Heute kennt man weit über 100 klinische Erkrankungen, bei denen Sauerstoffradikale am pathogenetischen Mechanismus beteiligt sind. Sauerstoffradikalbildung wird als Initiator oder Promotor des Alterungsprozesses, der Arteriosklerose, der postischemischen Organschäden, des Diabetes mellitus oder verschiedener neurologischer sowie dermatologischer Erkrankungen diskutiert. Besonderes Interesse gilt hierbei den Superoxidradikalen (O2-.), da ihre Bildung den Initialschritt des oxidativen Stresses, nämlich die Übertragung eines Elektrons auf das Sauerstoffmolekül, darstellt. Obwohl für den Nachweis der Superoxidradikalbildung eine Vielzahl verschiedener Methoden angewendet wird, gibt es zunehmend quantitative und qualitative Widersprüche bezüglich O2-. -Radikale in biologischen Systemen. Dies ist auf die mangelnde Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Nachweismethoden zurückzuführen. Die vorliegende Untersuchung wurde zur Überprüfung der Eignung in der Praxis angewandter Superoxid-Nachweismethoden wie Photometrie (Cytochrom c , Epinephrin, Nitrotetrazolium blau), Chemilumineszenz (Luminol, Lucigenin) und ESR-Spintrapping (DMPO, DEPMPO) für biologische Fragestellungen unternommen. Als biologische O2-.-Quellen wurden submitochondriale Partikeln, Mitochondrien und polymorphkernige Neutrophile untersucht. Es wurde gezeigt, daß bei Anwendung eines standardisierten O2-. -generierenden Enzymsystems (Xanthin/Xantinoxidase) je nach Methode Wiederfidungsraten erhalten werden, die weniger bis sehr stark von den realen O2-. -Bildungsraten abweichen. Der Nachweis der Superoxidbildung über die Chemilumineszenz des Luminols und des Lucigenins hat gezeigt, daß die Intensität des ausgestrahlten Lichtes nicht nur durch die Bildungsrate der O2-.-Radikale bestimmt wird, sondern auch durch unspezifische Wechselwirkungen der Nachweissysteme mit den zu untersuchenden Objekten. Da vielen Nachweismethoden die Oxidation oder Reduktion der jeweiligen Nachweissubstanz durch Superoxidradikale zugrundeliegt, können die Nachweisreaktionen auch durch andere reduzierende oder oxidierende biologische Komponenten in Gang gesetzt werden. Eine Überprüfung der Selektivität einer Nachweismethode durch die Zugabe des O2-.-eliminierenden Enzyms SOD ist nicht immer möglich, da Superoxidradikale oft auch als Zwischenprodukte der Nachweisreaktionen auftreten und/oder SOD nicht immer den Zugang zur O2-.-Bildungsquelle hat. Spintrapping der Superoxidradikale mit DEPMPO kann hingegen als sicherer Beweis der Superoxidbildung betrachtet werden. Für einen quantitativen Nachweis der Superoxidradikale mittels Spintrapping sind jedoch Kenntnisse über die Stabilität des Spinadduktes in jedem konkreten System erforderlich. Ein mathematisches Modell für die Berechnung der Superoxidbildung in verschiedenen Nachweisystemen wurde erarbeitet. / Imbalanced production of oxygen-centered radicals is generally considered to play a major role in the pathogenesis of a great number of clinical diseases. Metabolic disorders and other derangements of homeostasis affect O2-salvage in a way which may trigger O2- radical formation. Inversely, if O2- radicals are formed in excess, a great variety of functional and structural alterations are expected to occur. It follows that an evaluation of the ranking of O2- radicals in the pathophysiological cascade of the various diseases requires reliable methods allowing identification of the respective reactive oxygen species (ROS), localization of the generation site and the analysis of the conditions required for O2- radical formation. Superoxide radicals (O2-.) are of major interest in this respect as this univalent reduction product is the starting molecule of all ROS possibly occurring in biological systems. Controversial reports on the existence, the sites and formation conditions of O2-.-radicals in the tissue may be due to the application of inadequate methods. The aim of this study was therefore to critically evaluate current O2-.-detection methods for their suitability and comparability. O2-.-radical release from xanthine/xanthine oxidase was assessed and used as a standardized O2-.-source. Spectrophotometric (cytochrom c, epinephrin, nitroblue tetrazolium), chemiluminescence (luminol, lucigenin) and ESR-spin trapping (DMPO, DEPMPO) detection methods were exposed to this O2-.-radical generating system and analyzed with respect to their selectivity and quantitative yield. In a second step the influence of the biological O2-.-generating systems such as submitochondrial particles, mitochondria and polymorphnuclear neutrophils on the available detection methods was tested. The results revealed great variations between the detection methods used both with respect to their selectivity for O2-.-registration and the quantitative analysis of the rates formed. All conventional O2-.-detection methods were found to be directly affected by the biological systems studied, spin trapping with DEPMPO being the most reliable method for qualitative O2-.-detection. Quantitative O2-.-detection requires knowledge about the stability of the respective adduct. A mathematical model for the calculation of O2-.-formation rate in various detection systems is worked out.

