Untersuchung der Strukturdynamik arbeitender F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus in Einzelschußexperimenten mit Synchrotronstrahlung

ZusammenfassungDie ATP-Synthase koppelt im Energiestoffwechsel der Zellen den Protonentransport über die biologische Membran mit der Synthese des energiespeichernden Moleküls ATP aus ADP und Phosphat. ATP-Synthasen bestehen aus 2 Subkomplexen, wobei der katalytische F1-Teil von der membranständigen Domäne abgelöst werden kann und nur zur ATP-Hydrolyse fähig ist. Der hochkooperative Reaktionsmechanismus der dreizentrigen ATP-Synthasen ist weitgehend unklar.Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ATP-Synthasekomplex und ihr wasserlösliches katalytisches F1-Fragment aus Micrococcus luteus in präparativem Maßstab mittels chromatographischer Trennmethoden isoliert. Die Überprüfung der Funktionalität beider Enzyme erfolgte mit enzymatischen Methoden. Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung wurde die Strukturdynamik der arbeitenden ATP-Synthase und ihres F1-Fragmentes aus Micrococcus luteus im Laufe des ATP-Hydrolysezyklus untersucht. Diese Methode diente zum Nachweis weiträumiger Konformationsänderungen innerhalb der arbeitenden Enzyme unter nativen physiologischen Bedingungen. Die zeitaufgelösten Streuexperimente fanden an der ESRF (Europäische Synchrotronstrahlungsquelle) in Grenoble (F) statt. Dort wurden für beide Enzyme im Laufe des ATP-Hydrolysezykus molekulare Bewegungen nachgewiesen. Als Referenz zu den zeitaufgelösten Messungen dienten statische Messungen zur Strukturuntersuchung der Proteine am schwächeren DESY. Anhand dieser Strukturdaten wurden Molekülmodelle der F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus konstruiert. Das Molekülmodell der F1-ATPase war die Grundlage zur Modellierung einzelner Teilschritte des ATP-Hydrolysezyklus bei 20°C. Die experimentellen Daten wurden mit einer Kippbewegung der membranseitigen Domäne der katalytischen b-Untereinheiten der F1-ATPase während des ATP-Hydrolysezyklus interpretiert.

Festkörper-NMR-Spektroskopie

Die innerhalb dieser Arbeit mittels moderner Festkörper-NMR-Methoden untersuchte molekulare Dynamik in Poly(methacrylat)-Schmelzen und Polyphenylen-Dendrimeren ist durch eine bemerkenswerte Anisotropie gekennzeichnet.Die Anisotropie der molekularen Dynamik zeigt sich in geschmolzenen, ataktischen und isotaktischen Poly(ethylmethacrylaten) (PEMA) durch die Zeitskalenseparation der segmentellen alpha-Relaxation von einem etwa zwei Größenordnungen langsameren Relaxationsprozeß, welcher die Isotropisierung der Polymerhauptkette wiedergibt. Die Isotropisierungsdynamik der Polymerhauptkette wird - mit Ausnahme von PMMA - durch eine universelle, nicht-korrelationszeitenverteilte Relaxationsmode der Poly(methacrylate) quantifiziert, deren Temperaturabhängigkeit durch einen einheitlichen WLF-Parametersatz beschrieben werden kann. Geometrisch läßt sich die Isotropisierung der Hauptkette durch Sprungprozesse beliebiger Amplitude von Kettenstücken mit gestreckter all-trans-Konformation interpretieren. Die Kette zeigt eine außergewöhnliche konformative Stabilität. WAXS-Messungen deuten für PEMA und seine höheren Homologen die Existenz einer Schichtstruktur an, in der sich die steifen, polaren Hauptketten lokal in Monolagen anordnen, welche durch Bereiche zusammengelagerter Seitengruppen getrennt sind. Die Festkörper-NMR-Untersuchungen an Polyphenylen-Dendrimeren bringen zwei zentrale Aspekte in der wechselseitigen Beziehung von Struktur und Dynamik hervor. Zum einen ist die beobachtete molekulare Dynamik auf lokale Reorientierungen einzelner, terminaler Phenylringe um definierte Achsen beschränkt. Polyphenylen-Dendrimermoleküle sind unter diesen Bewegungen formstabil. Zum anderen können sowohl schnelle, als auch langsame Phenylreorientierungen nachgewiesen werden, wobei jeweils die intramolekulare Packungsdichte der Phenylringe das dynamische Verhalten der Polyphenylen-Dendrimere kontrolliert.

