@phdthesis{Graus2020,
  author    = {Graus, Dorothea},
  title     = {Auswirkungen einer V-PPase-{\"U}berexpression auf Nicotiana benthamiana Blattzellen und deren physiologische Bedeutung unter Salzbelastung},
  doi       = {10.25972/OPUS-19367},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-193676},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Vakuol{\"a}re PPasen (V-PPase) in Landpflanzen dienen dem Transport von Protonen in die Vakuole und dem Aufbau eines elektrochemischen Gradienten, w{\"a}hrend sie gleichzeitig durch Hydrolyse eine Anreicherung des toxischen PPi im Cytosol verhindern. Zahlreiche Publikationen bewiesen bereits positive Effekte der stabilen V-PPase-{\"U}berexpression in Pflanzen. Unter anderem zeigte die Ackerschmalwand, Tabak, Reis und Tomate eine erh{\"o}hte Biomasse und gesteigerte Stresstoleranz auf Grund einer erh{\"o}hten stabilen V-PPase Ex-pression. Um die zugrundeliegenden Prozesse ohne potenzielle pleiotropische Effekte w{\"a}hrend der Pflanzenentwicklung zu analysieren, wurden in der vorliegenden Dissertation die physiologischen Auswirkungen einer transienten V-PPase-{\"U}berexpression in Nicotiona benthamiana Bl{\"a}ttern und die Einflussnahme von NaCl quantitativ erfasst. Zu diesem Zweck wurden zwei endogene V-PPasen (NbVHP1 und NbVHP2) aus N. bentha-miana zun{\"a}chst bioinformatisch und dann auf Transkriptionsebene mittels quantitativer Real-Time-PCR identifiziert. Die endogenen V-PPasen wurden mittels der Agrobakterien-Infiltrationstechnik transient in N. benthamiana Bl{\"a}ttern und ihre vakuol{\"a}re Lokalisation mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern best{\"a}tigt. Die Protonenpump-Funktion der {\"u}berexprimierten NbVHPs konnte mit der Patch-Clamp-Technik anhand des vier-fach erh{\"o}hten Protonenpump-stroms in den isolierten Mesophyllvakuolen verifiziert werden. Im Zuge der elektro-physiologischen Charakterisierung der endogenen N. benthamiana V-PPasen konnte die f{\"u}r V-PPasen typische Sensitivit{\"a}t gegen{\"u}ber cytosolischem Calcium best{\"a}tigt werden, welche sich bei einem erh{\"o}hten Calcium-Spiegel in einer Hemmung der Pumpstr{\"o}me {\"a}ußerte. Ferner wurde ihre gleichartige Substrataffinit{\"a}t (Km von 65 µM PPi) unabh{\"a}ngig des vakuol{\"a}ren pHs zwischen 5,5 und 7,5 festgestellt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit analog durchgef{\"u}hrten Messungen an der bereits publizierten AtVHP1 von A. thaliana best{\"a}tigte die große Homo-logie der V-PPasen von Landpflanzen. Im Gegensatz zu den erw{\"u}nschten Auswirkungen der stabilen V-PPase {\"U}berexpression resultierte diese starke transiente {\"U}berexpression nach drei Tagen im Absterben makroskopischer Blattbereiche. Das Ausmaß dieser Nekrosen wurde anhand des vorhandenen PhotosystemII in den transformierten Bl{\"a}ttern mit der Puls-Amplituden-Modulations-Technik quantifiziert. Die analoge transiente {\"U}berexpression einer l{\"o}slichen PPase (IPP1) f{\"u}hrte allerdings zu keinerlei negativen Effekten f{\"u}r die Pflanze, wodurch die erh{\"o}hte Protonentransportaktivit{\"a}t im Gegensatz zur Hydrolyseaktivit{\"a}t der V-PPasen als Ursache des Zellsterbens verifiziert werden konnte. Aufgrund dieser unerwarteten negativen Auswirkungen der transienten V-PPase-{\"U}berex-pression auf die Blattvitalit{\"a}t wurde zus{\"a}tzlich die Salzstresstoleranz der Bl{\"a}tter untersucht. Unter