Mycobacterium tuberculosis is the causative agent of tuberculosis and responsible for more than eight million new infections and about two million deaths each year. Novel chemotherapeutics are urgently needed to treat the emerging threat of multi drug resistant and extensively drug resistant strains. Cell wall biosynthesis is a widely used target for chemotherapeutic intervention in bacterial infections. In mycobacteria, the cell wall is comprised of mycolic acids, very long chain fatty acids that provide protection and allow the bacteria to persist in the human macrophage. The type II fatty acid biosynthesis pathway in Mycobacterium tuberculosis synthesizes fatty acids with a length of up to 56 carbon atoms that are the precursors of the critical mycobacterial cell wall components mycolic acids. KasA, the mycobacterial ß-ketoacyl synthase and InhA, the mycobacterial enoyl reductase, are essential enzymes in the fatty acid biosynthesis pathway and validated drug targets. In this work, KasA was expressed in Mycobacterium smegmatis, purified and co-crystallized in complex with the natural thiolactone antibiotic thiolactomycin (TLM). High-resolution crystal structures of KasA and the C171Q KasA variant, which mimics the acyl enzyme intermediate of the enzyme, were solved in absence and presence of bound TLM. The crystal structures reveal how the inhibitor is coordinated by the enzyme and thus specifically pinpoint towards possible modifications to increase the affinity of the compound and develop potent new drugs against tuberculosis. Comparisons between the TLM bound crystal structures explain the preferential binding of TLM to the acylated form of KasA. Furthermore, long polyethylene glycol molecules are bound to KasA that mimic a fatty acid substrate of approximately 40 carbon atoms length. These structures thus provide the first insights into the molecular mechanism of substrate recognition and reveal how a wax-like substance can be accommodated in a cytosolic environment. InhA was purified and co-crystallized in complex with the slow, tight binding inhibitor 2-(o-tolyloxy)-5-hexylphenol (PT70). Two crystal structures of the ternary InhA-NAD+-PT70 were solved and reveal how the inhibitor is bound to the substrate binding pocket. Both structures display an ordered substrate binding loop and corroborate the hypothesis that slow onset inhibition is coupled to loop ordering. Upon loop ordering, the active site entrance is more restricted and the inhibitor is kept inside more tightly. These studies provide additional information on the mechanistic imperatives for slow onset inhibition of enoyl ACP reductases. / Mycobacterium tuberculosis, der Erreger der Tuberkulose ist für mehr als acht Millionen Neu-Infektionen und ungefähr zwei Millionen Todesfälle jedes Jahr verantwortlich. Besonders die Entwicklung von multiresistenten und extrem resistenten Stämmen macht die Entwicklung neuer Medikamente gegen Tuberkulose dringend erforderlich. Die Zellwandbiosynthese ist ein validiertes Ziel für die Chemotherapie bei bakteriellen Infektionen. Bei Mycobakterien besteht die Zellwand zum Großteil aus Mykolsäuren, sehr langkettigen Fettsäuren, die den Bakterien Schutz bieten und ihnen ermöglichen, in Makrophagen zu überleben. Mycobakterien synthetisieren in der Fettsäurebiosynthese II (FAS-II) Fettsäuren bis zu einer Länge von 56 Kohlenstoffatomen, die Bestandteile der Mykolsäuren sind. KasA, die mycobakterielle ß-ketoacyl Synthase und InhA, die mycobakterielle enoyl Reductase, sind essentielle Enzyme der FAS-II und geeignete Ziele für die Entwicklung neuer Antibiotika. In dieser Arbeit wurde KasA in Mycobacterium smegmatis exprimiert und aufgereinigt. Das Protein wurde im Komplex mit dem natürlich vorkommenden Thiolacton-Antibiotikum Thiolactomycin (TLM) co-kristallisiert. Kristallstrukturen von KasA und der C171Q KasA Variante, die das acylierte Enzym-Intermediat darstellt, wurden als apo-Strukturen und im Komplex mit gebundenem TLM aufgeklärt. Die Kristallstrukturen zeigen, wie der Inhibitor an das Enzym gebunden ist und deuten darauf hin, wie das TLM Molekül verändert werden könnte, um seine Affinität für das Protein zu erhöhen