Abstract Billions of reared fish are released to the wild to compensate e.g. for the loss of natural populations. However, the efficiency of the releases is low. It has been proposed that one of the factors affecting the low survival rate of reared fish is their low swimming capacity. The molecular, metabolic and structural characters of muscle fiber define the swimming capacity of fish. Swimming capacity is related to the ecological competence of the fish, including the ability to complete long migrations and catch pray. One of the aims of the current study is to compare the properties of muscles of reared and wild salmon. The second aim of the study is to alter the muscular parameters of reared fish closer to those of wild fish by means of training. The muscular differences between wild, reared and trained fish are analyzed with immunological, histochemical and electron microscopic methods. The main focus is on the dihydropyridine and ryanodine receptors. These receptors are involved for example in the initiation, force and velocity of muscle contraction. According to the results, the level of receptors is higher in the muscles of wild as compared to reared fish. The aerobic ATP production capacity is also higher in the wild fish. However, with training both the level of receptors and oxidative capacity of reared fish increase. Moreover, the swimming capacity is enhanced in trained fish, and there is a connection between the level of receptors and swimming capacity of fish. Training also affects the migration pattern of fish which starts to resemble more that of wild fish. In conclusion, the results of the current study show that the performance of fish as a whole depends on functional parameters at cellular level. For the first time, it is shown that the level of receptors involved in muscular contraction is low in muscles of reared fish. However, the muscular properties are not definite. It is now shown that with training, both the muscular and migration parameters of reared fish approach those of wild fish. This will most probably increase the survival probability of trained, reared fish in the future. / Tiivistelmä Kalojen kasvatus ja istutus takaisin luontoon on yksi tärkeimmistä keinoista säädellä ja palauttaa kalakantoja vesistöihin. Maailmanlaajuisesti puhutaan miljardien kalojen istutusmääristä vuosittain. On kuitenkin hyvin tunnettu tosiasia, että kasvatetut kalat eivät selviä luonnossa yhtä hyvin kuin villit lajikumppaninsa. On arvioitu, että vain alle 5 % istutetuista kaloista selviää lisääntymisikään asti hengissä. Eräs tekijä, joka voi vaikuttaa kalojen selviytymiseen, on kalojen lihaskunto. Kasvatettujen kalojen uintikyvyn on todettu olevan heikko villeihin lajikumppaneihin verrattuna. Luonnossa kaloilta kuitenkin vaaditaan suurta uintikykyä esim. saalistukseen, pedoilta pakenemiseen ja vaellukseen. Eräs tämän työn päätavoitteista on määrittää, miten kasvatettujen ja villien kalojen lihasten molekulaariset, aineenvaihdunnalliset ja rakenteelliset ominaisuudet poikkeavat toisistaan, jotta voidaan arvioida mitkä solutason tekijät vaikuttavat kalojen uintikykyyn ja sitä kautta selviytymiseen. Toisaalta kasvatettujen kalojen lihasten toiminnallisten tekijöiden tasoja pyritään nostamaan harjoittelun avulla lähemmäksi villien vastaavaa ja täten vaikuttamaan kasvatettujen kalojen uintikykyyn ja sitä kautta lopulta selviytymiseen. Työssä lihasten ominaisuuksia analysoidaan immunologisin, histokemiallisin ja elektronimikroskooppisin menetelmin. Tutkimuksissa keskitytään erityisesti dihydropyridiini- ja ryanodiinireseptorien suhteellisiin määriin. Nämä reseptorit osallistuvat lihasten supistumisen aikaansaatiin ja niiden määrä korreloi positiivisesti lihasten voiman ja supistumisnopeuden kanssa. Tulosten mukaan villien kalojen lihaksissa on huomattavasti enemmän reseptoreita verrattuna kasvatettujen kalojen lihaksiin. Myös aerobinen ATP:n tuottokapasiteetti on villeillä kaloilla huomattavasti tehokkaampaa. Harjoittelun jälkeen kasvatettujen kalojen lihasten reseptorimäärät ja aerobinen kapasiteetti kuitenkin kasvavat lähemmäksi villien vastaavaa. Lisäksi lihasten reseptorimäärä ja uintikapasiteetti näyttävät korreloivan keskenään. Harjoittelun seurauksena kasvatettujen kalojen vaellusnopeus, eräs kalojen selviytymiseen vaikuttavista tekijöistä, muistuttaa myös enemmän villien vastaavaa. Yhteenvetona voidaan sanoa, että kalojen koko suorituskyky riippuu lihasten solutason mekanismien tehokkuudesta. Tässä työssä todettiin ensimmäistä kertaa, että kasvatettujen kalojen lihaksissa niiden reseptoreiden määrät, jotka liittyvät itse lihassupistuksen tehokkuuteen, ovat huomattavasti alemmat kuin villeillä. Lihasten toiminnalliset ominaisuudet eivät kuitenkaan ole muuttumattomia vakioita. Tulosten perusteella harjoitettujen kalojen sekä lihas- että vaellusominaisuudet lähestyvät villien vastaavaa. Tämä harjoittelun jälkeinen muutos lisää todennäköisesti kasvatettujen kalojen selviytymismahdollisuuksia.

