MPI für Biophysik
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Es wird versucht, die Treffertheorie auf die indirekte Strahlenwirkung auszudehnen. Dazu wird angenommen, daß durch die Strahlung „Energieträger“ erzeugt werden, die durch Diffusion zu den „empfindlichen Bereichen“ gelangen und diese verändern können.
Der Berechnung des Wirkvolumens für derartige „indirekte Treffer“ folgt eine reaktionskinetische Betrachtung der indirekten Wirkung.
Durch die Einschaltung physikalisch-chemischer Prozesse zwischen Strahlenabsorption und „Treffer“ erscheint eine Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Gegebenheiten im bestrahlten Objekt viel eher möglich als in der „klassischen“ Theorie der „direkten Trefferwirkung“.
Die Feldstärke- und Wärmequellenverteilung im ebenen Körper aus Muskel, Fett und Haut bei Anstrahlung wird für den Wellenbereich von 1 m bis 1,27 cm jeweils bei verschiedenen Fettschichtdicken berechnet und graphisch dargestellt. Die mit der Strahlungsfeldmethode erreichbare Tiefendosis-Leistung im Zusammenhang mit der Hautdosisleistung sowie die Frage einer geeigneten Anpassung zur Erreichung einer gleichmäßigen Tiefendosis-Leistung werden diskutiert.
Unter der Voraussetzung, daß ein Strahler benutzt wird, der ein annähernd ebenes Wellenfeld liefert und in dem bestrahlten Körpergebiet ebene, parallele Schichten Haut, Fett, Muskel senkrecht getroffen werden, ergibt sich aus der Betrachtung der berechneten Feldstärke- und Wärmequellenverteilungen für die verschiedenen Wellenlängen etwa folgendes Bild:
Das Problem einer Fettüberlastung tritt bei dm-Bestrahlung bis herab zu 10 cm Wellenlänge nicht auf. Man erhält im Gegensatz zu UKW-Kondensatorfeld-Durchflutung eine starke Wärmeentwicklung in der Haut sowie in den oberen Schichten von Muskel oder inneren Organen. Der Abfall der Dosisleistung im Muskel nach der Tiefe zu wird ab λ = 30 cm mit kürzer werdender Wellenlänge zunehmend steiler. Es kann bei dm-Bestrahlung gegenüber UKW-C-Feld eine um das Mehrfache höhere Dosisleistung an der inneren Oberfläche des Körpers auch bei großen Dicken der Fettschicht erreicht werden, wenn gegebenenfalls durch zusätzliche äußere Maßnahmen (Kühlung) eine Überlastung der Haut bei bestimmten Dicken der Fettschicht (λF/4) vermieden wird.
Bei dm-Bestrahlung paralleler Schichten mit angepaßtem Sender lassen sich weitere qualitative Aussagen machen: Bei konstanter Intensität des Strahlers erfolgt bei längeren Wellen (1 m) mit wachsender Dicke der Fettschicht nur ein monotoner Abfall der Tiefendosis-Leistung auf etwa 60%. Im unteren dm-Bereich (30 cm, 10 cm) ergibt sich bei konstanter Intensität bei Vergrößerung der Fettschichtdicke von 0 bis λF/4 ein Abfall der Tiefendosis-Leistung auf etwa ⅓ und bei weiterer Zunahme der Fettschichtdicke von λF/4 bis λF/2 wieder eine Zunahme der Tiefendosis-Leistung im Verhältnis 1:2. Diese Zahlen gelten größenordnungsmäßig bei Anstrahlung aus einem Anpassungsmedium ε-Fett. Bei Anstrahlung aus Luft ist die absolute Tiefendosis-Leistung geringer und sind die Schwankungen größer. Diese Schwankungen der Tiefendosis-Leistung bei konstanter Intensität des Senders einer Wellenlänge können durch äußere Maßnahmen weitgehend verringert werden.
