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Änderungen intramolekularer Abstände bei der Faltung des Kälteschockproteins aus Bacillus caldolyticus
(2004)
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Christine Magg
- Das kleine Kälteschockprotein Bc-Csp bildet ein beta-barrel aus fünf antiparallelen beta-Faltblattsträngen. Es faltet gemäß einem Zweizustandsmechanismus und erreicht den nativen Zustand in Abwesenheit von Denaturierungsmittel innerhalb einer Millisekunde. Um die strukturellen Veränderungen während dieser schnellen Faltungsreaktion zu untersuchen, wurden intramolekulare Abstandsänderungen mit Hilfe des Förster-Resonanzenergietransfers (FRET) bestimmt. Einzelne Tryptophanreste wurden als Donor und einzelne 5-(((acetylamino)ethyl)amino)-naphthalin-1-sulfonsäure-Reste (AEDANS) als Akzeptor in das Protein eingeführt. An der Oberfläche von Bc-Csp wurden vier verschiedene Donor- und vier verschiedene Akzeptorpositionen ausgewählt. Diese Positionen wurden zu neun einzelnen Donor-Akzeptor Proteinvarianten kombiniert, so daß Änderungen von neun intramolekularen Abständen verfolgt werden konnten. In den nativen Proteinen betrugen diese Abstände zwischen 1,4 und 2,8 nm. Für das Trp/AEDANS Paar liegt der charakteristische Transferabstand im Bereich von 2,2 nm, was ungefähr dem Durchmesser von Bc-Csp entspricht und daher sehr empfindliche Messungen ermöglicht. In den einzelnen Proteinen wurde der Abstand zwischen Donor und Akzeptor sowohl unter nativen als auch unter Entfaltungsbedingungen bestimmt. Für die gefalteten Proteine sind die gemessenen Abstände mit denen aus der Kristallstruktur von Bc-Csp vereinbar, wenn die Länge des AEDANS linker berücksichtigt wird. Bei den entfalteten Proteinen wird eine gute Übereinstimmung mit den berechneten Abständen in einer zufällig angeordneten Peptidkette gefunden. Es gibt daher keinen Hinweis auf nativähnliche Reststrukturen im entfalteten Protein. Die Mutationen und Modifikationen, um sowohl den FRET Donor als auch Akzeptor einzuführen, verringerten die Stabilität von Bc-Csp nur geringfügig und führten zu keiner Veränderung der Rückfaltungsreaktion. Die Änderungen der Transfereffizienz während der Faltung wurden in kinetischen stopped-flow-Experimenten anhand der Trp- und der AEDANS-Fluoreszenz bestimmt. Für diese beiden Sonden wurden reziproke Effekte beobachtet. Bei niedrigen Konzentrationen des Denaturierungsmittels wird bereits in der Totzeit der stopped-flow-Rückfaltungsexperimente ein Anstieg der Transfereffizienz beobachtet, der von einem schnellen Kollaps des entfalteten Proteins verursacht wird. In Abhängigkeit von der Position des Donors und des Akzeptors findet bis zu 70 % der gesamten Abstandsänderung vor dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung statt. Mit Drucksprung- und Temperatursprungexperimenten wird eine höhere Zeitauflösung erreicht, aber der Zeitverlauf des Kollapses konnte auch mit diesen Methoden nicht verfolgt werden. In der Totzeit der Temperatursprungmessungen kommt es zu einer schwachen Effizienzänderung, so daß der Kollaps möglicherweise schneller ist als 0,1 Mikrosekunden. Alle Donor-Akzeptor Proteine zeigen unabhängig vom äußerst schnellen Kollaps ein Zweizustandsverhalten im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung. Es tritt keine Abweichung von der Linearität in den Chevronauftragungen auf, und die kinetischen und die Gleichgewichts-m-Werte stimmen überein. Diese Befunde deuten auf einen kollabierten Zustand hin, der zwar eine kompakte Struktur besitzt, aber für Wasser und Denaturierungsmittel immer noch gut zugänglich ist. Beide Eigenschaften konnten mit Hilfe verschiedener Lösungsmittelzusätze bestätigt werden: Ammoniumsulfat stabilisiert den kompakten kollabierten Zustand, durch Ethylenglykol wird er hingegen destabilisiert. Ethylenglykol wird vom immer noch lösungsmittelzugänglichen Peptidrückgrat des kollabierten Zustands ausgeschlossen. Beim kollabierten Zustand handelt es sich also nicht um ein gut definiertes, teilgefaltetes Intermediat. Der entfaltete und der kollabierte Zustand von Bc-Csp sind wahrscheinlich nicht durch eine Energiebarriere getrennt, sondern bilden zusammen ein Kontinuum von Konformationen mit unterschiedlicher Kompaktheit. Thermodynamisch betrachtet können die kollabierten Moleküle so dem entfalteten Zustand zugeordnet werden. Der Kollaps der Peptidkette ist eine Reaktion auf den Transfer in ein schlechteres Lösungsmittel bei der Rückfaltung. Dieser kollabierte Zustand verzögert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Faltung nicht, und daher erfolgt die effiziente und schnelle Bildung des nativen Zustands von Bc-Csp innerhalb von Millisekunden.