und damit ein wirksames Medikament gegen Tuberkulose zu entwickeln. Vergleiche zwischen den TLM gebundenen Kristallstrukturen erklären, warum TLM bevorzugt an die acylierte Form des Enzyms bindet. Des Weiteren sind lange Polyethylenglykol-Moleküle an KasA gebunden, die ein Fettsäuresubstrat einer Länge von etwa 40 Kohlenstoff-Atomen nachahmen. Die Strukturen geben damit zum ersten Mal einen Einblick in den molekularen Mechanismus der Substrat-Erkennung und zeigen, wie eine wachsartige Substanz in einem cytosolischen Umfeld aufgenommen werden kann. InhA wurde aufgereinigt und im Komplex mit dem „slow binding“ Inhibitor 2-(o-tolyloxy)-5-hexylphenol (PT70) co-kristallisiert. Zwei Kristallstrukturen des ternären InhA-NAD+-PT70 Komplexes wurden gelöst und zeigen wie der Inhibitor in der Substratbindetasche gebunden ist. Beide Strukturen, weisen geordnete Substrat-Binde-Loops auf, die den Eingang zur „Active Site“ schließen und damit den gebundenen Inhibitor in der Tasche festhalten. Die Strukturen bestätigen damit die Hypothese, dass „Slow Binding Inhibition“ mit der Ordnung des Loops zusammenhängt. Diese Studien können als Basis für die Entwicklung weiterer „Slow Binding“ Inhibitoren verwendet werden.

Ob eine Immunonutrition einen Nutzen in der Versorgung schwer kranker oder chirurgischer Patienten bringt, ist Thema kontroverser Diskussionen. Dabei scheint unklar, welches Patientenklientel von welcher Zusammensetzung verschiedener immunmodulatorischer Substanzen am meisten profitiert. Zudem ist nicht einheitlich geklärt, zu welchen Zeitpunkten und über welche Zeiträume die Immunmodulation den größten Nutzen bringt. Die hier durchgeführte Studie wurde konzipiert, um zu untersuchen, ob die Patienten, die einer aortokoronaren Bypassoperation unter Einsatz der Herz-Lungen-Maschine zugeführt werden, eine Verbesserung ihres klinischen Outcomes zeigen, wenn sie immunmodulatorische Substanzen perioperativ erhalten. Die konkreten Fragestellungen für diese Arbeit lauten daher: 1) Kann die Immunonutrition mit Glutamin, ௰-3-Fettsäuren und antioxidativ wirksamen Vitaminen die Inzidenz von postoperativen Infektionen bei Patienten, die einer aortokoronaren Bypassoperation zugeführt werden, verringern? 2) Verkürzt sich die Liegedauer der Patienten auf der Intensivstation und nach Verlegung auf Normalstation postoperativ bei regelmäßiger Einnahme der immunmodulierenden Substanzen über den Zeitraum des stationären Aufenthaltes? 3) Verbessert sich das klinische Outcome der Patienten durch die perioperative Substitution insgesamt, durch ein selteneres Auftreten von häufigen Komplikationen und Kreislaufinstabilitäten? Zu diesem Zweck wurde eine Kohortenstudie mit 137 Patienten durchgeführt, wovon sich 97 Patienten in der Kontrollgruppe und 40 in der Experimentalgruppe befanden. Die Patienten der Experimentalgruppe erhielten ab dem Tag ihrer stationären Aufnahme 2 unterschiedliche Substanzen zur oralen Einnahme verabreicht. Die eine enthielt einen hohen Anteil an Glutamin und antioxidativ wirksamen Substanzen (Glutamine Plus®) und die andere einen hohen Gehalt an ௰-3-Fettsäuren (Supportan® Drink). Das Glutamine Plus® wurde morgens und abends, der Supportan® Drink mittags verabreicht. Die Substitution erfolgte über den kompletten stationären Aufenthalt, abgesehen von dem Tag der Operation selber. Die Blutentnahmen für die entsprechenden infektiologischen Parameter erfolgten zu den Zeitpunkten präoperativ, 6 Stunden nach Ende der Operation, 2 Tage postoperativ und vor der Entlassung. Es zeigte sich, dass die Patienten, die die Substanzen erhielten, weniger postoperative Infektionen entwickelt hatten, als die Patienten in der Kontrollgruppe. Das wurde aus einer signifikanten PCT-Erhöhung in der Kontrollgruppe abgeleitet. Allerdings hatte diese postoperative Komplikation keine Auswirkung auf die Liegezeit der Patienten auf der Intensivstation oder auf die Dauer des stationären Aufenthaltes nach Verlegung von der Intensivstation auf eine periphere Station zur Folge. Ebenfalls zeigten sich keine Unterschiede zwischen den beiden Kohorten in der Notwendigkeit einer antibiotischen Therapie, sowie im Auftreten von Kreislaufinstabilitäten oder den häufigsten Komplikationen. / The influence of an immunonutrition with glutamine, omega-3-fatty acids and antioxidative vitamins on the postoperative progress of cardiosurgical patients