Wenn der Sender bei verschiedenen Fettschichtdicken jeweils auf gleiche Hautdosisleistung eingestellt wird (Dosierung nach der Hautempfindung), nimmt die Tiefendosis-Leistung bei Vergrößerung der Fettschichtdicke von 0 bis λF/4 stark ab auf etwa ⅙, die Tiefendosis-Leistungen bei weiterer Vergrößerung der Fettschichtdicke von λF/4 bis λF/2 verhalten sich dann etwa wie 1 : 3. Diese Schwankungen sind unabhängig von der Wahl des Anpassungsmediums. Eine Tiefendosierung nach der Hautempfindung ohne genauere Berücksichtigung der Fettschichtdicke wird daher bei Vorliegen von zu den Wellenflächen parallelen Schichten unzuverlässig sein. Es ergibt sich jedoch die Möglichkeit einer instrumentellen, brauchbaren Dosierung durch Einstellung der Intensität des Senders ohne Rücksichtnahme auf die Hautempfindung, wenn man die Schwankungen der Tiefendosis-Leistung mit der Fettschichtdicke bei konstanter Intensität durch die erwähnten Anpassungsmaßnahmen reduziert.
Die kurzen Wellenlängen von 3 cm und 1 cm sind für eine Wärmetherapie in der Tiefe wegen der hohen Absorptionsverluste in Haut und Fett kaum brauchbar, können jedoch zu einer Wärmetherapie der Haut und damit indirekten Beeinflussung innerer Erkrankungen oder zur Erwärmung oberflächiger bzw. weniger leitender Schichten herangezogen werden. Die Oberflächendosis-Leistung steigt bei derselben Intensität mit abnehmender Wellenlänge stark an.
Bezüglich der Angaben über die Dosisleistungs-Verteilung ist zu berücksichtigen, daß das Interferenz-Feld vor der Strahleröffnung bei der Rechnung vernachlässigt wurde. Ferner entspricht die Dosisleistungs-Verteilung nur dann der Temperaturverteilung während der Bestrahlung, wenn die Unterschiede in den Anfangstemperaturen und in den spezifischen Wärmen der biologischen Schichten außer Acht gelassen werden sowie intensiv und kurzzeitig bestrahlt wird, so daß noch kein merklicher Wärmetransport während der Bestrahlung stattfindet. Über die Temperaturverteilung bei Berücksichtigung des Wärmetransports, der bei schwacher, langdauernder Bestrahlung eine merkliche Erwärmung auch tieferer innerer Schichten, eine höhere Erwärmung des Fetts und eine geringere der Haut zur Folge haben kann, sind weitere Betrachtungen erforderlich.
Es wird eine einfache und billig herzustellende Resonanzanordnung beschrieben, mit der genaue Bestimmungen elektrischer Impedanzwerte und Materialkonstanten im Dezimeterwellenbereich durchführbar sind. Prinzip der Methode, Meßbereich, Genauigkeit und Einzelheiten des Aufbaues werden angegeben und an einigen Beispielen erläutert.
Die Primärwirkung von Röntgenstrahlen einer Dosis von etwa 0,5 bis 150 Millionen r auf die kristallisierte Trockensubstanz von Aminosäuren und Peptiden wurde mit Hilfe chemischer, biochemischer und physikalisch-chemischer Arbeitsmethoden untersucht. Es wurde gefunden, daß in allen prinzipiell möglichen Fällen folgende Reaktionen stets wiederkehren : Aminbildung infolge Decarboxylierung; Bildung einer α-Imino- bzw. α-Ketocarbonsäure infolge einer Dehydrierung in α-,β-Stellung; Bildung von β,γ- bzw. γ-δ-ungesättigten α-Aminocarbonsäuren oder deren γ- bzw. δ-Lactonen; Bruch und Vernetzung der aliphatischen Kohlenstoffketten. Bei Peptiden treten die gleichen Reaktionen wie bei den Aminosäuren auf, jedoch in einem anderen Verhältnis; hinzu kommt die strahlenchemische Dehydrierung einer Peptidbindung an der Aminogruppe zu einer energiereichen Iminoacyl-Bindung, welche bei Gegenwart von Wasser sofort hydrolysiert wird. Endprodukt namentlich bei längerkettigen Peptiden : Zwei Bruchstücke (daneben NH3); das eine mit alter amino-endständiger und neuer carboxyl-endständiger Aminosäure und das andere mit der alten carboxy-endständigen Aminosäure, statt Aminogruppe am anderen Ende jetzt Ketogruppe. — In fast allen Fällen wurden die Ionenausbeuten auch quantitativ bestimmt. Die lonenausbeuten für die Bildung von α-Ketosäuren aus α-Aminosäuren fallen exponentiell mit der eingestrahlten Dosis. Eine relativ einfache Funktion erklärt diese Verhältnisse. Die Ionenausbeute für die Bildung von Brenztraubensäure aus Serin ist dagegen unabhängig von der Dosis.
