Convective oxygen transport and fatigue

[EN] During exercise, fatigue is defined as a reversible reduction in force- or power-generating capacity and can be elicited by "central" and/or "peripheral" mechanisms. During skeletal muscle contractions, both aspects of fatigue may develop independent of alterations in convective O(2) delivery; however, reductions in O(2) supply exacerbate and increases attenuate the rate of accumulation. In this regard, peripheral fatigue development is mediated via the O(2)-dependent rate of accumulation of metabolic by-products (e.g., inorganic phosphate) and their interference with excitation-contraction coupling within the myocyte. In contrast, the development of O(2)-dependent central fatigue is elicited 1) by interference with the development of central command and/or 2) via inhibitory feedback on central motor drive secondary to the peripheral effects of low convective O(2) transport. Changes in convective O(2) delivery in the healthy human can result from modifications in arterial O(2) content, blood flow, or a combination of both, and they can be induced via heavy exercise even at sea level; these changes are exacerbated during acute and chronic exposure to altitude. This review focuses on the effects of changes in convective O(2) delivery on the development of central and peripheral fatigue.

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.

On the mechanisms that limit oxygen uptake during exercise in acute and chronic hypoxia: role of muscle mass

[EN] Peak aerobic power in humans (VO2,peak) is markedly affected by inspired O2 tension (FIO2). The question to be answered in this study is what factor plays a major role in the limitation of muscle peak VO2 in hypoxia: arterial O2 partial pressure (Pa,O2) or O2 content (Ca,O2)? Thus, cardiac output (dye dilution with Cardio-green), leg blood flow (thermodilution), intra-arterial blood pressure and femoral arterial-to-venous differences in blood gases were determined in nine lowlanders studied during incremental exercise using a large (two-legged cycle ergometer exercise: Bike) and a small (one-legged knee extension exercise: Knee)muscle mass in normoxia, acute hypoxia (AH) (FIO2 = 0.105) and after 9 weeks of residence at 5260 m (CH). Reducing the size of the active muscle mass blunted by 62% the effect of hypoxia on VO2,peak in AH and abolished completely the effect of hypoxia on VO2,peak after altitude acclimatization. Acclimatization improved Bike peak exercise Pa,O2 from 34 +/- 1 in AH to 45 +/- 1 mmHg in CH(P <0.05) and Knee Pa,O2 from 38 +/- 1 to 55 +/- 2 mmHg(P <0.05). Peak cardiac output and leg blood flow were reduced in hypoxia only during Bike. Acute hypoxia resulted in reduction of systemic O2 delivery (46 and 21%) and leg O2 delivery (47 and 26%) during Bike and Knee, respectively, almost matching the corresponding reduction in VO2,peak. Altitude acclimatization restored fully peak systemic and leg O(2) delivery in CH (2.69 +/- 0.27 and 1.28 +/- 0.11 l min(-1), respectively) to sea level values (2.65 +/- 0.15 and 1.16 +/- 0.11 l min(-1), respectively) during Knee, but not during Bike. During Knee in CH, leg oxygen delivery was similar to normoxia and, therefore, also VO2,peak in spite of a Pa,O2 of 55 mmHg. Reducing the size of the active mass improves pulmonary gas exchange during hypoxic exercise, attenuates the Bohr effect on oxygen uploading at the lungs and preserves sea level convective O2 transport to the active muscles. Thus, the altitude-acclimatized human has potentially a similar exercising capacity as at sea level when the exercise model allows for an adequate oxygen delivery (blood flow x Ca,O2), with only a minor role of Pa,O2 per se, when Pa,O2 is more than 55 mmHg.

Reductions in systemic and skeletal muscle blood flow and oxygen delivery limit maximal aerobic capacity in humans