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physiologischen Veränderungen porciner Spermatozoen, die durch einen metabolischen Einbau von Fettsäuren in Spermatozoenlipide hervorgerufen werden. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der metabolischen Aufnahme von Fettsäuren in die Spermatozoenlipide und die Bewertung des physiologischen Zustandes porciner Spermatozoen mit Hinblick auf die Niedrigtemperaturlagerung. Alle in den porcinen Spermatozoen vorkommenden Lipide wurden mittels GC und MALDI-TOF-MS analysiert. Hauptvertreter der polaren Lipidklassen sind Glycerophospholipide (GPC, GPE). Der Hauptvertreter der neutralen Lipidklassen ist Diacylglycerol (DAG). Die metabolische Aufnahme von Fettsäuren in die Lipide wurde durch die Supplementierung des Flüssigkonservierungsmediums mit [14C]-Octadecadiensäure radiochemisch untersucht. Anhand dieser Experimente wurde gezeigt, dass die Temperatur und die Inkubationsdauer wichtige Faktoren für die metabolische Aufnahme dieser Radiochemikalie in die Spermatozoenlipide sind. Die zugesetzten Fettsäuren werden sowohl in die neutralen (DAG) als auch in die polaren Lipide (diacyl-GPC) der Spermatozoen eingebaut. Nach Supplementierung mit 13C-markierter Octadecadiensäure wurden die Lipide mittels MALDI- und Q-TOF-MS als DAG (18:2/18:2), GPC (16:0/18:2) und GPC (18:2/18:2) charakterisiert. Die gleichen Ergebnisse wurden auch für die in den Spermatozoenlipiden vorkommenden Hexadecen-, Octadecen-, und Octadecatriensäure erhalten. Bei der Untersuchung des physiologischen Zustandes von Spermatozoen wurde gezeigt, dass insbesondere Supplementierungsvarianten mit endogen vorkommenden Fettsäuren zu einer besseren Spermatozoenvitalität und Motilität bei Niedrigtemperaturlagerung führten. Gleichzeitig wurde eine Verminderung des Auftretens von akrosomalen Schäden festgestellt. Damit stellt eine Supplementierung der Spermatozoen mit ausgewählten Fettsäuren eine effektive Maßnahme zur Lagerung von Spermatozoen bei 4 bis 6°C dar. / This study examines the metabolic incorporation of selected fatty acids into the lipids of porcine spermatozoa and evaluates the physiological state of spermatozoa subsequent to low temperature storage supplementation with selected free fatty acids. The aim was to understand the role of fatty acids in relation to the (cryo-)preservation of spermatozoa and successful reproduction in more detail. All lipids present in porcine spermatozoa were analysed using gas chromatography (GC) and mass spectrometry (MALDI-TOF-MS). The main representatives of the polar lipid classes are glycerophospholipids (in particular GPC and GPE). The main representatives of the neutral lipid classes are diacylglycerols (DAG). Metabolic incorporation of fatty acids into lipids was radiochemically monitored using [14C]-octadecadienoic acid in the supplied spermatozoa-preservation medium. Temperature and incubation time were shown to be particularly important determinants. The added fatty acids were incorporated into both the spermatozoas’ neutral (DAG) and polar lipids (diacyl-GPC). The affected lipids were characterised by means of MALDI- and Q-TOF-MS subsequent to the supplementation of uniformly 13C-labelled octadecadienoic acid. DAG (18:2/18:2), GPC (16:0/18:2) and GPC (18:2/18:2) could be identified and a de-novo biosynthesis of DAG (18:2/18:2) could be proven. The same results were obtained when spermatozoa were supplemented with hexadecenoic, octadecenoic and octadecatrienoic acids. Finally, it was shown that the physiological state of the spermatozoa, especially those supplemented with endogeneously present fatty acids, led to an enhanced vitality and motility in spermatozoa subsequent to low temperature storage. It was also observed that acrosomal damage was reduced and that hexadecenoic acid significantly stabilised all the vitality parameters. In conclusion, supplementing spermatozoa with selected fatty acids is an effective solution for the storage of spermatozoa at 4 to 6°C.

