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Einsatz von Methoden des Wissenschaftlichen Rechnens zur Untersuchung dissipativer Strukturen in Immunzellen

Slaby, Oliver

English Title: Application of numerical methods of scientific computing for investigation of dissipative structures in immune cells

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PDF, German (Dissertation)
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Abstract

Experimentelle Beobachtungen exotischer metabolischer Wellenphänomene zusammen mit gegenseitig phasengekoppelten NAD(P)H- und Calcium-Oszillationen in menschlichen Neutrophilen wurden publiziert. Da diese Phänomene Basis einer Kontroverse über ihre Charakteristiken und ihr Auftreten sind, stellt diese Arbeit eine mathematische Studie dieser Phänomene dar. Ziel des theoretischen raumzeitlichen Modellierungsansatzes ist es, einen plausiblen biochemischen Mechanismus zu entwickeln, der prinzipiell das Auftreten solcher Oszillationen und Wellenphänomene in Neutrophilen erklären kann. Das mathematische Modell schlägt dabei einen Calcium-kontrollierten Glucose-Einfluss in die Zelle als treibende Kraft der metabolischen Oszillationen vor und die reichhaltigen NAD(P)H-Wellenphänomene werden durch eine mögliche Rolle der Zellgeometrie und räumlich inhomogener Enzymverteilung erklärt. Die Modellierungsergebnisse sollen weitere Diskussionen zu den kontrovers diskutierten Phänomenen und experimentelle Bemühungen anregen, um die Existenz und die Charakteristiken von intrazellulären Dynamiken aber auch die biochemische Basis der zeitlichen und raumzeitlichen Calcium-Signalen und metabolischen Dynamiken in Neutrophilen aufzuklären. Unabhängig der experimentellen Beobachtungen in Neutrophilen stellt diese Arbeit eine generelle Studie zum Auftreten solcher Phänomene in Zellen dar, da keine Annahmen getroffen werden, die absolut spezifisch für Neutrophile sind.

Translation of abstract (English)

Recently, exotic metabolic wave phenomena together with mutually phase-coupled NAD(P)H- and calcium-oscillations have been observed in human neutrophils. Since these phenomena are the basis of a controversy about their characteristics and occurence, this work presents a mathematical feasibility study concerning these phenomena. The aim of the theoretical spatiotemporal modeling approach is to propose a possible and plausible biochemical mechanism which would in principle be able to explain such oscillations and wave phenomena in neutrophils. Our modeling suggests the possibility of a calcium-controlled glucose influx as a driving force of metabolic oscillations and a potential role of polarized cell geometry and differential enzyme distribution for various NAD(P)H wave phenomena. The modeling results are supposed to stimulate further controversial discussions of the phenomena and experimental efforts to finally clarify the existence and charakteristics of intracellular dynamics and the biochemical basis of any kind of temporal and spatiotemporal patterns of calcium signals and metabolic dynamics in neutrophils. Independent of experimental observations in neutrophils, they present a general feasibility study of such phenomena in cells since model assumptions are not exclusively neutrophil specific.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lebiedz, Dr. PD Dirk
Date of thesis defense: 24. October 2008
Date Deposited: 31. Oct 2008 09:59
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: Neutrophile , Wellen und Oszillationen , metabolische Dynamik , Calcium Signaltransduktion , raumzeitliche Modellierungneutrophils , waves and oscillations , metabolic dynamics , calcium signaling , spatiotemporal modeling
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