Stochastische Effekte können einen großen Einfluss auf die Funktionsweise von biochemischen Netzwerken haben. Vor allem Signalwege, z.B. Calciumsignaltransduktion, sind anfällig gegenüber zufälligen Schwankungen. Daher stellt sich die wichtige Frage, wie dadurch der Informationstransfer in diesen Systemen beeinträchtigt wird. Zunächst werden eine Reihe von stochastischen Simulationsmethoden diskutiert und systematisch klassifiziert. Dies dient als methodische Grundlage der ganzen Dissertation. Der Schwerpunkt liegt hier auf approximativen und hybriden Ansätzen, einschließlich der Hybridmethode des Softwaresystems Copasi, deren Implementierung Teil dieser Arbeit war. Die Dynamik biochemischer Systeme zeigt in den meisten Fällen einen Übergang von stochastischem zu deterministischem Verhalten mit steigender Partikelzahl. Dieser Übergang wird für Calciumsignaltransduktion und andere Systeme untersucht. Es zeigt sich, dass das Auftreten stochastischer Effekte stark von der Sensitivität des Systems abhängt. Ein Maß dafür ist die Divergenz. Systeme mit hoher Divergenz zeigen noch mit hohen Teilchenzahlen stochastische Effekte und umgekehrt. Schließlich wird der Einfluss von zufälligen Fluktuationen auf die Leistungsfähigkeit von Signalpfaden erforscht. Dazu werden simulierte sowie experimentell gemessene Calcium-Zeitreihen stochastisch an die Aktivierung eines Zielenzyms gekoppelt. Das Schätzen des informationstheoretischen Maßes Transferentropie unter unterschiedlichen zellulären Bedingungen dient zur Abschätzung des Informationstransfers. Dieser nimmt mit steigender Partikelzahl zu, ist jedoch sehr abhängig von der momentanen Dynamik (z.B. spikende, burstende oder irreguläre Oszillationen). Die hier entwickelten Methoden, wie der Gebrauch der Divergenz als Indikator für den stoch./det. Übergang oder die stochastische Kopplung und informationstheoretische Analyse mittels Transferentropie, sind wertvolle Werkzeuge für die Analyse von biochemischen Systemen. / Stochastic effects in biochemical networks can affect the functioning of these systems significantly. Signaling pathways, such as calcium signal transduction, are particularly prone to random fluctuations. Thus, an important question is how this influences the information transfer in these pathways. First, a comprehensive overview and systematic classification of stochastic simulation methods is given as methodical basis for the thesis. Here, the focus is on approximate and hybrid approaches. Also, the hybrid solver in the software system Copasi is described whose implementation was part of this PhD work. Then, in most cases, the dynamic behavior of biochemical systems shows a transition from stochastic to deterministic behavior with increasing particle numbers. This transition is studied in calcium signaling as well as other test systems. It turns out that the onset of stochastic effects is very dependent on the sensitivity of the specific system quantified by its divergence. Systems with high divergence show stochastic effects even with high particle numbers and vice versa. Finally, the influence of noise on the performance of signaling pathways is investigated. Simulated and experimentally measured calcium time series are stochastically coupled to an intracellular target enzyme activation process. Then, the information transfer under different cellular conditions is estimated with the information-theoretic quantity transfer entropy. The amount of information that can be transferred increases with rising particle numbers. However, this increase is very dependent on the current dynamical mode of the system, such as spiking, bursting or irregular oscillations. The methods developed in this thesis, such as the use of the divergence as an indicator for the transition from stochastic to deterministic behavior or the stochastic coupling and information-theoretic analysis using transfer entropy, are valuable tools for the analysis of biochemical systems.