Abstract Melatonin is an important modulator of several physiological and behavioural processes, and it influences the function of many different tissues. Melatonin has effective antioxidative properties, but some of its actions in mammals are also mediated through the MT1 and MT2 melatonin receptors. Antioxidative properties are seen especially when the melatonin concentration is high (≥ nM), and melatonin's affinity for its receptors appears at lower concentrations (pM). Recently, the involvement of melatonin in protecting the heart against cardiac diseases, including myocardial infarction (MI), has been brought out. MI alters the structure and function of myocardium, attenuating for example cardiac contractility by affecting the amount and function of the essential Ca2+ handling proteins, dihydropyridine receptor (DHPR), ryanodine receptor (RyR2) and sarco-endoplasmic reticulum (SR) Ca2+-ATPase2 (SERCA2). MI also evokes many adaptive responses in organisms, such as elevated production of atrial and brain natriuretic peptides (ANP and BNP). In this thesis, the expression of MT1 and MT2 receptor mRNAs was investigated in several rat tissues. Furthermore, the effect of MI and exogenous melatonin on the rat endogenous melatonin and on the expression of cardiac MT1, MT2, DHPR, RyR2 and SERCA2 proteins was evaluated. The concentrations of ANP and BNP were also measured after post-MI melatonin administration. The results show the expression of MT1 and/or MT2 receptor mRNAs in the hypothalamus, retina, small intestine, liver and heart, which indicates that at least some effects of melatonin could be mediated through the receptors in these tissues. Melatonin synthesis in the pineal gland increased rapidly in response to MI, supporting an important role of endogenous melatonin in protecting the heart after MI. Furthermore, exogenous melatonin altered the mRNA expression of DHPR, RyR2 and SERCA2 after MI, suggesting that melatonin might contribute to the post-infarction cardiac contractile function. The results also revealed a novel, positive relationship between melatonin and ANP, and thereby bring out one more possible way of melatonin to protect the heart against MI-induced injuries. Taken together, the present thesis (i) supports the notion that melatonin is an important endogenous protective agent of the organism, and (ii) extends our knowledge of melatonin's post-infarction cardioprotective actions. / Tiivistelmä Melatoniini osallistuu monien fysiologisten toimintojen ja käyttäytymisen säätelyyn sekä vaikuttaa useiden eri kudosten toimintaan. Melatoniini on tehokas antioksidantti, mutta jotkut sen vaikutuksista välittyvät myös MT1 ja MT2 melatoniini reseptorien kautta. Antioksidatiiviset vaikutukset tulevat esiin erityisesti silloin, kun melatoniinin pitoisuus on korkea (≥ nM). Alhaisemmilla pitoisuuksilla (pM) on puolestaan havaittavissa melatoniinin sitoutuminen reseptoreihinsa. Viime aikoina on tullut esille melatoniinin mahdollinen suojavaikutus sydänsairauksia, kuten sydäninfarkteja, vastaan. Sydäninfarkti muuttaa sydänlihaksen rakennetta ja toimintaa esimerkiksi vaikuttamalla supistuksen kannalta välttämättömien proteiinien, dihydropyridiini reseptorin (DHPR), ryanodiini reseptorin (RyR2) ja sarko-endoplasmakalvoston Ca2+-ATPaasi2:n (SERCA2) lukumääriin ja toimintaan, ja sitä kautta muun muassa heikentää sydämen supistuvuutta. Sydäninfarkti laukaisee elimistössä myös monia adaptiivisia vasteita, kuten eteispeptidin (ANP) ja aivojen natriureettisen peptidin (BNP) lisääntyneen erityksen. Tässä väitöstyössä tutkittiin MT1 ja MT2 reseptorien mRNAn ilmentymistä useissa rotan eri kudoksissa. Lisäksi tutkittiin sydäninfarktin ja eksogeenisen melatoniinin vaikutuksia rotan endogeeniseen melatoniiniin sekä sydämen MT1, MT2, DHPR, RyR2 ja SERCA2 proteiinien ekspressioon. Myös ANP ja BNP pitoisuudet mitattiin. Tulokset osoittivat MT1 ja/tai MT2 reseptori mRNAn ilmentymisen hypotalamuksessa, silmän verkkokalvolla, ohutsuolessa, maksassa ja sydämessä, minkä perusteella ainakin osa melatoniinin vaikutuksista saattaisi olla reseptorivälitteisiä näissä kudoksissa. Tulosten mukaan käpyrauhasen melatoniinisynteesi lisääntyi nopeasti sydäninfarktin jälkeen, mikä tukee käsitystä endogeenisen melatoniinin tärkeästä roolista infarktin jälkeisessä sydämen suojauksessa. Lisäksi eksogeeninen melatoniini muutti DHPR:n, RyR2:n ja SERCA2:n mRNA ekspressiota infarktin jälkeen, mikä voisi merkitä, että melatoniini saattaa vaikuttaa infarktin jälkeiseen sydämen supistuvuuteen. Tulosten osoittama positiivinen riippuvuus melatoniinin ja ANP:n välillä tuo puolestaan esille yhden uuden mahdollisen keinon, jonka kautta melatoniini voisi suojata sydäntä infarktin aiheuttamia vaurioita vastaan. Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä väitöstyö (i) tukee käsitystä, että endogeenisella melatoniinilla on tärkeä merkitys elimistön suojaamisessa, ja (ii) laajentaa tietämystämme infarktin jälkeisistä melatoniinin sydäntä suojaavista vaikutuksista.