Bioanalytical Studies on the Effects of Chemical Compounds on the Respiratory Chain of Candida albicans focusing on Electrochemical Methods

Hassan, Rabeay Younes Abdelfattah

Candida albicans is the most prevalent human fungal pathogen. This fungus colonizes mucosa and skin in approximately 50% of healthy individuals. However, C. albicans causes opportunistic infections that range from superficial to systemic infection. Thus, new antifungal agents are urgently needed. The respiratory chain plays a role in processes such as oxidative phosphorylation, aerobic metabolism, and in the expression of virulence factors of C. albicans. Hence, the respiratory chain can be a potential drug target. The electron transport chain of C. albicans comprises three respiratory pathways, namely the classical, alternative oxidative and parallel pathway. In order to evaluate the respiratory chain status, the complexity of this structure necessities sensitive and mechanistic assays. The work presented in this study demonstrates the use of biochemical and electrochemical assays to investigate these respiratory pathways. By applying biochemical methods, the activity of the respiratory chain and the impacts of specific complexes were elucidated. For example, growth inhibition tests showed the importance of the inhibited complexes for growth in different media. Disruption of the respiratory pathway at defined points, e.g. by rotenone, increased the rate of oxygen uptake. Respiratory deficiency increased the sensitivity of C. albicans to oxidative stress induced by complex I and III inhibitors. Analysis of metabolites exhibited the role of the fermentation pathway in the cell survival. Two electrochemical approaches were applied in this study: (a) A self-mediated electron transfer approach was utilized to investigate the classical respiratory chain. By this technique the effect of complex IV inhibitors on the respiratory activity can be easily detected. (b) DCIP-mediated electron transfer approach was used to evaluate the activity of NADH-dehyrogenase (mitochondrial complex I). Moreover, this system can be used to discriminate between the different Candida strains.

C. albicans ist der häufigste humanpathogene Pilz. Er besiedelt die Haut und Schleimhäute von ungefähr 50% aller gesunden Individuen. Andererseits löst C. albicans bei Störungen des Immunsystems Infektionen aus, die oberflächlich oder systemisch sein können. Daher werden neue Antimykotika dringend gebraucht. Die Elektronentransportkette nimmt eine Schlüsselposition in Prozessen wie der oxidativen Phosphorylierung, dem aeroben Stoffwechsel und der Expression von Virulenzfaktoren von C. albicans ein. Daher kann die Atmungskette ein potenzielles Ziel für Wirkstoffe sein. Die Elektronentransportkette umfasst drei Wege, den klassischen, den alternativen oxidativen und den parallelen Weg. Um den Zustand der Atmungskette zu bewerten, sind aufgrund der Komplexizität dieser Struktur empfindliche und mechanistische Untersuchungen notwendig. In dieser Arbeit wurde der Nutzen biochemischer und elektrochemischer Untersuchungsmethoden für diese Atmungswege demonstriert. Durch die Anwendung biochemischer Methoden wurden die Aktivität der Atmungskette und die Bedeutung spezifischer Komplexe beleuchtet. Zum Beispiel zeigten Untersuchungen zur Wachstumshemmung die Bedeutung der gehemmten Komplexe für das Wachstum in verschiedenen Medien. An definierten Punkten führten Unterbrechungen der Atmungskette, z. B. durch Rotenone, zu einer Steigerung der Sauerstoffaufnahme. Atmungsdefekte erhöhten die Empfindlichkeit von C. albicans für oxidativen Stress, der durch Inhibitoren von Komplex I und III induziert wurde. Die Analyse von Metaboliten durch die Bestimmung der Gärung im Überleben der Zellen heraus. Zwei elektrochemische Ansätze wurden in dieser Arbeit verfolgt: a) Ein Ansatz über selbst-vermittelten Elektronentransfer wurde benutzt um die klassische Atmungskette zu untersuchen. Durch diese Methode kann die Wirkung von Inhibitoren von Komplex IV auf die Atmungsaktivität einfach detektiert werden. b) Ein Ansatz mit DCIP-vermitteltem Elektronentransfer wurde verwendet um speziell die Aktivität des NADH-Dehydrogenase-Komplex I zu untersuchen.

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Hassan, Rabeay Younes Abdelfattah: Bioanalytical Studies on the Effects of Chemical Compounds on the Respiratory Chain of Candida albicans focusing on Electrochemical Methods. 2011.

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