Untersuchungen an Monoschichten amphiphiler Lipide auf wässriger Lösung sind in der Grenzflächenforschung von grundlegender Bedeutung. Aufgrund der Anwendbarkeit zahlreicher analytischer Methoden sind schwimmende unlösliche Monoschichten als Modellsysteme sehr geeignet, um Ordnung und Strukturbildung sowie den Transport von Materie in zwei Dimensionen oder die Wechselwirkung von Molekülen an der Grenzfläche mit Teilchen in Lösung (Stichwort &ldquo;molekulare Erkennung&rdquo;) zu studieren. Aus dem Verhalten von Monoschichten lassen sich z. B. Rückschlüsse ziehen auf die Eigenschaften von Lipidschichten auf festen Substraten oder in biologischen Membranen. <br /> Diese Arbeit befasst sich mit spezifischen und fundamentalen Wechselwirkungen in Monoschichten sowohl auf molekularer als auch auf mikroskopischer Ebene und deren Beziehung zu Gitterstruktur, Aussehen und thermodynamischem Verhalten von Monoschichten an der Wasser/Luft Grenzfläche. Als Modellsystem werden hauptsächlich Monoschichten langkettiger Fettsäuren verwendet, da in ihnen die molekularen Wechselwirkungen durch Änderung des Subphasen-pH-Werts über den Dissoziationsgrad gezielt und schrittweise verändert werden können. Ausser über die Subphasenzusammensetzung werden die molekularen Wechselwirkungen auch über die Temperatur und die Monoschichtzusammensetzung systematisch variiert. Mit Hilfe von Isothermen- und Oberflächenpotentialmessungen, Brewsterwinkel-Mikroskopie, Röntgenbeugung unter streifendem Einfall und polarisationsmodulierter Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie wird die Änderung der Monoschichteigenschaften als Funktion eines äusseren Parametern analysiert. Dabei werden aus den Röntgenbeugungsdaten quantitative Masse für die molekularen Wechselwirkungen und für die Kettenkonformationsordnung in Monoschichten abgeleitet. <br /> Zu den interessantesten Ergebnissen dieser Arbeit zählen die Aufklärung des Ursprungs von regelmässigen polygonalen und dendritischen Domänenformen, die vielfältige Wirkung von Cholesterin auf die Molekülpackung und Gitterordnung langkettiger Amphiphile, sowie die Entdeckung einer abrupten Änderung in den Kopfgruppenbindungswechselwirkungen, der Kettenkonformationsordnung und des Phasenübergangsdrucks zwischen geneigten Monoschichtphasen in Fettsäuremonoschichten nahe pH 9. Zur Deutung des letzten Punkts wird ein Modell für die Kopfgruppenbindungsstruktur von Fettsäuremonoschichten als Funktion des pH-Werts entwickelt. / Research on monolayers of amphiphilic lipids on aqueous solution is of basic importance in surface science. Due to the applicability of a variety of surface sensitive techniques, floating insoluble monolayers are very suitable model systems for the study of order, structure formation and material transport in two dimensions or the interactions of molecules at the interface with ions or molecules in the bulk (headword 'molecular recognition'). From the behavior of monolayers conclusions can be drawn on the properties of lipid layers on solid substrates or in biological membranes.<br /> This work deals with specific and fundamental interactions in monolayers both on the molecular and on the microscopic scale and with their relation to the lattice structure, morphology and thermodynamic behavior of monolayers at the air-water interface. As model system especially monolayers of long chain fatty acids are used, since there the molecular interactions can be gradually adjusted by varying the degree of dissociation by means of the suphase pH value. For manipulating the molecular interactions besides the subphase composition also temperature and monolayer composition are systematically varied. The change in the monolayer properties as a function of an external parameter is analyzed by means of isotherm and surface potential measurements, Brewster-angle microscopy, X-ray diffraction at grazing incidence and polarization modulated infrared reflection absorption spectroscopy. For this a quantitative measure for the molecular interactions and for the chain conformational order is derived from the X-ray data. <br /> The most interesting results of this work are the elucidation of the origin of regular polygonal and dendritic domain shapes, the various effects of cholesterol on molecular packing and lattice order of long chain amphiphiles, as well as the detection of an abrupt change in the head group bonding interactions, the chain conformational order and the phase transition pressure between tilted phases in fatty acid monolayers near pH 9. For the interpretation of the latter point a model of the head group bonding structure in fatty acid monolayers as a function of the pH value is developed.