Ber{\"u}cksichtigung des kurzen Transformations- und damit Beobachtungszeitfensters wurde ein Salzapplikationsverfahren etabliert, bei dem simultan mit der Agrobakterien-infiltration 200 mM NaCl direkt in den Blattapoplasten eingef{\"u}hrt wurde. Anhand einer Zu-nahme in sowohl der Transskriptmenge der V-PPase als auch des PPi-induzierten Protonen-pumptransportes {\"u}ber den Tonoplasten wurde gezeigt, dass die NaCl-Anwesenheit im Blatt eine erh{\"o}hte Aktivit{\"a}t der endogenen V-PPasen des N. benthaminan Pflanzen bewirkte. Der gleichzeitige tendenzielle R{\"u}ckgang der V-ATPase-Pumpaktivit{\"a}t in salzbehandelten Mesophyllvakuolen l{\"a}sst vermuten, dass die V-PPasen eine gr{\"o}ßere Rolle bei der Bewahrung des vakuol{\"a}ren pH-Wertes und der protonenmotorische Kraft (PMF) unter Salzstress ein-nimmt. Interessanterweise f{\"u}hrte die Salzapplikation bei einer V-PPase-{\"U}berexpression zu keinen additiven negativen Effekten, sondern verhinderte sogar das Auftreten der Nekrosen. Um dieses Ph{\"a}nomen zu ergr{\"u}nden, wurde zun{\"a}chst mit Hilfe von Apoplastenwaschungen und Natrium-Konzentrationsmessungen best{\"a}tigt, dass das injizierte NaCl im Blatt verblieb und von den Blattzellen aufgenommen wurde. F{\"u}r weitere Studien der Ursachen der Nekrosen wurden in-vivo-pH-, Membranpotenzial- und Metabolitmessungen durchgef{\"u}hrt. W{\"a}hrend in V-PPase-{\"u}berexprimierenden Zellen der vakuol{\"a}re pH-Wert zu Kontrollvakuolen signifikant sank, blieb er mit zus{\"a}tzlicher Salzbehandlung auf Kontrollniveau. Des Weiteren schw{\"a}chte die Salzapplikation die starke Depolarisation der Plasmamembran nach V-PPase-{\"U}ber-expression um mehr als die H{\"a}lfte ab. Hingegen konnten keine nennenswerten Ver-{\"a}nderungen im Metabolit- und Ionengehalt des Blattgewebes bei V-PPase-{\"U}berexpression festgestellt werden. Lediglich der Natrium- und Chlorid-Spiegel waren bei salz-behandelten Bl{\"a}ttern erwartungsgem{\"a}ß erh{\"o}ht. Diese Ergebnisse bekr{\"a}ftigten, dass der stark erh{\"o}hte V-PPase-vermittelte Protonenpumpstrom und weniger metabolische Ver{\"a}nderungen f{\"u}r die Nekrosen von V-PPase-{\"u}berexprimierte Pflanzen verantwortlich ist. Diese negativen Auswirkungen werden offensichtlich durch die Salzbehandlung stark vermindert, da die Aufnahme der Salz-ionen {\"u}ber Protonen-Na+/K+-Antiporter wie NHX antagonistisch auf die V-PPase verursachte Protonenanreicherung und die daraus folgende Ver{\"a}nderung des Membran-potentials und der PMF entgegenwirkt. In diese Arbeit wurde in einem neuen Blickwinkel deutlich, dass die nat{\"u}rliche Expressions-kontrolle der V-PPase in ausdifferenzierten Pflanzenzellen sich den Umweltbedingungen anpasst, um das Gleich-gewicht zwischen den positiven und negativen Auswirkungen der Pumpaktivit{\"a}t zu halten.},
  subject      = {Pyrophosphatase},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Urban2009,
  author    = {Urban, Christian},