I. X-irradiation of isolated rat diaphragm with 10 to 200 kr produces a change in tissue metabolism which we schematize in two successive phases:
1st phase: Increase of oxygen comsumption, proportional to the dosage; an even greater increase of CO2 production; QCO2/QO2 > 1, that is, aerobic glycolysis; inhibition of anaerobic glycolysis.
2nd phase: Reduction of oxygen consumption, proportional to the dosage (over 65 kr the Qo2 decreases below the control); an even greater decrease of CO2 production: QCO2/QO2 > 1; a greater inhibition of anaerobic glycolysis.
With 200 kr or more no increase of respiration appears, but instead from the beginning there is a reduction of the metabolism as described in the second phase.
II. A similar effect is found in rat liver and in frog heart tissue.
III. When the tissue was incubated in the homologus serum no change in the quality of the described effect was observed. Under our experimental conditions the tissue was X-irradiated within a small quantity of incubation medium and immediately afterwards placed in a fresh medium; this limits the effect of oxidative radicals (arising in the X-irradiated water) upon the tissue.
IV. We set forth the experimental hypothesis that all the described changes in the metabolism of the cell after X-irradiation depend upon a primary alteration of electrolyte balance in the cell, especially of the potassium/sodium relationship. The well known decrease of glycolysis after X-irradiation is a consequence of the loss of potassium from the X-irradiated cell.
Die Primärwirkung von Röntgenstrahlung einer Dosis von 2 — 30 Millionen r auf kristallisiertes Lysozym wurde mit Hilfe physikalisch-chemischer (Elektrophorese, Ultrazentrifuge), chemischer, biochemischer und biologischer Arbeitsmethoden untersucht. Es wurde gefunden, daß durch Bestrahlung eine Reihe nah verwandter, jedoch weniger basischer Proteine verschiedenen Mol.-Gew. entsteht, deren Aminosäure-Bausteine als Folge der Bestrahlung teilweise in andere Verbindungen umgewandelt wurden. Bei der Untersuchung der amino- und carboxyl-endständigen Aminosäuren des bestrahlten Proteins wurden Unterschiede gegenüber Lysozym nur bei den carboxyl-terminalen Gruppen festgestellt. Die biologische Aktivität des Proteins blieb auch nach Bestrahlung mit einer Dosis von 5 Millionen r praktisch unverändert.
Die indirekte Wirkung von Röntgenstrahlen einer Dosis von 0,08 bis 7.5 Millionen r auf eine 2 · 10-2-m. wäßrige Tryptophanlösung wurde mit Hilfe chemischer und physikalisch-chemischer Arbeitsmethoden (Hochspannungs-Elektrophorese) untersucht.
Der Einfluß der Dosis, Dosisleistung, Temperatur und die durch oxydierend wirkende Radikale (HO2) ausgelösten Reaktionsschritte bei Bestrahlung in Sauerstoffatmosphäre wurden in qualitativer Hinsicht geprüft.
Aus der Vielzahl der strahlenchemisch gebildeten Abbauprodukte konnten mit Sicherheit nachgewiesen werden: Glycin, α-Alanin, Asparaginsäure, Kynurenin, 3-Hydroxykynurenin, 3-Oxyanthranilsäure und Tryptamin.
Schließlich wurde versucht, die experimentell gewonnenen Ergebnisse mit Hilfe von Radikalwirkungen, die sich auf
a) Decarboxylierungen
b) und Veränderungen des Kohlenstoff-Gerüstes beziehen, zu deuten.