Die Biofiltration kommt bei der Eliminierung einer Vielzahl von Abluftkomponenten zum Einsatz. Diese Studie konzentrierte sich auf die Mikroorganismen von zwei Biofiltern, die der Eliminierung von Hexan im Labor- und Industriemaßstab dienen. Mehr als 80 Bakterienstämme wurden aus einem industriellen Biofilter einer Ölmühle isoliert. Der Isolierungsansatz dieses Biofilters ergab 16 bakterielle Gruppen, die als Mitglieder der Proteobacteria, Actinobacteria, und Firmicutes identifiziert wurden. Die Gattungen Gordonia und Sphingomonas und Stämme des Nevskia-Zweigs zeigten hohe Wachstumserträge auf Hexan. Die aktiv am Abbau beteiligte Population im Biofiltermaterial wurde durch die Inkubation von Filtermaterial mit deuteriertem Hexan und anschließender PLFA-Analyse charakterisiert. Die signifikante Markierung der Fettsäuren 16:1 cis10, 18:1 cis9 und 18:0 10methyl betonten die Bedeutung der Gordonia-Isolate als aktive Hexanabbauer, die auch die höchsten Wachstumsraten auf Hexan zeigten. Die Markierung von Biomarkern wie 16:0 iso und 19:0 cyclo11-12 wies außerdem auf die Beteiligung weiterer Taxa beim Hexanabbau hin. Die Vertreter der Gammaproteobacteria zeigten ebenfalls gutes Wachstum auf Hexan und charakteristische Fettsäuren dieser Gruppen konnten ebenfalls markiert werden. Dies impliziert eine Beteiligung auch dieser Gruppen am Abbauprozess von Hexan. Alle Hauptfettsäuren des PLFA-Profils des Biofiltermaterials konnten markiert werden. Folglich dominierte die Hexanabbauende Population die mikrobielle Population des Biofilters. Eine polyphasische Klassifizierung der Isolate beider Biofilter wies auf neue Gattungen und Arten hin. Die Ergebnisse der Wachstumstests verdeutlichten die Wichtigkeit der Kombination von Isolierungsansätzen mit Isolierungs-unabhängigen Methoden wie den Analysen des Fettsäureprofils der Biofiltergemeinschaft.