  title     = {Design, Synthese und Untersuchung eines Membrantransporters f{\"u}r acetylierte Aminos{\"a}uren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-38094},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein synthetischer Membrantransporter f{\"u}r acetylierte Aminos{\"a}urecarboxylate entworfen und hergestellt. Als Bindungsstelle f{\"u}r die Carboxylate wurde das Guanidiniocarbonylpyrrol-Motiv von Schmuck verwendet. In den Seitenarm des Pyrrols wurde ein L-Valinamid-Rest eingebracht, um die M{\"o}glichkeit zu zus{\"a}tzlichen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zu bieten und gegebenenfalls Substrat- und Enantioselektivit{\"a}t zu erreichen. Zur Herstellung der L{\"o}slichkeit in unpolaren Medien wie dem Inneren der Zellmembran musste eine lipophile Gruppe eingebracht werden. Als l{\"o}slichkeitsvermittelnder Rest wurde Tris-(Dodecyloxy)phenylmethylen ausgew{\"a}hlt, das drei lange unpolare Alkylreste tr{\"a}gt. Zusammengenommen ergab sich so ein Rezeptor f{\"u}r Oxo-Anionen und speziell f{\"u}r Aminos{\"a}urecarboxylate mit erh{\"o}hter L{\"o}slichkeit in organischen Medien. Somit war die F{\"a}higkeit zu Membrantransport gegeben. In Kraftfeldrechnungen erhielt man die vermutliche Struktur des Rezeptor-Substrat-Komplexes, der eine Kombination aus einer Salzbr{\"u}cke, Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen und einer Stapelwechselwirkung von Guanidinum-Kation, Benzylgruppe und ggf. aromatischem Rest des Aminos{\"a}uresubstrates aufweist. Nach erfolgreicher Synthese wurde in Extraktionsexperimenten die F{\"a}higkeit des Rezeptors erprobt, Aminos{\"a}urecarboxylate aus einer w{\"a}ssrigen in eine organische Phase aus zu {\"u}berf{\"u}hren. Man erhielt das beste Extraktionsverm{\"o}gen f{\"u}r Ac-Trp-OH, gefolgt von Ac Phe OH und Ac Tyr OH. Es wurde eine neue Formel aufgestellt, mit der aus den pKS-Werten der Substrate und den Extraktionsdaten mit und ohne Rezeptor die Bindungskonstanten der Rezeptor-Substrat-Komplexe berechnet werden konnten. Die Gr{\"o}ße der Bindungkonstanten entsprach der Reihenfolge Trp > Tyr > Phe ~ Val mit den h{\"o}chsten Bindungskonstanten f{\"u}r das Tryptophanderivat mit 1.5*10E4 1/M. Zur Best{\"a}tigung der Bindungskonstanten wurden ITC-Messungen durchgef{\"u}hrt. Es wurden Messungen des Rezeptors in Chloroform mit den tert-Butylammoniumsalzen der acetylierten Aminos{\"a}uren Phenylalanin, Tyrosin und Valin durchgef{\"u}hrt. F{\"u}r die Werte von Enthalpie und Entropie konnten bei dieser Auswertung konsistente Werte ermittelt werden. Die h{\"o}chsten Werte der Enthalpie erhielt man f{\"u}r das Tyrosinderivat mit 3.7*10E3 cal/mol, gefolgt vom Phenylalaninderivat mit 2.8*10E3 cal/mol und Valinderivat mit 1.3*10E3 cal/mol. Diese Abstufung entspricht dem Einfluss des aromatischen Restes, der durch die Stapelwechselwirkung mit dem Guanidinium-Kation die Bindungsw{\"a}rme erh{\"o}ht und durch den damit verbundenen engeren Komplex den Wert f{\"u}r die Entropie senkt. F{\"u}r die Evaluierung des Transportverm{\"o}gens wurden U-Rohr-Versuche verschiedener Art durchgef{\"u}hrt. Es wurde ein Gradient von pH 6 in der Ausgangsphase auf pH 8 in der Zielphase eingesetzt, wodurch der Rezeptor an der Grenzfl{\"a}che zur Zielphase deprotoniert wurde, was zu gerichtetetem Transport f{\"u}hrte. Es ergaben sich recht starke Unterschiede f{\"u}r die Fluxwerte der einzelnen Substraten, die der Reihenfolge Val > Phe > Ala > Trp > Tyr folgten. Dabei wurde das Valinderivat um den Faktor 17 schneller als das Tyrosinderivat bef{\"o}rdert, mit dem recht hohen Flux von 1.11*10E-6 mol/m2*s, was nahe an den h{\"o}chsten literaturbekannten Wert f{\"u}r acetylierte Aminos{\"a}uren heranreicht. Durch Verwendung gleicher Substratkonzentrationen in Start- und Zielphase konnte aktiver Transport nachgewiesen werden, d.h. Transport gegen das Konzentrationsgef{\"a}lle. Die Triebkraft des