therapy

We describe a 61-year-old patient with clinical evidence of limbic encephalitis who improved with anticonvulsant treatment only, that is, without the use of immunosuppressive agents. Three years following occurrence of anosmia, increasing memory deficits, and emotional disturbances, he presented with new-onset temporal lobe epilepsy, with antibodies binding to neuronal voltage-gated potassium channels and bitemporal hypometabolism on FDG-PET scan; the MRI scan was normal. This is most likely a case of spontaneous remission, illustrating that immunosuppressive therapy might be suspended in milder courses of limbic encephalitis. It remains open whether treatment with anticonvulsant drugs played an additional beneficiary role through the direct suppression of seizures or, additionally, through indirect immunomodulatory side effects.

Nerve excitability studies characterize Kv1.1 fast potassium channel dysfunction in patients with episodic ataxia type 1

Episodic ataxia type 1 is a neuronal channelopathy caused by mutations in the KCNA1 gene encoding the fast K(+) channel subunit K(v)1.1. Episodic ataxia type 1 presents with brief episodes of cerebellar dysfunction and persistent neuromyotonia and is associated with an increased incidence of epilepsy. In myelinated peripheral nerve, K(v)1.1 is highly expressed in the juxtaparanodal axon, where potassium channels limit the depolarizing afterpotential and the effects of depolarizing currents. Axonal excitability studies were performed on patients with genetically confirmed episodic ataxia type 1 to characterize the effects of K(v)1.1 dysfunction on motor axons in vivo. The median nerve was stimulated at the wrist and compound muscle action potentials were recorded from abductor pollicis brevis. Threshold tracking techniques were used to record strength-duration time constant, threshold electrotonus, current/threshold relationship and the recovery cycle. Recordings from 20 patients from eight kindreds with different KCNA1 point mutations were compared with those from 30 normal controls. All 20 patients had a history of episodic ataxia and 19 had neuromyotonia. All patients had similar, distinctive abnormalities: superexcitability was on average 100% higher in the patients than in controls (P < 0.00001) and, in threshold electrotonus, the increase in excitability due to a depolarizing current (20% of threshold) was 31% higher (P < 0.00001). Using these two parameters, the patients with episodic ataxia type 1 and controls could be clearly separated into two non-overlapping groups. Differences between the different KCNA1 mutations were not statistically significant. Studies of nerve excitability can identify K(v)1.1 dysfunction in patients with episodic ataxia type 1. The simple 15 min test may be useful in diagnosis, since it can differentiate patients with episodic ataxia type 1 from normal controls with high sensitivity and specificity.