Elektronenresonanz-Untersuchungen von Nachreaktionen in einem röntgenbestrahlten Faserprotein
(1962)
Of the 16 non-structural proteins (Nsps) encoded by SARS CoV-2, Nsp3 is the largest and plays important roles in the viral life cycle. Being a large, multidomain, transmembrane protein, Nsp3 has been the most challenging Nsp to characterize. Encoded within Nsp3 is the papain-like protease domain (PLpro) that cleaves not only the viral polypeptide but also K48-linked polyubiquitin and the ubiquitin-like modifier, ISG15, from host cell proteins. We here compare the interactors of PLpro and Nsp3 and find a largely overlapping interactome. Intriguingly, we find that near full length Nsp3 is a more active protease compared to the minimal catalytic domain of PLpro. Using a MALDI-TOF based assay, we screen 1971 approved clinical compounds and identify five compounds that inhibit PLpro with IC50s in the low micromolar range but showed cross reactivity with other human deubiquitinases and had no significant antiviral activity in cellular SARS-CoV-2 infection assays. We therefore looked for alternative methods to block PLpro activity and engineered competitive nanobodies that bind to PLpro at the substrate binding site with nanomolar affinity thus inhibiting the enzyme. Our work highlights the importance of studying Nsp3 and provides tools and valuable insights to investigate Nsp3 biology during the viral infection cycle.
Riboswitch RNAs regulate gene expression by conformational changes induced by environmental conditions and specific ligand binding. The guanidine-II riboswitch is proposed to bind the small molecule guanidinium and to subsequently form a kissing loop interaction between the P1 and P2 hairpins. While an interaction was shown for isolated hairpins in crystallization and electron paramagnetic resonance experiments, an intrastrand kissing loop formation has not been demonstrated. Here, we report the first evidence of this interaction in cis in a ligand and Mg2+ dependent manner. Using single-molecule FRET spectroscopy and detailed structural information from coarse-grained simulations, we observe and characterize three interconvertible states representing an open and kissing loop conformation as well as a novel Mg2+ dependent state for the guanidine-II riboswitch from E. coli. The results further substantiate the proposed switching mechanism and provide detailed insight into the regulation mechanism for the guanidine-II riboswitch class. Combining single molecule experiments and coarse-grained simulations therefore provides a promising perspective in resolving the conformational changes induced by environmental conditions and to yield molecular insights into RNA regulation.
Maximum likelihood estimates of diffusion coefficients from single-particle tracking experiments
(2021)
Single-molecule localization microscopy allows practitioners to locate and track labeled molecules in biological systems. When extracting diffusion coefficients from the resulting trajectories, it is common practice to perform a linear fit on mean-squared-displacement curves. However, this strategy is suboptimal and prone to errors. Recently, it was shown that the increments between the observed positions provide a good estimate for the diffusion coefficient, and their statistics are well-suited for likelihood-based analysis methods. Here, we revisit the problem of extracting diffusion coefficients from single-particle tracking experiments subject to static noise and dynamic motion blur using the principle of maximum likelihood. Taking advantage of an efficient real-space formulation, we extend the model to mixtures of subpopulations differing in their diffusion coefficients, which we estimate with the help of the expectation–maximization algorithm. This formulation naturally leads to a probabilistic assignment of trajectories to subpopulations. We employ the theory to analyze experimental tracking data that cannot be explained with a single diffusion coefficient. We test how well a dataset conforms to the assumptions of a diffusion model and determine the optimal number of subpopulations with the help of a quality factor of known analytical distribution. To facilitate use by practitioners, we provide a fast open-source implementation of the theory for the efficient analysis of multiple trajectories in arbitrary dimensions simultaneously.
Nitrate is an abundant nutrient and electron acceptor throughout Earth’s biosphere. Virtually all nitrate in nature is produced by the oxidation of nitrite by the nitrite oxidoreductase (NXR) multiprotein complex. NXR is a crucial enzyme in the global biological nitrogen cycle, and is found in nitrite-oxidizing bacteria (including comammox organisms), which generate the bulk of the nitrate in the environment, and in anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) bacteria which produce half of the dinitrogen gas in our atmosphere. However, despite its central role in biology and decades of intense study, no structural information on NXR is available. Here, we present a structural and biochemical analysis of the NXR from the anammox bacterium Kuenenia stuttgartiensis, integrating X-ray crystallography, cryo-electron tomography, helical reconstruction cryo-electron microscopy, interaction and reconstitution studies and enzyme kinetics. We find that NXR catalyses both nitrite oxidation and nitrate reduction, and show that in the cell, NXR is arranged in tubules several hundred nanometres long. We reveal the tubule architecture and show that tubule formation is induced by a previously unidentified, haem-containing subunit, NXR-T. The results also reveal unexpected features in the active site of the enzyme, an unusual cofactor coordination in the protein’s electron transport chain, and elucidate the electron transfer pathways within the complex.