In dieser Arbeit wurden die von Seitz et al. entwickelten forced intercalation (FIT)-Sonden zur mRNA-Charakterisierung in lebenden Zellen eingesetzt. Es erfolgte die Synthese verbesserter FIT-Sonden für die systematische Untersuchung der Aufnahme durch lebende Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen. Dafür wurden sowohl hergestellte FIT-Sonden-Konjugate/Aggregate als auch kommerziell erhältliche Reagenzien, wie z.B. die Palmitinsäure und das porenbildende Enzym Streptolysin-O auf ihre Effizienz untersucht. Die optimalen Bedingungen für das Einbringen von DNA- und PNA-FIT-Sonden in Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen lieferte das Enzym Streptolysin-O. Durch den simultanen Einsatz von drei unterschiedlichen Sonden (BO-, TO- und CB-markiert), komplementär zu drei verschiedenen Zielsequenzen, gelang es erstmals eine Dreifarben-Lebendzell-Bildgebung mit FIT-Sonden durchzuführen. Des Weiteren wurden TO-FIT-Sonden zur Unterscheidung verschiedener T-Zelllinien eingesetzt. Mithilfe eines kompetitiven Hybridisierungsexperiments konnte die spezifische Fluoreszenzemission der Sonden in den Zellen belegt werden. Untersuchungen mit zwei T-Zelllinien zeigten, dass TO-FIT-Sonden sowie terminal Cy7-markierte TO-FIT-Sonden eine erhöhte TO-Emission bei Vorhandensein der komplementären TCR-mRNA-Zielsequenz in den Zellen aufwiesen. Der terminale Cy7-Farbstoff bot mit einem zweiten Detektionskanal die Möglichkeit die Cy7-Intensität und die vorhandene TO-Intensität ins Verhältnis zu setzen, sodass Signale von ungebundener Sonde leichter ausgeschlossen werden konnten. Dies ermöglichte eine spezifische Markierung der T-Zellen. Es folgte die Synthese CB-markierter FIT-Sonden zur Aufklärung biologischer Fragestellungen, wie dem Verlauf einer Influenza A Infektion und die Synthese und Evaluation neuer Farbstoffe mit einem Absorptionsmaximum bei 590/596 nm. Zudem wurde der Einbau eines zyklischen PNA- Monomers bezüglich der Verbesserung von Responsivität und Helligkeit von PNA-FIT-Sonden analysiert. / In this work forced Intercalation (FIT) probes, developed by Seitz et al. were used for the mRNA characterization in living cells. The synthesis of improved FIT probes as well as the systematic study on the uptake of FIT probes by living Flp-In™ 293 T-REx™ cells was performed. Therefore FIT probe conjugates/aggregates as well as commercially available reagents, e.g. palmitic acid and the pore-forming enzyme Streptolysin-O were investigated under various conditions. Furthermore, the transfection was tested using an electroporator. The optimal transfection condition for the introduction of DNA and PNA FIT probes into Flp-In™ 293 T-REx™ cells was achieved using Streptolysin-O. Multicolor live cell imaging with the simultaneous use of three different FIT probes (BO, TO and QB) against three different target sequences was performed successfully. In addition, FIT probes were used for the differentiation between T cell lines. A competitive hybridization experiment with cells confirmed the specific fluorescence emission of the probes. Further studies with two cell lines and TO-FIT probes as well as terminal Cy7-labeled TO-FIT probes showed an increased TO emission in the presence of the complementary TCR mRNA target sequence in the cells. A second detection channel of the terminal Cy7 dye provided the advantage of comparing the Cy7- and TO-intensity ratio, thereby making it easier to exclude signals from unbound probe. This enabled the specific tagging of t cells. This was followed by the synthesis of QB-DNA-based FIT probes for the use in various biological applications e.g. as a pan selective marker for Influenza A infection. Moreover, the synthesis and evaluation of new dyes with an absorption maximum at 590/596 nm was performed. The incorporation of a cyclic PNA monomer next to the TO dye has also been realized to improve responsiveness and brightness in PNA-FIT probes.