Computersimulationen zur Dynamik und Statik von Polybutadienschmelzen

Experimentelle Ergebnisse zeigen zwei Relaxationsprozesse inder Schmelze von Polybutadien. Der alpha Proze? derstrukturellen Relaxation wird mit zwischenmolekularen undder beta Proze? mit intramolekularen Wechselwirkungen undBewegungen in Verbindung gebracht. Es ist Ziel dieserArbeit, mit der Hilfe von molekulardynamischen Simulationen(in einem NVT Ensemble) mit einem realistischenund verifizierten United Atom Modell die mikroskopischenBewegungsprozesse bei hohen Temperaturen (240 -- 353K) zuuntersuchen und andererseits mit Gr??en zu vergleichen, dieexperimentell nachgewiesen werden k?nnen. Speziell k?nnendurch gezielte Ver?nderungen der Potentiale ihre Effekte aufdie Statik und die Dynamik studiert werden. Dazu werden dieTorsionspotentiale des chemisch realistischen Modells (CRC,Kettenl?nge 116, 45% cis, 55% trans, 40 Ketten)ausgeschaltet, um damit ein modifiziertes Modelleiner frei rotierenden Kette (FRC) zu bekommen. BeideModelle werden in ihrer Statik und Dynamik verglichen. Inder Statik stellt man nur kleine Unterschiede fest. DieTorsionswechselwirkung hat jedoch einen dramatischen Einflu?auf die Dynamik: man beobachtet beim CRC Modell eineverlangsamte, glas?hnliche Dynamik, die jedoch nicht dasSzenario der Modenkopplungstheorie erf?llt. Das gro?skaligeVerhalten ist in beiden F?llen qualitativ identisch. F?rgr??ere q Werte jedoch stellt man fest, da? abh?ngig vondem Torsionspotential die Relaxation auf zwei v?lligverschiedene Weisen verl?uft, vibratorisch im FRC Modell undvibratorisch-relaxatorisch im CRC Modell. In der van HoveFunktion wird ein Slidingproze? beobachtet, der dasVerlassen des K?figs (im CRC Modell) und den Anfang dessubdiffusiven Bereichs einl?utet. DieZeitverz?gerung diesesProzesses im CRC Modell wird mit angeregtenSpr?ngen ?ber die Torsionsbarrieren in Verbindung gebracht.Durch den Slidingproze? wird die Isotropie der Bewegung inder Schmelze f?r kurze Zeiten verletzt, eineZeitskalentrennung zwischen longitudinaler undtransversaler Bewegung wird beobachtet.

Struktur und Eigenschaften von Polyelektrolyten im schlechten Lösungsmittel

In der vorliegenden Doktorarbeit werden Struktur undEigenschaften vonflexiblen Polyelektrolyten im schlechten Lösungsmittel mitHilfe vonMolekulardynamiksimulationen studiert. Die Schwerpunkteliegen in derUntersuchung der Einzelkettenstruktur, derGegenionenverteilung undder Struktur der Polyelektrolytlösung. Dabei wird dieAbhängigkeitvon Parametern wie Dichte, Kettenlänge, Linienladungsdichte,Bjerrum-Länge und Lösungsmittelqualität behandelt. DiestarkeKopplung zwischen Gegenionenverteilung und Struktur derLösung wirdaufgezeigt und diskutiert. Die Behandlung der vollen Coulomb Wechselwirkung und dieexpliziteBerücksichtigung der Gegenionen erfordert die effizientenumerischeBehandlung von langreichweitigen Wechselwirkungen. Dazuwurde derP3M Algorithmus für massiv parallele Rechnerplattformenimplementiert, optimiert und in ein effektivesMolekulardynamikprogramm integriert. Die räumliche Verteilung der Gegenionen um diePolyelektrolyte wirduntersucht und mit dem Zellenmodell verglichen. Dabei werdenEndeffekte und die inhomogene Verteilung der Gegenionenentlang derKettenkontur quantifiziert. Dabei konnte die Analogiezwischenschwach geladenen titrierenden Polyelektrolyten und starkgeladenenPolyelektrolyten mit fixierter Ladungsverteilung zusammenmit ihrenGegenionen nachgewiesen werden. Für die Untersuchung der Einzelkettenstruktur vonPolyelektrolyten imschlechten Lösungsmittel wurde eine Methode entwickelt,sogenanntePerlenkettenstrukturen zu charakterisieren. Sowohl füreinzelneKettenkonformationen, als auch für ein statistischesEnsemble vonKetten können damit der Strukturtyp, d.h. die Anzahl derPerlen undcharakteristische Größen, wie die Perlengröße, derenAusdehnung, sowie die Steglänge bestimmt werden. Durchdiesendirekten Zugang zu den Kettenkonformationen konnten dieSchwierigkeiten, Perlenketten experimentell nachzuweisen,aufgezeigtwerden. Insbesondere sind dies die Koexistenz verschiedenerStrukturtypen, breite Verteilungen für die Perlenausdehnungund denPerlen-Perlen Abstand. Die verschiedenen, in einer Polyelektrolytlösungauftretenden,partiellen Strukturfaktoren wurden mit Hilfe vonSimulationengroßer Systeme behandelt. Für die Skalierung der Positiondesfür Polyelektrolytlösungen charakteristischen Maximums inderInter-Ketten Strukturfunktion mit der Monomerdichte wurdeein Exponent0.35 +- 0.03 gefunden. Die Ketten durchlaufen mit steigenderDichtestarke Konformationsänderungen und bilden oberhalb derÜberlappkonzentration ein transientes, physikalischesNetzwerk.

