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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-86685
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8668/


Mitochondrial networks

Mitochondriale Netzwerke

Mellem, Daniel

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (25.163 KB) 


SWD-Schlagwörter: Mitochondrium , Physik , Mikroskopie , Fluoreszenz , Haut , Alterung , Zelle , Keratinozyt , Simulation , Netzwerk
Freie Schlagwörter (Deutsch): Mitochondriales Netzwerk , Hautalterung , Multiphotonenmikroskopie
Freie Schlagwörter (Englisch): mitochondrial network , skin aging , multiphoton microscopy
Basisklassifikation: 33.00 , 35.72 , 33.90 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Rübhausen, Michael A. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.09.2016
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 14.08.2017
Kurzfassung auf Englisch: Mitochondria produce the molecule adenosine triphosphate (ATP), in order to supply different cell functions with energy. In the cytoplasm of eukaryotic cells they form a highly dynamic network. In this theses, the behavior of the mitochondrial network within the energy demanding structure of cells was investigated.
Biological processes, such as networking, recycling, oxidative stress and repair mechanisms act on mitochondria and alter their qualities in terms of the integrity of their DNA, their metabolic supply and their ability to produce ATP. A biophysical model was created, that simulates mitochondrial qualities represented by virtual quality states in a discrete-time Markov chain. Simulations show an increase of isolated, damaged mitochondria during the aging of the cell. The coupling of networking processes and recycling helps mitochondria to establish high qualities. A decreasing repair ability of mitochondria during cell aging drives the recycling process and helps to sustain mitochondrial qualities.
A spatially resolved model combines the qualitative behavior of mitochondria with morphological alterations depending on the energy demand of the cell. Consumers of ATP are modeled as oscillating Mie potentials, determining the mitochondrial network structure over time. In simulations, the morphological and qualitative parameters of the mitochondrial network couple to the global energy states of the cell. During phases of high energy demands mitochondrial structures condensate around the cell’s nucleus. Increases of mitochondrial masses and mitochondrial velocities lead to growing mitochondrial qualities. During the aging of the cell the mitochondrial network fragments.
The mitochondrial network was investigated experimentally in keratinocytes in the epidermis of volunteers via in-vivo measurements with multiphoton microscopy. Both, the comparison of mitochondrial structures in the stratum granulosum of a young and an old age group and the differentiation process of keratinocytes during the epidermal turnover reveal a fragmentation of the mitochondrial network.
Kurzfassung auf Deutsch: Mitochondrien produzieren das Molekül Adenosintriphosphat (ATP), um die Zelle mit Energie zu versorgen. Im Zytoplasma von eukaryotischen Zellen bilden sie ein dynamisches Netzwerk. In dieser Doktorarbeit wurde das Verhalten des mitochondrialen Netzwerks in der energetischen Struktur der Zelle untersucht.
Biologische Prozesse, wie das Netzwerken, das Recycling, oxidativer Stress und Reparaturmechanismen wirken auf Mitochondrien und ändern ihre Qualitäten in Bezug auf die Integrität ihrer DNA, ihre Versorgung mit Metaboliten und ihre Fähigkeit ATP zu produzieren. Ein biophysikalisches Modell wurde entwickelt, das mitochondriale Qualitäten über die Zeit als virtuelle Zustände einer diskreten Markov-Kette simuliert. In Simulationen zeigt sich eine Zunahme geschädigter Mitochondrien während der Zellalterung. In der Kopplung von Netzwerkprozessen und Recycling offenbart sich ein qualitätssteigernder Mechanismus. Die sinkende Reparaturfähigkeit von Mitochondrien während der Zellalterung fördert das Recycling und sorgt so für einen Qualitätserhalt in gealterten Zellen.
Ein ortsaufgelöstes Modell kombiniert das qualitative Verhalten von Mitochondrien mit morphologischen Änderungen in Abhängigkeit von der energetisch
Struktur der Zelle. Verbraucher von Adenosintriphosphat werden als oszillierende Mie-Potentiale modelliert, innerhalb derer Mitochondrien ihre Netzwerkstruktur anpassen. In Simulationen koppeln die morphologischen und qualitativen Parameter des mitochondrialen Netzwerks an die globalen Energiezustände der Zelle. In Phasen hohen Energiebedarfs kondensieren mitochondriale Strukturen um den Zellkern. Die Erhöhung mitochondrialer Massen und Geschwindigkeiten führen zu einer Steigerung mitochondrialer Qualitäten. Während der Zellalterung zeigt sich eine Fragmentierung des mitochondrialen Netzwerks.
Das mitochondriale Netzwerk wurde experimentell in den Keratinozyten der Epidermis von Probanden mit Hilfe von Multiphotonenmikroskopie untersucht. Sowohl im Vergleich mitochondrialer Strukturen im Stratum Granulosum einer jungen und einer alten Alterskohorte als auch im Differenzierungsprozess der Keratinozyten während des epidermalen Turnovers zeigt sich die Fragmentierung des mitochondrialen Netzwerks.

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