[EN] BACKGROUND: A classic, unresolved physiological question is whether central cardiorespiratory and/or local skeletal muscle circulatory factors limit maximal aerobic capacity (VO2max) in humans. Severe heat stress drastically reduces VO2max, but the mechanisms have never been studied. METHODS AND RESULTS: To determine the main contributing factor that limits VO2max with and without heat stress, we measured hemodynamics in 8 healthy males performing intense upright cycling exercise until exhaustion starting with either high or normal skin and core temperatures (+10 degrees C and +1 degrees C). Heat stress reduced VO2max, 2-legged VO2, and time to fatigue by 0.4+/-0.1 L/min (8%), 0.5+/-0.2 L/min (11%), and 2.2+/-0.4 minutes (28%), respectively (all P<0.05), despite heart rate and core temperature reaching similar peak values. However, before exhaustion in both heat stress and normal conditions, cardiac output, leg blood flow, mean arterial pressure, and systemic and leg O2 delivery declined significantly (all 5% to 11%, P<0.05), yet arterial O2 content and leg vascular conductance remained unchanged. Despite increasing leg O2 extraction, leg VO2 declined 5% to 6% before exhaustion in both heat stress and normal conditions, accompanied by enhanced muscle lactate accumulation and ATP and creatine phosphate hydrolysis. CONCLUSIONS: These results demonstrate that in trained humans, severe heat stress reduces VO2max by accelerating the declines in cardiac output and mean arterial pressure that lead to decrements in exercising muscle blood flow, O2 delivery, and O2 uptake. Furthermore, the impaired systemic and skeletal muscle aerobic capacity that precedes fatigue with or without heat stress is largely related to the failure of the heart to maintain cardiac output and O2 delivery to locomotive muscle.

Determinants of maximal oxygen uptake in severe acute hypoxia

[EN] To unravel the mechanisms by which maximal oxygen uptake (VO2 max) is reduced with severe acute hypoxia in humans, nine Danish lowlanders performed incremental cycle ergometer exercise to exhaustion, while breathing room air (normoxia) or 10.5% O2 in N2 (hypoxia, approximately 5,300 m above sea level). With hypoxia, exercise PaO2 dropped to 31-34 mmHg and arterial O2 content (CaO2) was reduced by 35% (P < 0.001). Forty-one percent of the reduction in CaO2 was explained by the lower inspired O2 pressure (PiO2) in hypoxia, whereas the rest was due to the impairment of the pulmonary gas exchange, as reflected by the higher alveolar-arterial O2 difference in hypoxia (P < 0.05). Hypoxia caused a 47% decrease in VO2 max (a greater fall than accountable by reduced CaO2). Peak cardiac output decreased by 17% (P < 0.01), due to equal reductions in both peak heart rate and stroke VOlume (P < 0.05). Peak leg blood flow was also lower (by 22%, P < 0.01). Consequently, systemic and leg O2 delivery were reduced by 43 and 47%, respectively, with hypoxia (P < 0.001) correlating closely with VO2 max (r = 0.98, P < 0.001). Therefore, three main mechanisms account for the reduction of VO2 max in severe acute hypoxia: 1) reduction of PiO2, 2) impairment of pulmonary gas exchange, and 3) reduction of maximal cardiac output and peak leg blood flow, each explaining about one-third of the loss in VO2 max.

Zooplankton oxygen consumption and nutrient release in relation to species composition, animals size and enviromental conditions in the Baltic Sea during May and August

[EN] Zooplankton metabolism in terms of oxygen consumption and ñutrient reléase (ammonia, phosphate) were measiu'ed in the Baltic Sea, a températe área with high envirormiental changes both in space and in time. Plankton of the surface layer were analysed with balance measurements in 4 size classes between 50 and 1000 nm during spring in 1988, 1990 and 1991, in summer 19^8 and 1990 as well. The use of electrón transport system (ETS), and the Glutamate Dehydrogenase (GDH) activity as indicators for respiration and ammonia reléase respectively, enlarged the data density and made a three dimensional resolution available (May 1990, 1991). Data are in the range of the latitudinal dependend magnitude. They reflect slight interannual, more seasonal and regional aspects. Animáis size, temperature, food concentration, and species composition influence the specific rates

Role of reactive oxygen and nitrogen species in the response of Prunus spp. to bicarbonate

In calcareous soils, which are a large share of agricultural soils worldwide, iron availability is limited. Consequently, the whole plant physiology is affected, because of the key role of iron in redox metabolism, resulting in reduced crop yield and quality. Peach cultivation is economically important in northern Italy, and is easily subjected to iron chlorosis. The management of iron nutrition in peach includes grafting on bicarbonate-tolerant rootstocks; other forms of management may be expensive and environmentally impacting. Four genotypes, used as rootstocks for peach and characterized by different degrees of tolerance to chlorosis, were tested in vitro on optimal and bicarbonate-enriched medium. Their redox status and antioxidant responses were assayed; the production and possible roles of nitric oxide (NO) and related compounds were also studied. The most sensitive genotypes show a stronger reduction of the antioxidant enzymatic activities and an increased oxidative stress. A high production of NO was found to be associated to resistant genotypes, whereas sensitive genotypes reacted to stress by downregulating nitrosoglutathione reductase activity. Therefore, NO is proposed to improve the internal iron availability, or to stimulate iron intake.