Poly(para-phenylenethinylen)e - Synthese, Charakterisierung und Eigenschaften von endfunktionalisierten Polymeren und Stäbchen-Knäuel-Diblockcopolymeren

Der erste Teil der vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit der Eignung des ?,?-dithiolfunktionalisierten Poly(para-phenylenethinylen)s (PPE) als sogenannter „molekularer Draht“ für die molekulare Elektronik. Über die HECK-CASSAR-SONOGASHIRA-Reaktion wurden vollständig endfunktionalisierte, defektfreie Polymere mit durchschnittlichen Polymerisationsgraden von bis zu 45 Repetitionseinheiten synthetisiert. Die starke Aggregationsneigung der PPE, die die Anordnung der Polymerketten zwischen den Goldelektroden unterstützen soll, wurde mittels Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopie untersucht. Für die Untersuchungen zur Dotierbarkeit wurden ESR-, ENDOR-, UPS- und XPS-Messungen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich das PPE reduzieren lässt.Im zweiten Teil der Arbeit wurden die PPE zur Synthese von Stäbchen-Knäuel-Diblockcopolymeren eingesetzt. Die Darstellung erfolgte nach der 'grafting onto'-Methode, indem monocarboxyl-endfunktionalisiertes PPE mit flexiblen monohydroxyl-endfunktionalisiertem Polyethylenglykol, Polydimethylsulfoxid bzw. Polytetrahydrofuran verestert wurde. Den Nachweis der Diblockcopolymerbildung erbrachten die 1H?NMR-Spektroskopie und die für Diblockcopolymere noch wenig angewandte MALDI-TOF-Massenspektrometrie. Mittels Rasterkraftmikroskopie und Computersimulationen zur Molekularmechanik und -dynamik wurden die Aggregationseigenschaften der Diblockcopolymere untersucht.

Zur Evolution des Cytoskeletts beim Sibirischen Stör Acipenser baeri

Im Rahmen meiner Arbeit wurden erstmals die Intermediärfilament-Proteine (IF-Proteine) des Sibirischen Störs Acipenser baeri (Strahlenflosser, Knorpelganoid) kloniert und sequenziert. Aus einer cDNA-Bank konnten die Sequenzen von 13 IF-Proteine gewonnen werden. Von insgesamt zehn Keratinen codieren sieben für Typ I-Keratine und drei für Typ II. Zusätzlich konnten noch Desmin, Vimentin und ein Lamin identifiziert werden. Je einem Typ I- (K13) und einem Typ-II-Keratin (K2) fehlen wenige Aminosäuren in der Head-Domäne.Cytoskelett-Präparationen aus Epidermis, Mitteldarm, Magen und Kieme wurden mittels 2D-PAGE aufgetrennt. Durch Einsatz des CKBB-Test und Immunoblots wurden die verschiedenen Typ I und II-Keratine sowie Desmin und Vimentin identifiziert. Die gewebsspezifische Expression der Keratine ermöglichte zumeist ihre Einteilung in 'E' (epidermal) und 'S' ('simple epithelial').Die MALDI-MS-Analyse einer 2D-PAGE-Koelektrophorese von Seitenflosse und Mitteldarm zeigte, daß die 34 vorhandenen Proteinflecke auf nur 13 verschiedene IF-Proteine zurückgehen. Neun dieser Flecke konnten Sequenzen zugewiesen werden. Zusammen mit den verbleibenden vier Proteinflecken ergeben sich für den Stör nunmehr insgesamt 17 bekannte IF-Proteine. Von drei biochemisch identifizierten IS-Keratinen kommt eines nur im Mitteldarm vor und nur einem konnte eine Sequenz zugeordnet werden (K18). Dem einzigen Typ IIS-Keratin konnte keine Sequenz zugeordnet werden, wahrscheinlich handelt es sich um dabei um das K8-Orthologe. Jedem der fünf Typ IE-Proteine konnte eine Sequenz zugeordnet werden (K10 bis K14), ebenso wie dem einzigen identifizierten Typ IIE-Keratin (K2). Von den Typ III-Proteinen wurden Desmin und Vimentin ihren Proteinflecken zugeordnet. Die nicht zugeordnete Sequenz aba-k1 codiert möglicherweise für ein IIE-Keratin, während aba-k15 vermutlich die Sequenz für ein IE-Keratin enthält. Bei den Proteinflecken, denen eine Sequenz zugeordnet werden konnten, kann für Aba-K2 die Zugehörigkeit zum IIE-Typ angenommen werden, während es sich bei Aba-K10 wahrscheinlich um ein IE-Keratin handelt.Durch Datenbankvergleiche und molekulare Stammbäume konnte die Zugehörigkeit der identifizierten Lamin-Sequenz zum B3-Subtyp der Vertebraten gezeigt werden.Die Daten der Biochemie und indirekten Immunfluoreszenzmikroskopie zeigen, daß Keratine in Epithelien und Vimentin in mesenchymalen Geweben vorkommen. Es existieren starke Hinweise, daß im letzten Gewebetyp Keratine auch koexprimiert werden. Desmin kommt in großen Mengen im Magen und im Mitteldarm vor und stellt dort das prominenteste Protein.Mit den gewonnenen Sequenzdaten wurden molekulare Stammbäume und Sequenzidentitäten berechnet. Die daraus resultierenden Konsequenzen für die Verwandtschaftsverhältnisse der verschiedenen IF-Proteine sowie der Wirbeltiere werden diskutiert.