Transportes war der Gradient von pH 6 auf pH 8 zwischen Ausgangs- und Zielphase, der durch den Symport von Substrat und einem Proton ausgeglichen wurde. Bei einem kompetitiven Versuch mit einer Mischung der verschiedenen Substrate in der Ausgangsphase wurden ver{\"a}nderte Fluxwerte und Selektivit{\"a}ten festgestellt. Die neue Reihenfolge der Transportgeschwindigkeit war nun Trp > Phe > Val > Tyr > Ala, wobei die Fluxwerte fast durchgehend niedriger waren als im Einzelversuch. Die Ver{\"a}nderung der Werte erschließt sich bei Vergleich mit den thermodynamischen Daten aus den Extraktionsexperimenten. Bei direkter Konkurrenz um den Rezeptor wurden diejenigen Substrate mit den h{\"o}chsten Bindungskonstanten bevorzugt, unabh{\"a}ngig von ihrer Transportgeschwindigkeit. Die schw{\"a}cher bindenden Substrate wurden aus dem Komplex verdr{\"a}ngt und wiesen deswegen niedrigere Transportwerte auf. Der kompetitive Versuch ist somit eine st{\"a}rkere Abbildung der Bindungsst{\"a}rke und entspricht eher der Situation in einer realen Zelle.},
  subject      = {Molekulare Erkennung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Ulzheimer2003,
  author    = {Ulzheimer, Jochen C.},
  title     = {Funktionelle Charakterisierung der Transportproteine f{\"u}r Organische Kationen rOCT1 und hOCT2 unter besonderer Ber{\"u}cksichtigung der cis-/trans-Asymmetrie von rOCT1},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-6444},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {rOCT1 und hOCT2 sind zwei homologe Transportproteine f{\"u}r organische Kationen, die in Niere und Leber den ersten Schritt der transepithelialen Sekretion von Metaboliten und Xenobiotika vermitteln. Eines ihrer wesentlichen Charakteristika ist neben der Potentialabh{\"a}ngigkeit die Polyspezifit{\"a}t hinsichtlich Transportsubstraten und Hemmstoffen. Beide Transporter k{\"o}nnen als Uniporter klassifiziert werden, d.h. sie besitzen keine obligate Kopplung an ein Austausch- oder Cosubstrat wie z.B. Natrium, Protonen oder andere organische Kationen. Dar{\"u}berhinaus zeigen sie das f{\"u}r Transportproteine typische und von Kan{\"a}len distinkte Charakteristikum der trans-Stimulierbarkeit. Mit rOCT1 konnten erstmals f{\"u}r einen Prototypen der Transportersuperfamilie SLC22 n{\"a}here Aufschl{\"u}sse {\"u}ber den Transportmechanismus erhalten werden. Zum einen wurde nachgewiesen, daß rOCT1 eine direktionale Asymmetrie besitzt, d.h. unter S{\"a}ttigungsbedingungen besteht eine kinetische Bevorzugung der Transportrichtung von extra- nach intrazellul{\"a}r um den Faktor zwei bis f{\"u}nf. Zum anderen wurden anhand von rOCT1 neue Erkenntnisse zum Bindungs- und Interaktionsverhalten von Hemmstoffen und Transportsubstraten in Abh{\"a}ngigkeit von der Transportrichtung gewonnen. Hierbei erscheint das bisherige Modell von topologisch festgelegter kompetitiver und allosterischer Hemmung zu stark vereinfacht und nicht zutreffend. Die Bindung von Transportsubstraten und die dadurch induzierten Konformations{\"a}nderungen scheinen selbst die Bindungseigenschaften von Hemmstoffen in mehreren Zust{\"a}nden zu beeinflussen. Auch scheinen Transport- und Ionenleitf{\"a}higkeit von OCT zu differenzieren zu sein. Zur Kl{\"a}rung der Fragestellungen wurde das Expressionsmodell Xenopus-Oozyte durch die Etablierung der sogenannten Effluxmethodik funktionell und methodisch wesentlich erweitert.},
  language  = {de}
}