Zur Kooperativität des Vogelspinnen-Hämocyanins

Zusammenfassung Kooperativität bei Atmungsproteinen bedeutet eine Änderung der O2-Affinität während der Beladung mit O2 und läßt sich durch die Wechselbeziehung zwischen O2-Beladung und Konformation beschreiben. In dieser Arbeit wurde das 24-mere Hämocyanin der Vogelspinne Eurypelma californicum bzgl. Beladung und Konformationen sowohl auf der Ensemble- wie auch auf der Einzel-Molekül-Ebene charakterisiert. EnsembleDie Bindung von O2 an Hämocyanine ist mit einer drastischen Abnahme der Fluoreszenz-Quantenausbeute verbunden. Durch Vergleich von theoretisch und experimentell bestimmten Quantenausbeuten konnte gezeigt werden, daß die Löschung auf Förster-Transfer zurückzuführen ist, und daß kein Einfluß der Oligomerisierung, Protein-Konformation, Beweglichkeit oder Tierart besteht. Die Konformation von Hämocyaninen konnte mit Crosslinkern im oxy- und deoxy-Zustand fixiert werden. Die Charakterisierung der Produkte führte zu einer neuen Vorstellung, wie unterschiedliche Affinitäten realisiert sein können. Hierbei kommt der Dynamik der Protein-Matrix eine entscheidende Rolle zu. Einzel-MoleküleMittels Zwei-Photonen-Anregung konnten erstmalig einzelne Proteine über ihre intrinsische Tryptophan-Fluoreszenz nachgewiesen werden. Zum einen gelang es, Modellsysteme mit nur 340 Trp abzubilden, andererseits konnte die Diffusion einzelner Hämocyanine (148 Trp) mit Hilfe der Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie nachgewiesen werden.Einzelne Hämocyanine konnten durch Adsorption und mildes Eintrocknen an verschiedenen Oberflächen immobilisiert werden. Mittels Atomarer Kraft-Mikroskopie (AFM) ließen sich individuelle Hämocyanine abgebilden, wobei Details der Quarärstruktur aufgelöst werden konnten.

Transkriptionskontrolle des nuoA-N Operons (NADH-Dehydrogenase I) von Escherichia coli

Das Elektronentransportsystem von E. coli enthält zwei verschiedene NADH-Dehydrogenasen. Die NADH-DehydrogenaseI (nuoA-N) koppelt im Gegensatz zur NADH-DehydrogenaseII die Oxidation von NADH an eine Protonentranslokation und trägt zur Energiekonservierung bei. Die NADH-DehydrogenaseI wird über die Promotoren P1 und P2 exprimiert und besitzt mehrere Bindestellen für verschiedene Regulatoren.Die separate Klonierung der Promotoren, lacZ-Fusionen, Inaktivierung von Transkriptionsfaktoren, sowie die Nutzung mutierter Regulatorbindestellen in vivo zeigen, dass P1 im wesentlichen die Expressionshöhe bestimmt und ist unter aeroben und anaeroben Bedingungen aktiv. P2 trägt in wesentlich geringerem Maße als P1 zur Expression des Enzyms bei. Er ist stark abhängig von ArcA und IHF. Beide Promotoren wirken nicht additiv.Unter anaeroben Bedingungen wird die Transkription von nuo durch das Zweikomponenten-System ArcB/A reprimiert. ArcA bindet unabhängig und mit unterschiedlicher Affinität an die beiden Bindestellen arc1 und arc2. Von den 8 ArcA-Konsensussequenzen führen nur Mutationen der Konsensussequenzen arc1ab in vitro zu verminderter Bindungsaffinität von ArcA an die Bindestelle arc1. Dieselben führen in vivo unter anaeroben Bedingungen zur Derepression des Promotors P1 bzw. P1+P2. Unter aeroben Bedingungen zeigen nur Mutationen in arc2 eine Derepression, die nicht durch ArcA vermittelt wird. Der veröffentliche ArcA-Konsensus scheint deshalb hier in dieser einfachen Form nicht gültig zu sein.