Charakterisierung von S-Layer-Proteinen bei Prokaryoten

S-Layer sind kristalline Proteinschichten, die als Komponenten von Zellwänden in allen Zweigen der Bakterien und Archaebakterien vorkommen. Aus der Domäne der Archaea wurden die S-Layer-Proteine mesophiler, thermophiler und hyperthermophiler Methanococcales verglichen. Die Zellwand dieser Organismen besteht nur aus einer S-Layerschicht, die die Zellen vor äußeren Einflüssen schützt. Analog zu den Methanococcales wurden S-Layer-Proteine mesophiler und thermophiler Vertreter aus der Familie der Bacillaceae verglichen.Ziel dieser Arbeit war es, die S-Layer-Gensequenzen von Methanotorris igneus, Methanothermococcus thermolithotrophicus, Methanococcus vannielii, Geobacillus stearothermophilus, Bacillus sphaericus und Bacillus fusiformis zu ermitteln. Durch Vergleiche der Primärsequenzen mesophiler und (hyper)thermophiler S-Layer-Proteine sollten Hinweise auf thermostabilisierende Faktoren abgeleitet werden. Durch Verwendung geeigneter bio-chemischer und gentechnischer Arbeitsmethoden wurden die Gen- und Proteinsequenzen der S-Layer-Proteine ermittelt. Die unbekannten Genbereiche wurden durch die Entwicklung einer modifizierten Zwei- und Drei-Schritt-PCR ermittelt.Die Sequenzanalyse der archaebakteriellen und bakteriellen S-Layer-Proteine erbrachte nur für erstere Hinweise auf thermostabilisierende Faktoren. Die (hyper)thermophilen S-Layer-Hüllproteine aus der Ordnung Methanococcales zeigten gegenüber den mesophilen folgende Unterschiede:1. Zunahme von geladenen Resten;2. Abnahme von Alanin und unpolaren Resten3. Vorhandensein von Cystein4. Erhöhte Anzahl an N-glykosidischen BindungsstellenDas hyperthermophile S-Layer-Protein von Mcc. jannaschii wurde in Escherichia coli erfolgreich expremiert. Für das native Hüllprotein wurde, als ein möglicherweise weiterer thermostabilisierender Faktor eine Glykosilierung detektiert. Zudem wies das native S-Layer-Protein eine Konformationsänderung im Verlauf einer Temperaturerhöhung, bei verschiedenen pH-Werten und in Anwesenheit zweiwertigen Mangans auf. Auch das Expressionsprotein zeigte im Verlauf der Temperaturerhöhung und bei verschiedenen pH-Werten eine Konformationsänderung. Mn2+ hatte dagegen keinen Effekt und eine Glykosi-lierung war nicht nachweisbar.Die transkriptionellen und translationellen Erkennungsregionen der S-Layer-Gene aus der Ordnung Methanococcales wurden bestimmt. Basierend auf Sequenzähnlichkeiten und Gemeinsamkeiten der archaebakteriellen S-Layer-Proteine wurden diese in vier Gruppen eingeteilt.Aus dem bakteriellen Zweig wurde die Gen- und Primärsequenzen der S-Layer-Proteine von Gb. stearothermophilus DSM 2358, B. sphaericus DSM 396, B. fusiformis B3 und DSM 2898T ermittelt. Die Proteine wiesen z. T. eine geringere molekulare Masse auf als die be-kannten S-Layer-Hüllproteine aus der Familie der Bacillaceae. Das Protein von B. sphaericus DSM 396 zeigte eine Diskrepanz zwischen der theoretischen (85 kDA) und experimentell (120 kDa) ermittelten Molmasse. Erstmals wurde für die S-Layer-Proteine von B. fusiformis B3 und DSM 2898T eine vermutliche Dimerbildung festgestellt. Basierend auf den N-terminalen Sequenzähnlichkeiten wurden die S-Layer-Proteine aus der Familie der Bacillaceae in vier Gruppen eingeteilt.

Differenzierung von Reviergesängen und mitochondrialem Cytochrom-b in drei ausgewählten Singvogelgattungen (Aves, Passeriformes: Genus Regulus, Genus Seicercus und Parus major)