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Factors regulating signal composition and task allocation in colonies of the ant Myrmicaria eumenoides
(2004)
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Lengyel Florian
- The integrity of social insect colonies is facilitated by nestmate recognition. A defining characteristic of social insect colonies is their elaborate division of labour system. Cuticular hydrocarbons (CHCs) have long been implicated in nestmate recognition. In the African ant Myrmicaria eumenoides they also appear to vary with task. The factors regulating the task allocation (i.e. division of labour), as well as the CHC profiles (i.e. signalling) are still not well understood. Both external and internal (endocrine) factors have both been postulated in the past. Most of the evidence to-date suggests that juvenile hormones (JHs) and ecdysteroids are the prime endocrine control candidates. The aim of this project is to investigate how signalling and task allocation are dynamically governed in M. eumenoides colonies. Firstly, the CHC profiles of individual workers in relation to their task (behavioural development phase) over their life span are assessed. Secondly, the influences of the two endocrinological factors (JHs, ecdysteroids) hypothesised to play a role in task allocation, as well as signalling, are investigated. 1) The behavioural transition from callow to brood-tender, and on to forager was shown to be continuous and to change in a synchronous manner in all individual M. eumenoides focus workers. In addition, all workers were shown to go through the “reserve” phase (characterised by a high degree of inactivity) before changing to foraging activities. 2) The CHC profiles of all individual workers were shown to change parallel to the behavioural development transition noted above. Overall, the CHC profile change is only quantitative, and characterised by a decrease in short-chain, and a simultaneous increase in long-chain components, as well as an increase in saturated, and a decrease in unsaturated CHCs. 3) Direct behavioural evidence, and the strong correlation of signalling with task suggests that in M. eumenoides the CHC profiles inform task decisions. Only five components were shown to contribute more then 90% to the variance between brood-tender-type and forager-type CHC profiles. This suggests that perhaps “task signalling” requires only a few CHCs. These may be of a saturated and/or unsaturated nature, but must be of a high or medium high relative concentration. 4) The levels of ecdysone and 20-hydroxyecdysone (found to be the main free ecdysteroids in workers), as well as the sum of the total free ecdysteroids in workers, are only high after eclosion, and then fall to a low, steady level within two weeks. Thus no correlation was found between the above and signalling, or task. 5) Interestingly, JH I was found (only) in the haemolymph of female M. eumenoides alates: this is the first time this JH homologue has been identified in the Hymenoptera. It is hypothesised that JH I plays a role in either flight or migratory behaviour, and is thus absent from worker haemolymph. 6) Foragers were demonstrated to have significantly higher JH III titres than brood-tenders. Exogenous JH III and JH analogue application however did not result in an observable change in, or acceleration of, the behavioural development of workers. This may however be due to the much reduced longevity of the applied workers, and the hence decreased observational period. 7) The changes from a brood-tender-type to a forager-type CHC profile are accelerated in a concentration-dependent manner by the application of JH III, and JH analogue. This appears to take place independent of task changes, resulting in e.g. brood-tending workers that display clear forager-type CHC profiles. Thus these results demonstrate for the first time that signalling in Hymenoptera is strongly influenced by JH. Several possible pathways for the action of JH III are discussed. 8) Finally, it is suggested that workers assess the colony needs using CHCs as simple, localised cues. The CHCs would thus play a key role in efficiently regulating a colony’s behaviour. Several promising approaches were also detailed with respect to further work on this topic.