Under natural conditions, the visual system often sees a given input repeatedly. This provides an opportunity to optimize processing of the repeated stimuli. Stimulus repetition has been shown to strongly modulate neuronal-gamma band synchronization, yet crucial questions remained open. Here we used magnetoencephalography in 30 human subjects and find that gamma decreases across ~10 repetitions and then increases across further repetitions, revealing plastic changes of the activated neuronal circuits. Crucially, changes induced by one stimulus did not affect responses to other stimuli, demonstrating stimulus specificity. Changes partially persisted when the inducing stimulus was repeated after 25 minutes of intervening stimuli. They were strongest in early visual cortex and increased interareal feedforward influences. Our results suggest that early visual cortex gamma synchronization enables adaptive neuronal processing of recurring stimuli. These and previously reported changes might be due to an interaction of oscillatory dynamics with established synaptic plasticity mechanisms.
Cysteine cross-linking in native membranes establishes the transmembrane architecture of Ire1
(2021)
The ER is a key organelle of membrane biogenesis and crucial for the folding of both membrane and secretory proteins. Sensors of the unfolded protein response (UPR) monitor the unfolded protein load in the ER and convey effector functions for maintaining ER homeostasis. Aberrant compositions of the ER membrane, referred to as lipid bilayer stress, are equally potent activators of the UPR. How the distinct signals from lipid bilayer stress and unfolded proteins are processed by the conserved UPR transducer Ire1 remains unknown. Here, we have generated a functional, cysteine-less variant of Ire1 and performed systematic cysteine cross-linking experiments in native membranes to establish its transmembrane architecture in signaling-active clusters. We show that the transmembrane helices of two neighboring Ire1 molecules adopt an X-shaped configuration independent of the primary cause for ER stress. This suggests that different forms of stress converge in a common, signaling-active transmembrane architecture of Ire1.
The structure and flexibility of RNA depends sensitively on the microenvironment. Using pulsed electron-electron double-resonance (PELDOR)/double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy combined with advanced labeling techniques, we show that the structure of double-stranded RNA (dsRNA) changes upon internalization into Xenopus lævis oocytes. Compared to dilute solution, the dsRNA A-helix is more compact in cells. We recapitulate this compaction in a densely crowded protein solution. Atomic-resolution molecular dynamics simulations of dsRNA semi-quantitatively capture the compaction, and identify non-specific electrostatic interactions between proteins and dsRNA as a possible driver of this effect.
Funktionelle und strukturelle Charakterisierung von SLC-Transportern in eukaryotischen Systemen
(2018)
Die evolutionäre Voraussetzung für die Entwicklung komplexer, differenzierter Organismen bildet die Separierung der Zelle in Reaktionsräume, die so genannte Kompartimentierung. Das Prinzip der Kompartimentierung ermöglicht zahlreiche lebensnotwendige, biochemische Prozesse, wie die Konservierung von Energie durch Protonengradienten in der Atmungskette oder parallele, gegenläufige Stoffwechselwege. Zelluläre Kompartimente werden häufig durch Biomembranen gebildet, welche aus einer zweilagigen Lipidschicht bestehen. Lipidmoleküle in einer Zelle sind meistens amphipathisch, das bedeutet, sie bestehen aus einer polaren, hydrophilen Kopfgruppe und einem unpolaren, hydrophopen Ende (Abbildung 1). Die Lipidzusammensetzung in einer Biomembran ist sehr divers und unterscheidet sich in verschiedenen Organismen und Organellen. Phosphoglyceride bilden den Hauptbestandteil der Lipidschicht. Phosphoglyceride besteht aus einem Glycerin Rückgrat, welches an dem C1- und C2-Atom mit zwei Fettsäuren verestert und an dem C3-Atom mit einem Phosphorsäurediester verbunden ist. ...