ZusammenfassungLautäußerungen von Singvögeln (Passeriformes) werden gemeinhin als Träger phylogenetischer Information betrachtet, obwohl direkte Nachweise in vergleichend bioakustischen Studien rar sind. Dieser Thematik widmet sich meine Dissertation am Beispiel dreier Singvogelgruppen: Goldhähnchen (Regulus), Goldbrillenlaubsänger (Seicercus) sowie verwandter Laubsänger (Phylloscopus) und Kohlmeisen (Parus major). Neben der Erhebung bioakustischer Daten wurde für jede Gruppe eine molekulare Phylogenie basierend auf Cytochrom-b-Sequenzen erstellt und für verschiedene akustische Merkmale Homoplasie-indizes berechnet (CI, RI und RC). Die phylogenetisch informativen Gesangsstrukturen innerhalb der Gattungen Regulus und Seicercus/ Phylloscopus sind sämtlich Syntaxmerkmale, zumeist der Gesamtstrophe, seltener von Strophenabschnitten. Bei den Goldhähnchen (Regulus) sind solche Syntaxmerkmale angeboren, Elementmerkmale hingegen sind erlernt und phylogenetisch nicht informativ. Die innerhalb der Kohlmeisen homogene Gesangssyntax ist erst auf höherer taxonomischer Ebene (Gattung Parus) ein informatives Merkmal. Der mittels einer Merkmalsmatrix berechnete akustische Divergenzindex zwischen Taxonpaaren steigt signifikant proportional zur genetischen Distanz. Damit ist erstmalig der Zusammenhang zwischen genetischer und akustischer Differenzierung quantifiziert. Die molekulare Phylogenie erhellt zudem bislang ungeklärte phylogenetische Beziehungen innerhalb aller drei Taxa. Diese werden im Hinblick auf das phylogenetische und das biologische Artkonzept diskutiert. Der Artstatus des Teneriffa-Goldhähnchens (Regulus teneriffae) sowie der bokharensis-Kohlmeisen ist fragwürdig aufgrund ihrer engen Verwandtschaft zu zu einzelnen Subspezies der Wintergoldhähnchen bzw. der Kohlmeisen.

Analysing the role of short stop during the formation of synaptic terminals in Drosophila melanogaster

Diese Arbeit untersucht die Funktion des Spektraplakin Proteins Short Stop (Shot) während der strukturellen Differenzierung von synaptischen Endigungen in Drosophila melanogaster. Im Allgemeinen scheinen Proteine der Spektraplakin Familie multiple Protein-Protein Interaktionen mithilfe ihrer unterschiedlichen modularen Domänen zu vermitteln. In der vorgelegten Arbeit sollten spezifische Domänen identifiziert werden, die für die Ausbildung synaptischer Endigungen notwendig sind. Hierzu wurden shot-Funktionsverlustmutationen, für die zum Teil molekulare Information über die Mutationsereignisse erhältlich sind, anhand von verschiedenen Markern für synaptische Proteine analysiert. Ferner konnten einzelne Protein Domänen von Shot in neuronalen Geweben mithilfe des Gal4/UAS-Systems exprimiert und ihre Lokalisation untersucht werden. Darüber hinaus wurden immunohistochemische Studien unter Verwendung von Antikörpern, welche spezifisch für unterschiedliche Shot Protein Domänen sind, ausgeführt. Schließlich sollte das Yeast-two-Hybrid’-System sowie genetische Studien Interaktionspartner von Shot identifizieren. Die Unterschiedlichen experimentellen Ansätze deuten darauf hin, dass die einzelnen Protein Domänen von Shot unterschiedliche Protein-Protein Interaktionen vermitteln. Der N-Terminus von Shot scheint essentiell für die Ausbildung motorneuronaler Endigungen zu sein. Außerdem konnten mehrere potentielle Interaktionspartner identifiziert werden, so dass die hier beschriebenen Ergebnisse eine Grundlage für weitere Studien zur Untersuchung der strukturellen Differenzierung synaptischer Endigungen darstellen.