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New block copolymers of Isobutylene by combination of cationic and anionic polymerizations
(2004)
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Nemesio Martínez-Castro
- The studies presented in this thesis deal with the new block copolymers of isobutylene by combination of cationic and anionic polymerizations, which are new materials with numerous promising potential applications. A new method for the synthesis of tailored polyisobutylene(PIB)-based block copolymer by combination of controlled / living cationic and anionic polymerizations has been developed. In addition and parallel to these subjects, new synthetic routes for preparation of telechelic PIBs and conductive polymers have been investigated. The PIB precursors used for subsequent anionic polymerization and other processes were prepared by controlled / living cationic polymerization of isobutylene followed by quenching with thiophene under selected conditions. Quantitative functionalization of living PIB with thiophene (T) has been achieved. The process is complicated by coupling between living PIB and PIB-T formed by in situ deprotonation. By lithiation of PIB-T a new, convenient method has been demonstrated for the synthesis of PIB-based block copolymers, involving anionic initiation of tert-butyl methacrylate. A major improvement is that for an industrial process, lithiation by n-BuLi is much more convenient than metalation by Na/K alloy, which had to be used in former processes. Block copolymers with narrow and unimodal molecular weight distribution (MWD) were synthesized under well-controlled conditions. The lithiated thiophene-capped PIB was also used to prepare four-armed star PIB via chlorosilane coupling. Using the same method, new amphiphilic block copolymers, namely PIB-b-poly(N,N-dimethylacrylamide) and PIB-b-poly(ethylene oxide) were synthesized. The anionic polymerization of N,N-dimethylacrylamide (DMAAm) was carried out with a binary initiator system prepared from thienyllithium and the Lewis acids triethylaluminium (Et3Al), diethylzinc (Et2Zn) or triethylborane (Et3B) in THF. Polymerizations proceeded in a homogeneous manner and gave polymers having controlled molecular weights. However, in presence of alkoxides the polymerization results in polymers insoluble in THF, even using Et3Al. Finally, lithiated PIB-T, in conjunction with Lewis acids, was used to initiate the living anionic polymerization of DMAAm, resulting in the new amphiphilic block copolymer PIB-b-PDMAAm. The anionic polymerization of ethylene oxide (EO) was carried out with a binary initiator system prepared from thienyllithium and the polyiminophosphazene base tBu-P4 in THF. Lithilated PIB-T- in conjunction with tBu-P4 was used to initiate the living anionic polymerization of ethylene oxide. In a second method, PIB-b-PEO was synthesized using hydroxyl end-capped PIB as macroinitiator in conjunction with tBu-P4. The aggregation behavior in dilute aqueous solutions of a PIB-b-PEO copolymer, produced from the combination of cationic and anionic polymerizations, was investigated by dynamic light scattering in aqueous solution. The monoaddition of ethylene oxide to lithiated PIB-T is demonstrated as a new pathway for the synthesis of hydroxy-functional PIB (PIB-OH). This is a useful alternative to the tedious procedures used in the literature so far. PIB-OH was successfully used as a macroinitiator for the ring-opening polymerizations of L-lactide and epsilon-caprolactone catalyzed by stannous octoate. Combination of chromatographic methods and MALDI-TOF ass spectrometry gave information about the side reactions during polymerization. Quantitative functionalization of living PIB with 2-bromothiophene has been achieved. Using various coupling methods, this polymer was convertet to a macromonomer with a pendant thiophene group, which is accessible in the 1- and 5-position. Oxidative copolymerization with thiophene led to graft copolymers consisting of polythiophene-graft-PIB.