Zuckertransport und Regulation des Hexosestoffwechsels bei Oenococcus oeni

Das Milchsäurebakterium Oenococcus oeni, welches für den biologischen Säureabbau im Wein eingesetzt wird, verstoffwechselt Hexosen über den Phosphoketolaseweg. Dabei können beträchtliche Mengen Acetat entstehen. Die Ursachen dafür wurden untersucht, insbesondere der Fructosestoffwechsel. Außerdem wurde der Hexosetransport untersucht, über den bei O. oeni noch nichts bekannt war. Die Aufnahme von Hexosen in die Zelle erfolgt mit hoher Affinität (KM=10 µM) über einen Symport mit H+, aber mit sehr niedriger spezifischer Aktivität (Vmax=9 U / g TG). Zusätzlich werden Hexosen mit ausreichender Aktivität über (vermutlich erleichterte) Diffusion in die Zelle transportiert, allerdings nur bei hohen Hexosekonzentrationen. Es wurden Gene gefunden, die für ein Hexose- Phosphotransferasesystem kodieren, welches in O. oeni keine bedeutende Rolle beim Transport spielt, aber vermutlich eine regulative Funktion hat. Zur Bildung von Essigsäure tragen verschiedene Faktoren bei: Der Ethanolweg, der in der heterofermentativen Milchsäuregärung die Reoxidation von NAD(P)H bewerkstelligt, ist durch die niedrige spezifische Aktivität der Acetaldehyddehydrogenase limitiert. Diese Limitierung wird noch verstärkt, wenn die zellulären Gehalte von Coenzym A aufgrund von Pantothensäuremangel niedrig sind. O. oeni umgeht durch Bildung von Erythrit die Limitierung, und Acetylphosphat wird nicht zu Ethanol reduziert, sondern als Acetat ausgeschieden. Bei Cofermentation von Hexosen mit externen Elektronenakzeptoren, wie Fructose, Pyruvat oder Sauerstoff, werden letztere zur Reoxidation von NAD(P)H genutzt, und als Folge wird Acetat ausgeschieden. Der Fluss von Fructose in den Phosphoketolaseweg wird durch das Enzym Phosphoglucoseisomerase verhindert, wenn dieses durch 6-Phosphogluconat gehemmt wird. Als Konsequenz wird Fructose im Mannitweg reduziert, was die Bildung von Essigsäure im Phosphoketolaseweg fördert. Bei niedrigen Wachstums- und Stoffwechselraten, z.B. bei C-Limitierung, ist der Ethanolweg nicht limitierend für den Stoffwechsel, und Hexosen werden über heterofermentative Milchsäuregärung umgesetzt, ohne daß Acetat entsteht. Pyruvat kann gleichzeitig als Elektronenakzeptor und als Energiequelle dienen: O. oeni ist in der Lage, Pyruvat mittels Disproportionierung zu Lactat und Acetat+CO2 zu fermentieren, und dabei Energie zu konservieren (0,5 ATP / Pyruvat).

Sintesi di nuovi derivati tri-componente per target photodynamic therapy della neoplasia prostatica

Therapies for the treatment of prostate cancer show several limitations, especially when the cancer metastasizes or acquires resistance to treatment. In addition, most of the therapies currently used entails the occurrence of serious side effects. A different therapeutic approach, more selective and less invasive with respect either to radio or to chemotherapy, is represented by the photodynamic therapy (PDT). The PDT is a treatment that makes use of photosensitive drugs: these agents are pharmacologically inactive until they are irradiated with light at an appropriate wavelength and in the presence of oxygen. The drug, activated by light, forms singlet oxygen, a highly reactive chemical species directly responsible for DNA damage, thus of cell death. In this thesis we present two synthetic strategies for the preparation of two new tri-component derivatives for photodynamic therapy of advanced prostate cancer, namely DRPDT1 and DRPDT2. Both derivatives are formed by three basic elements covalently bounded to each other: a specific ligand with high affinity for the androgen receptor, a suitably chosen spacer molecule and a photoactivated molecule. In particular, DRPDT2 differs from DRPDT1 from the nature of the AR ligand. In fact, in the case of DRPDT2 we used a synthetically engineered androgen receptor ligand able to photo-react even in the absence of oxygen, by delivering NO radical. The presence of this additional pharmacophore, together with the porphyrin, may ensure an additive/synergistic effect to the photo-stimulated therapy, which than may act both in the presence of oxygen and in hypoxic conditions. This approach represents the first example of multimodal photodynamic therapy for prostate cancer.