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Untersucht wurde der Zusammenhang zwischen der Proteinkinase A-vermittelten Ekto-Phosphorylierung des Membranproteins FAT/CD36 [Hatmi et al. 1996] und der initialen zellulären Aufnahme langkettiger Fettsäuren. Wir zeigten einen inhibitorischen Effekt auf die initiale Palmitinsäure-Aufnahme humaner Thrombozyten unter den Bedingungen der Ekto-Phosphorylierung von FAT/CD36. Damit kann erstmalig ein Mechanismus für die kurzfristige Regulation der proteinvermittelten Aufnahme langkettiger Fettsäuren vorgeschlagen werden. Für die Bearbeitung der Fragestellung wurden die Isolation "ruhender", morphologisch und funktionell intakter humaner Thrombozyten und eine Methode zur Messung der initialen Palmitinsäure-Aufnahme etabliert. Die Kinetik der Palmitinsäure-Aufnahme humaner Thrombozyten wurde charakterisiert und bestätigt, dass ein wesentlicher Anteil der initialen Aufnahme proteinvermittelt erfolgt. Die von Hatmi und Co-Autoren beschriebene Ekto-Proteinkinase A-vermittelte, cAMP-abhängige Phosphorylierung von FAT/CD36 [Hatmi et al. 1996] konnte unter unseren experimentellen Bedingungen nachvollzogen werden. Die Ekto-Phosphorylierung von FAT/CD36 ging mit einer signifikanten Abnahme der initialen Palmitinsäure-Aufnahme einher. Die maximale Abnahme auf 72 % des Kontrollwerts wurde bei einer extrazellulären ATP-Konzentration von 0,5 nM erreicht. Der inhibitorische Effekt liess sich durch Co-Inkubation mit dem spezifischen Proteinkinase A-Inhibitorpeptid PKI 5-24 oder mit beta-gamma-ATP aufheben. Der Effekt war durch Dephosphorylierung mit Alkalischer Phosphatase vollständig reversibel. Bei extrazellulären ATP-Konzentrationen zwischen 10 pM und 15 nM war der inhibitorische Effekt der Ekto-Phosphorylierung auf die Palmitinsäure-Aufnahme signifikant. ATP-Konzentrationen über 15 nM verminderten den Effekt, bei über 5 µM ATP war kein Effekt nachzuweisen. Wir konnten ausschliessen, dass die Aufhebung durch ATP-Abbauprodukte verursacht wurde. Unsere Beobachtungen deuten auf einen regulatorischen Einfluss höherer extrazellulärer ATP-Konzentrationen, der dem inhibitorischen Effekt der Ektophosphorylierung von FAT/CD36 auf die Fettsäure-Aufnahme entgegenwirkt. / We investigated the correlation between the ecto-protein kinase A-mediated phosphorylation of the membrane-associated protein FAT/CD36 [Hatmi et al. 1996] and the initial cellular long chain fatty acid uptake. Under the conditions of FAT/CD36-ecto-phosphorylation, an inhibitory effect on the initial palmitate uptake of human platelets could be shown. This is the first time that a mechanism for the short-term regulation of protein-mediated long chain fatty acid uptake can be proposed. The isolation of morphologically and functionally intact resting human platelets and a method for measuring the initial palmitate uptake were established. The kinetics of palmitate uptake by human platelets were characterised and it was shown that a substantial fraction of initial palmitate uptake is protein-mediated. The ecto-protein kinase A-mediated, cAMP-dependent phosphorylation of FAT/CD36 as described by Hatmi and co-authors could be demonstrated under our experimental conditions. The ecto-phosphorylation of FAT/CD36 was paralleled by a significant impairment of the initial palmitate uptake. Maximum inhibition was achieved at 0,5 nM extracellular ATP, when the palmitate uptake was decreased to 72 % compared to control. The inhibition of palmitate uptake was abolished by co-incubation with the specific protein kinase A inhibitor peptide PKI 5-24 or with beta-gamma-methylene-ATP, and was fully reversible upon addition of alkaline phosphatase. The inhibitory effect of the ecto-phosphorylation on the initial palmitate uptake was significant at extracellular ATP concentrations between 10 pM and 15 nM. ATP concentrations over 15 nM reduced the effect and concentrations over 5 µM completely abolished it. We could exclude that the abolishment was caused by ATP-derivates. Our data point to a regulatory influence of higher ATP concentrations, that antagonises the inhibitory effect of the ecto-phosphorylation of FAT/CD36 on the initial palmitate uptake.

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Verticillium longisporum ist ein bodenbürtiger, phytopathogener Pilz, der Pflanzen der Familie der Brassicaceen befällt. Er dringt durch die Wurzel ein und verbreitet sich in der Pflanze über das Xylem. In dieser Arbeit wurden die metabolischen Veränderungen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana während der Pflanzen-Pilz-Interaktion analysiert. Hierfür wurde die