Das Hämocyanin zweier lebender Fossilien: Nautilus pompilius und Nucula nucleus

Als erste vollständige cDNA-Sequenz eines Muschel-Hämocyanins wurde das Nucula nucleus-Hämocyanin (NnH) sequenziert. Es besteht aus den beiden Isoformen NnH1 und NnH2, die eine Identität von etwa 61 % aufweisen. Beide sind aus acht funktionellen Domänen a-h aufgebaut, von denen die C-terminale Domäne h jeweils eine Extension von etwa 100 Aminosäuren besitzt. Auf Sequenzebene weist das Muschel-Hämocyanin eine eigentümliche Deletion im Bereich der ersten Kupferbindungsstelle und eine auffällig niedrige Anzahl an potentiellen N-Glykosylierungsstellen auf. Genomische Teilsequenzen bestätigen die Konservierung der Linkerintrons in Phase und Position, was bei den internen Introns nicht zu erkennen ist. Letztere konnten in den für die Domänen NnH1-d, NnH1-e und NnH2-c codierenden Genabschnitten nachgewiesen werden. Einen neuen Aspekt lieferte das interne Intron in NnH2-c, da es nur in einer der beiden Isoformen vorkommt. Das zweite sequenzierte Hämocyanin stammt von dem „lebenden Fossil“ Nautilus pompilius (NpH). Es wurde sowohl auf cDNA- als auch auf genomischer Ebene vollständig sequenziert und besteht aus sieben funktionellen Domänen, wobei die C-terminale Domäne h fehlt. Zu seinen Eigentümlichkeiten gehört neben 13 potentiellen N-Glykosylierungsstellen, von denen sich zwei innerhalb von Linkerregionen befinden, eine Deletion im Bereich der ersten Kupferbindungsstelle von NpH-g. Neben den konservierten Linkerintrons liegt ein Intron innerhalb des Signalpeptids sowie in den Genabschnitten für NpH-a und NpH-g. Dagegen ist weder zwischen dem Signalpeptid und NpH-a noch innerhalb der 3’UTR ein Intron vorhanden. Anhand der neuen Sequenzdaten wurde eine phylogenetische Analyse durchgeführt, in der sich die funktionellen Domänen von NnH als Schwestergruppe zu den korrespondierenden Domänen der Gastropoden anordnen. Den Erwartungen entsprechend stellt sich NpH basal innerhalb der Klasse der Cephalopoden. Phylogenetische Analysen mit der vollständigen Hämocyanin-Sequenz lösen die Verwandtschaftsverhältnisse der Klassen zueinander nicht auf, was auf schnelle Radiation schließen lässt. Die Gruppierungen innerhalb der Klassen werden dagegen sehr gut unterstützt. Mittels einer Distanzmatrix wurde eine molekulare Uhr berechnet, für deren Eichpunkt die Cephalopoden-Gastropoden-Aufspaltung vor 520 Millionen Jahren gewählt wurde. Die Entstehung der Acht-Domänen-Untereinheit fand danach vor 732 (± 33) Millionen Jahren statt. Die Trennung der Gastropoda und Protobranchia erfolgte vor 494 (± 50) Millionen Jahren, was mit Fossilfunden der Nuculidae aus dem Ordovicium übereinstimmt. Vor 396 (± 55) Millionen Jahren gingen aus einer Genduplikation die beiden Isoformen des Nucula nucleus-Hämocyanins hervor. Innerhalb der Cephalopoden wurde die Trennung zwischen Nautiloidea und Coleoidea auf 415 (± 24) Millionen Jahre zurückdatiert. Nach Fossildaten liegt der Trennungszeitraum der beiden Gruppen 470 - 400 Millionen Jahre zurück, was gut zu den Hämocyanin-Daten passt.

Funktionelle Analyse von Dystroglycan in der sich entwickelnden Hühnerretina durch in-ovo-Elektroporation

Alpha- und Beta-Dystroglycan, die zentralen Komponenten eines multimeren Dystrophin-assoziierten Proteinkomplexes wurden bislang im Wesentlichen in der Skelettmuskulatur charakterisiert. Dort stellt der DAG eine molekulare Verbindung zwischen dem Aktin-Zytoskelett der Muskelfaser und einer Basalmembran her, die die einzelne Muskelfaser umhüllt. Dystroglycan vermittelt auf diese Weise die mechanische Festigkeit der Muskelfasern während der Kontraktion. Außerdem dient der DAG als Gerüst für die Anlagerung von Proteinen. Mutationen in den strukturgebenden oder signaltransduzierenden Proteinen des DAG verursachen Muskeldystrophie. Besonders schwere Muskeldystrophien werden durch Mutationen hervorgerufen, die eine veränderte Glykosylierung von Dystroglycan und damit eine verminderte Bindung von alpha-Dystroglycan an Matrixproteine verursachen. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Basalmembranbiosynthese sowie sich daraus ergebende Störungen in der Migration, Schichtung und Differenzierung von Nervenzellen im ZNS. Welche Rolle Dystroglycan im sich entwickelnden ZNS spielt, sollte in dieser Arbeit an der Hühnerretina untersucht werden. Durch Anwendung der in ovo Elektroporation wurden zwei modifizierte Dystroglycankonstrukte in Neuroepithelzellen transfiziert. Die Überexpression eines verkürtzten Dystroglycanproteins, verursachte eine Abrundung der Neuroepithelzellen. Dies führte zur Hyperproliferation der Zellen deren Folge die Bildung von Verdickungen in der Retina war sowie eine verstärkte Bildung postmitotischer Neurone. Die Elektroporation eines nicht-spaltbaren Dystroglycans, führte im Gegensatz dazu zu einer Abnahme der Anzahl proliferierender und differenzierender Nervenzellen. Als Konsequenz veränderte sich die Orientierung der Axone von retinalen Ganglienzellen. Nach der Überexpression des verkürzten Dystroglycans verloren die Axone ihre zentripetale Orientierung auf den optischen Nerv, während die Elektroporation von Wt-Dystroglycan und nicht-spaltbarem Dystroglycan nur einen gelegentlichen Richtungswechsel der Axone verursachte. Die Daten zeigen, dass Dystroglycan einen entscheidenden Einfluss auf die Proliferation, Differenzierung und Polarität der Neuroepithelzellen ausübt. Dies geschieht vermutlich durch die Vermittlung der Adhäsion des Endfußes von Neuroepithelzellen an die Basalmembran. Die Veränderungen nach der Überexpression der modifizierten Dystroglycankonstrukte liefern möglicherweise eine Erklärung für den ZNS-Phänotyp der sich bei verschiedenen Formen von Muskeldystrophie zeigt.

