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In der vorliegenden Arbeit werden Studien zur selektiven bakteriellen Hydroxylierung von Fettsäuren vorgestellt. Unter Verwendung von Linolsäure als Substrat wurden aus Bodenproben verschiedene Mikroorganismen isoliert, die polare Metabolite bildeten. Die phänotypische und genotypische Charakterisierung eines Stammes führte zu dessen Identifizierung als Stenotrophomonas maltophilia. Die Strukturaufklärung der drei Hauptreaktionsprodukte erfolgte mittels Hochleistungsflüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HPLC-MS), Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) sowie ein- und zweidimensionalen NMR-Experimenten (1H-NMR, 13C-NMR, 13C-DEPT, H/H-COSY, HMQC, HMBC). Linolsäure wurde von Stenotrophomonas maltophilia zu 3-Hydroxy-Z6-dodecensäure, 3-Hydroxy-Z5,Z8-tetradecadiensäure und 3-Hydroxy-Z7,Z10-hexadecadiensäure umgesetzt. In einem anschließenden Substratscreening wurden 32 Verbindungen als Edukte für die Biotransformation eingesetzt und so die strukturellen Voraussetzungen ermittelt, die für eine effiziente Umsetzung von Fettsäuren durch Stenotrophomonas maltophilia notwendig sind. Zum Einsatz kamen Substrate mit unterschiedlicher Anzahl an C-Atomen sowie mit Variationen bezüglich Anzahl, Position und Konformation von Doppelbindungen. Weiterhin wurden Substanzen verwendet, die bereits funktionelle Gruppen im Molekül aufwiesen (z. B. Ricinolsäure). Die Bestimmung der Enantiomerenverteilung der bakteriell gebildeten 3-Hydroxysäuren mittels multidimensionaler Gaschromatographie (MDGC) ergab einen deutlichen Enantiomerenüberschuss (ee 84 – 98 Prozent). Die Aufklärung der Absolutkonfiguration erfolgte über die Synthese von Dodecan-1,3-diolen und deren anschließende Analytik mittels MDGC. Zusätzlich wurde die Konfiguration mit Hilfe der CD Exciton Chirality-Methode bestimmt. Weiterhin wurde untersucht, ob die bakteriell gebildeten 3-Hydroxysäuren als Substrate oder Inhibitoren des Enzyms Lipoxygenase L-1 aus Sojabohnen fungieren. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Studien zur Darstellung von optisch aktiven 3-Hydroxysäuren belegen das Potential des Bodenbakteriums Stenotrophomonas maltophilia, exogen zugeführte Fettsäuren im Rahmen der b-Oxidation zu kettenverkürzten, an Position 3 hydroxylierten Metaboliten abzubauen. Dabei liegen jedoch deutliche Abweichungen zur b-Oxidation in anderen Organismen vor, die auf Unterschieden in der Enzymausstattung bzw. deren Aktivität beruhen. Durch die gewonnenen Erkenntnisse zum b-Oxidationsmechanismus in Stenotrophomonas maltophilia kann diese Aktivität durch geeignete Substratauswahl gezielt zur Synthese von optisch aktiven 3-Hydroxysäuren eingesetzt werden, deren chemische Synthese gegenüber dieser Biotransformation deutlich schwieriger zu realisieren ist. Für solche Verbindungen besteht in der organischen Synthese von Naturstoffen wie Pheromonen, Vitaminen und Antibiotika Bedarf.
Objective
At high altitude (HA), acute mountain sickness (AMS) is accompanied by neurologic and upper gastrointestinal symptoms (UGS). The primary aim of this study was to test the hypothesis that delayed gastric emptying (GE), assessed by \(^{13}\)C-octanoate breath testing (OBT), causes UGS in AMS. The secondary aim was to assess post-gastric mechanisms of OBT, which could confound results under these conditions, by determination of intermediary metabolites, gastrointestinal peptides, and basal metabolic rate.
Methods
A prospective trial was performed in 25 healthy participants (15 male) at 4559 m (HA) and at 490 m (Zurich). GE was assessed by OBT (428 kcal solid meal) and UGS by visual analogue scales (VAS). Blood sampling of metabolites (glucose, free fatty acids (FFA), triglycerides (TG), beta-hydroxyl butyrate (BHB), L-lactate) and gastrointestinal peptides (insulin, amylin, PYY, etc.) was performed as well as blood gas analysis and spirometry. Statistical analysis: variance analyses, bivariate correlation, and multilinear regression analysis.
Results
After 24 h under hypoxic conditions at HA, participants developed AMS (p < 0.001). \(^{13}\)CO\(_{2}\) exhalation kinetics increased (p < 0.05) resulting in reduced estimates of gastric half-emptying times (p < 0.01). However, median resting respiratory quotients and plasma profiles of TG indicated that augmented beta-oxidation was the main predictor of accelerated \(^{13}\)CO\(_{2}\)-generation under these conditions.
Conclusion
Quantification of \(^{13}\)C-octanoate oxidation by a breath test is sensitive to variation in metabolic (liver) function under hypoxic conditions. \(^{13}\)C-breath testing using short-chain fatty acids is not reliable for measurement of gastric function at HA and should be considered critically in other severe hypoxic conditions, like sepsis or chronic lung disease.
An in vivo model of antiangiogenic therapy allowed us to identify genes upregulated by bevacizumab treatment, including Fatty Acid Binding Protein 3 (FABP3) and FABP7, both of which are involved in fatty acid uptake. In vitro, both were induced by hypoxia in a hypoxia-inducible factor-1 alpha (HIF-1 alpha)-dependent manner. There was a significant lipid droplet (LD) accumulation in hypoxia that was time and O-2 concentration dependent. Knockdown of endogenous expression of FABP3, FABP7, or Adipophilin (an essential LD structural component) significantly impaired LD formation under hypoxia. We showed that LD accumulation is due to FABP3/7-dependent fatty acid uptake while de novo fatty acid synthesis is repressed in hypoxia. We also showed that ATP production occurs via beta-oxidation or glycogen degradation in a cell-type-dependent manner in hypoxia-reoxygenation. Finally, inhibition of lipid storage reduced protection against reactive oxygen species toxicity, decreased the survival of cells subjected to hypoxia-reoxygenation in vitro, and strongly impaired tumorigenesis in vivo.