Untersuchungen zur rekombinanten Expression und Faltung pflanzlicher Tyrosinasen

In ihrer dualen Funktion als Monophenolhydroxylase (EC 1.14.18.1) und Diphenoloxidase (EC 1.10.3.1) ist die Tyrosinase das Schlüsselenzym der Melanogenese, der Synthese des Melanins, und übernimmt damit quer durch alle Organismenreiche Aufgaben von der Pigmentierung bis hin zu einer Beteiligung an der Immunantwort. Sie zählt, zusammen mit den Catecholoxidasen und Hämocyaninen, zu den Typ-3-Kupfer-Proteinen, die sich durch ein Aktives Zentrum auszeichnen, das in der Lage ist, Sauerstoff und phenolische Substrate reversibel zwischen zwei Kupfer-Ionen zu binden. Bisher konnte weder die Funktion der pflanzlichen Tyrosinase genau identifiziert, noch die Struktur eines solchen Enzyms aufgeklärt werden. Mit dem späteren Ziel, durch eine röntgenkristallographische Analyse die zugrunde liegende strukturelle Ursache der zusätzlichen Monophenolhydroxylase-Aktivität von Tyrosinasen gegenüber reinen Catecholoxidasen ermitteln zu können, wurde in dieser Arbeit ein bakterielles Expressionssystem entwickelt, das zur Herstellung einer rekombinanten Tyrosinase oder Polyphenoloxidase (PPO) aus Spinacia oleracea (Spinat) für die Kristallisation verwendet werden kann. Das rekombinante Protein wurde in Form von Inclusion Bodies isoliert, anhand einer Affinitätschromatographie aufgereinigt und in anschließende Rückfaltungsexperimente eingesetzt. In einer parallelen Versuchsreihe konnte Spinat, aufgrund seiner hohen Tyrosinaseaktivität, als geeignetes Objekt für die Isolation des nativen Enzyms identifiziert werden. Im Anschluss an eine Thylakoidpräparation, Solubilisierung der Thylakoidmembranen und Fällung des Proteins mit Ammoniumsulfat, wurden Experimente zur weiteren Anreicherung der Tyrosinase-Aktivität über eine Anionenaustausch-Chromatographie und zur Etablierung einiger nachfolgender Aufreinigungsschritte durchgeführt.

Kinetic and affinity analysis of hybridization reactions between PNA probes and DNA targets using surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS)

Sequenz spezifische biomolekulare Analyseverfahren erweisen sich gerade im Hinblick auf das Humane Genom Projekt als äußerst nützlich in der Detektion von einzelnen Nukleotid Polymorphismen (SNPs) und zur Identifizierung von Genen. Auf Grund der hohen Anzahl von Basenpaaren, die zu analysieren sind, werden sensitive und effiziente Rastermethoden benötigt, welche dazu fähig sind, DNA-Proben in einer geeigneten Art und Weise zu bearbeiten. Die meisten Detektionsarten berücksichtigen die Interaktion einer verankerten Probe und des korrespondierenden Targets mit den Oberflächen. Die Analyse des kinetischen Verhaltens der Oligonukleotide auf der Sensoroberfläche ist infolgedessen von höchster Wichtigkeit für die Verbesserung bereits bekannter Detektions - Schemata. In letzter Zeit wurde die Oberflächen Plasmonen feld-verstärkte Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) entwickelt. Sie stellt eine kinetische Analyse - und Detektions - Methode dar, die mit doppelter Aufzeichnung, d.h. der Änderung der Reflektivität und des Fluoreszenzsignals, für das Interphasen Phänomen operiert. Durch die Verwendung von SPFS können Kinetikmessungen für die Hybridisierung zwischen Peptid Nukleinsäure (PNA), welche eine synthetisierte Nukleinsäure DNA imitiert und eine stabilere Doppelhelix formt, und DNA auf der Sensoroberfläche ausgeführt werden. Mittels einzel-, umfassend-, und titrations- Experimenten sowohl mit einer komplementär zusammenpassenden Sequenz als auch einer mismatch Sequenz können basierend auf dem Langmuir Modell die Geschwindigkeitskonstanten für die Bindungsreaktion des oligomer DNA Targets bzw. des PCR Targets zur PNA ermittelt werden. Darüber hinaus wurden die Einflüsse der Ionenstärke und der Temperatur für die PNA/DNA Hybridisierung in einer kinetischen Analyse aufgezeigt.

Oxygen: problems and solutions in electrochemistry

Different aspects of the electrochemistry of oxygen are examined through four experimental examples: corrosion, passivation via organic thin films, oxygen reduction and water oxidation catalysis are outlined in order to outline the very different ways and circumstances in which oxygen plays a major role in electrochemistry.