Molekulardynamiksimulationen zur Untersuchung des Mischalkali-Effektes in silikatischen Gläsern

In der vorliegenden Arbeit wird mittels Molekulardynamik(MD)-Computersimulationen die Dynamik von verschiedenen Alkalisilikaten in der Schmelze und im Glas untersucht. Es ist bekannt, daß diese Systeme ionenleitend sind, was auf eine hohe Mobilität der Alkaliionen im Vergleich zu den glasbildenden Komponenten Si und O zurückzuführen ist. Im Mittelpunkt des Interesses steht der sog. Mischalkalieffekt (MAE), der in ternären Mischungen aus Siliziumdioxid mit zwei Alkalioxiden auftritt. Gegenüber Mischungen mit nur einer Alkaliionensorte weisen letztere Systeme eine signifikante Verlangsamung der Alkaliionendiffusion auf. Zunächst werden zwei binäre Alkalisilikate simuliert, nämlich Lithiumdisilikat (LS2) und Kaliumdisilikat (KS2). Die Simulationen zeigen, daß der Ursprung der hohen Mobilität der Alkaliionen in der Struktur begründet ist. KS2 und LS2 weisen auf intermediären Längenskalen Ordnung auf, die in partiellen statischen Strukturfaktoren durch Prepeaks reflektiert ist. Die den Prepeaks zugrundeliegende Struktur erklärt sich durch perkolierende Netzwerke aus alkalioxidreichen Kanälen, die als Diffusionskanäle für die mobilen Alkaliionen fungieren. In diesen Kanälen bewegen sich die Ionen mittels Sprüngen (Hopping) zwischen ausgezeichneten Plätzen. In der Simulation beobachtet man für die hohen Temperaturen (4000K>=1500K) eine ähnliche Aktivierungsenergie wie im Experiment. Im Experiment findet allerdings unterhalb von ca.1200K ein Crossover in ein Arrheniusverhalten mit höherer Aktivierungsenergie statt, welches von der Simulation nicht nachvollzogen wird. Das kann mit der in der Simulation nicht im Gleichgewicht befindlichen Si-O-Matrix erklärt werden, bei der Alterungseffekte beobachtet werden. Am stärksten ist der MAE für eine Alkalikomponente, wenn deren Konzentrationsanteil in einem ternären Mischalkalisystem gegen 0 geht. Daher wird ein LS2-System untersucht, in dem ein Li-Ion gegen ein K-Ion getauscht wird. Der Einfluß des K-Ions ist sowohl lokal in den charakteristischen Abständen zu den ersten nächsten Nachbarn (NN) zu sehen, als auch in der ortsaufgelösten Koordinationszahlverteilung bis zu Längenskalen von ca. 8,5 Angstrom. Die Untersuchung der Dynamik des eingesetzten K-Ions zeigt, daß die Sprungwahrscheinlichkeit nicht mit der Lokalisierung, einem Maß für die Bewegung eines Teilchens um seine Ruheposition, korreliert ist, aber daß eine chemische Umgebung mit wenig Li- und vielen O-NN oder vielen Li- und wenig O-NN ein Sprungereignis begünstigt. Zuletzt wird ein ternäres Alkalisilikat (LKS2) untersucht, dessen Struktur alle charakteristischen Längenskalen von LS2 und KS2 aufweist. Es stellt sich also eine komplexe Struktur mit zwei perkolierenden Subnetzwerken für Alkaliionen ein. Die Untersuchung der Dynamik zeigt eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür auf, daß Ionen in ein Subnetzwerk andersnamiger Ionen springen. Auch kann gezeigt werden, daß das Modellpotential den MAE reproduzieren kann, daß also die Diffusionskonstanten in LKS2 bei bis zu einer Größenordnung langsamer sind als in KS2 bzw. LS2. Der beobachtete Effekt stellt sich zudem vom funktionalen Verlauf her so dar, wie er beim MAE erwartet wird. Es wurde auch festgestellt, daß trotz der zeitlichen Verzögerung in den dynamischen Größen die Anzahl der Sprünge pro Zeit nicht geringer ist und daß für niedrige Temperaturen (d.h.im Glas) Sprünge auf den Nachbarplatz mit anschließendem Rücksprung auf die vorherige Position deutlich wahrscheinlicher sind als bei hohen Temperaturen (also in der Schmelze). Die vorliegenden Resultate geben Aufschluß über die Details der Mechanismen mikroskopischer Ionenleitung in binären und ternären Alkalisilikaten sowie dem MAE.

The swelling behaviour of polyelectrolyte networks

Being basic ingredients of numerous daily-life products with significant industrial importance as well as basic building blocks for biomaterials, charged hydrogels continue to pose a series of unanswered challenges for scientists even after decades of practical applications and intensive research efforts. Despite a rather simple internal structure it is mainly the unique combination of short- and long-range forces which render scientific investigations of their characteristic properties to be quite difficult. Hence early on computer simulations were used to link analytical theory and empirical experiments, bridging the gap between the simplifying assumptions of the models and the complexity of real world measurements. Due to the immense numerical effort, even for high performance supercomputers, system sizes and time scales were rather restricted until recently, whereas it only now has become possible to also simulate a network of charged macromolecules. This is the topic of the presented thesis which investigates one of the fundamental and at the same time highly fascinating phenomenon of polymer research: The swelling behaviour of polyelectrolyte networks. For this an extensible simulation package for the research on soft matter systems, ESPResSo for short, was created which puts a particular emphasis on mesoscopic bead-spring-models of complex systems. Highly efficient algorithms and a consistent parallelization reduced the necessary computation time for solving equations of motion even in case of long-ranged electrostatics and large number of particles, allowing to tackle even expensive calculations and applications. Nevertheless, the program has a modular and simple structure, enabling a continuous process of adding new potentials, interactions, degrees of freedom, ensembles, and integrators, while staying easily accessible for newcomers due to a Tcl-script steering level controlling the C-implemented simulation core. Numerous analysis routines provide means to investigate system properties and observables on-the-fly. Even though analytical theories agreed on the modeling of networks in the past years, our numerical MD-simulations show that even in case of simple model systems fundamental theoretical assumptions no longer apply except for a small parameter regime, prohibiting correct predictions of observables. Applying a "microscopic" analysis of the isolated contributions of individual system components, one of the particular strengths of computer simulations, it was then possible to describe the behaviour of charged polymer networks at swelling equilibrium in good solvent and close to the Theta-point by introducing appropriate model modifications. This became possible by enhancing known simple scaling arguments with components deemed crucial in our detailed study, through which a generalized model could be constructed. Herewith an agreement of the final system volume of swollen polyelectrolyte gels with results of computer simulations could be shown successfully over the entire investigated range of parameters, for different network sizes, charge fractions, and interaction strengths. In addition, the "cell under tension" was presented as a self-regulating approach for predicting the amount of swelling based on the used system parameters only. Without the need for measured observables as input, minimizing the free energy alone already allows to determine the the equilibrium behaviour. In poor solvent the shape of the network chains changes considerably, as now their hydrophobicity counteracts the repulsion of like-wise charged monomers and pursues collapsing the polyelectrolytes. Depending on the chosen parameters a fragile balance emerges, giving rise to fascinating geometrical structures such as the so-called pear-necklaces. This behaviour, known from single chain polyelectrolytes under similar environmental conditions and also theoretically predicted, could be detected for the first time for networks as well. An analysis of the total structure factors confirmed first evidences for the existence of such structures found in experimental results.

Responsive Bürstenpolymere

'Responsive' Bürstenpolymere Bürstenpolymere sind definiert verzweigte Makromoleküle, die aus einer Hauptkette und vielen darauf (kovalent) gepfropften Seitenketten bestehen; ist der Pfropfungsgrad hoch und die Hauptkette wesentlich länger als die Seitenketten, dann haben sie die Form semiflexibler molekularer Zylinder. Lassen sich Form bzw. Ausdehnung eines solchen Zylinders gezielt ansteuern, dann könnten diese Moleküle entweder als (Nano-)Sensoren für die entsprechende Umgebungsbedingung oder als molekulare Motoren eingesetzt werden. Die Idee responsiver Bürstenpolymere beruht auf folgender Überlegung: Die gestreckte Konformation der Hauptkette ist entropisch gegenüber einem entsprechenden Knäuel benachteiligt, weshalb sie ,molekulare Federn‘ darstellen, die auf Änderung der repulsiven Wechselwirkung zwischen den Seitenketten reagieren. Dies wurde für den Wechsel zwischen gutem und schlechtem Lösungsmitteln untersucht. Ein zweites Konzept zur Änderung der Molekülform beruht auf der intramolekularen Phasentrennung (,Segmentbildung‘) miteinander unverträglicher Seitenketten in selektiven Lösungsmitteln, da die Hauptkette durch Ausbildung von Mikrophasen entlang des Moleküls ebenfalls aus ihrer gestreckten Form gebracht werden sollte. Die dritte Möglichkeit zur Änderung der Konformation ist die intramolekulare Vernetzung von Seitenketten, die ebenfalls zu verringerter Abstoßung und damit zur Verkürzung der Zylinder führen sollte. Eine weitere wichtige Untersuchung der Arbeit war der Übergang einer geknäuelten Hauptkette zu einer gestreckten Bürste als Funktion der Pfropfdichte. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden zylindrische Bürstenpolymere durch ,Grafting Trough‘ und ,Grafting Onto‘ synthetisiert (PS bzw. PI/PS und PnBMA/PMAA mit Kern/Schale- und ,Segment‘-Architektur) und systematisch Pfropfdichte, Vernetzungsgrad (Vernetzung durch gamma-Bestrahlung) und Lösungsbedingungen verändert. Die Möglichkeit gezielter Ansteuerung der Konformationsänderung durch Vernetzung konnte nach polymeranaloger Modifikation von PI/PS-Bürstenpolymeren durch Photovernetzung und vernetzende Komplexierung erfolgreich bestätigt werden. Zur Untersuchung der Probenreihen wurden AFM, Licht- und Neutronenstreuung herangezogen. Die Analysen bestätigten konsistent die Änderung von Steifigkeit, Zylinderquerschnitt und Streckung der Hauptkette durch Variation von Pfropfdichte, Vernetzung und Lösungsmittelqualität. Für die Änderung der Pfropfdichte gehorchen die Parameter dabei Potenzgesetzen.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.