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Biogeochemical Consequences of Hydrologic Conditions in a Tropical Montane Rain Forest in Ecuador
(2004)
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Rainer Goller
- Tropical montane forests regulate the hydrological cycles of high-elevation areas being an important service for the local population. The objectives of my work were (1) to determine the major hydrological flow paths, (2) to quantify concentrations of dissolved organic C and organic and inorganic forms of N, P, and S, and (3) to identify the major controls of the dissolved C, N, P, and S dynamics in a tropical montane forest in south Ecuador. Three 8-13 ha large microcatchments (MCs) under montane forest at an altitude of 1900-2200 m above sea level were selected. Scientific equipment was installed on five transects, about 20 m long with an altitude range of 10 m. Three unforested sites near the microcatchments were used for rainfall gauging. Within the three monitored years between May 1999 and April 2002, on average 2448 mm of precipitation fell on the study area. The delta 18O of rainfall shows large variations (-12.6 to +2.1 per mil) related to different air-masses. The delta 18O values of throughfall and lateral flow are similar to those in rainfall. Variations in delta 18O values of the soil solution and the stream water are smaller (-9.1 to -3.0 and -5.8 to -8.7 per mil) than those of rainfall, throughfall, and lateral flow. The delta 18O values in stream water increased immediately after an intense rainstorm event to isotope values similar to those of rainfall and lateral flow. This indicated that during elevated rainfall the water flows rapidly in the organic layers to the stream channel paralleling the surface. During this time the water content of the organic layer was higher than of the upper mineral soil. Results from an isotope two-component hydrograph separation for the three microcatchments showed that new rain water ('event water') contributed 44-81 % to the total stormflow runoff during one selected peak discharge. The canopy was a small and the organic layer the major source of DON, DOP, and DOS, which were almost completely retained in the mineral soil. The organically bound forms contributed, on average in all solutions, 54 %, 78 %, and 59 % to the total concentrations of N, P, and S, respectively. The contribution of organically bound forms to total nutrient concentrations was element-specific and differed among the ecosystem fluxes. The portions of DON (23-81 %) were similar and those of DOP (5-100 %) highly variable in all solutions. There were high DOS portions in the aboveground fluxes (51-100 %) and lower portions in the mineral soil (8-47 %). The pH was positively correlated with the DOC and organic N, P, and S concentrations at the scale of pedons. Increasing DOC concentrations in stream water following rainstorms indicated that rainstorms were an important control of the dissolved organic matter dynamics on a regional scale. During the passage of the water through the forest, dissolved inorganic N (DIN) and DIP concentrations increased between the canopy and the mineral soil and strongly decreased in the mineral soil. In contrast, DIS concentrations were highest in the mineral soil and stream water. Thus, the organic layer was the major source for DIN, the canopy for DIP and the mineral soil for DIS. The mineral soil was a sink for DIN and particularly for DIP. Soil drying and rewetting promoted the release of inorganic N. High discharge levels following heavy rainstorm events were associated with pulses of NO3-N and partly also NH4-N concentrations in stream water. Nitrate-N concentrations in the stream water were positively related to runoff conditions. The DIP and DIS concentrations in throughfall and stemflow were negatively correlated to the respective water fluxes, whereas DIS concentrations in the mineral soil solutions of both studied soil depths were positively related to the rainfall volume. DIN and DIP concentrations and fluxes tended to be positively related to the pH of the organic layer. My results demonstrate that nutrient dynamics were mainly controlled by hydrological conditions in the studied steep forested catchments. Furthermore, small ecosystem inputs and outputs indicated tight cycles of dissolved N, P and S in the study forest, except for DIS.
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Biogeochemical Investigations in Old Growth and Disturbed Forest Sites at Mount Kilimanjaro
(2004)
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Marion Schrumpf
- Areas covered by mountain rainforests in East Africa have important functions as catchment areas for the streams in the savannah. Still, little is known about the biogeochemical processes in these often threatened ecosystems. The current study aims to present basic information on soils and different parameters of the water and nutrient cycle in intact as well as disturbed tropical mountain rainforest sites at Mt. Kilimanjaro in order to assess the long term effects of forest dissection on biogeochemical parameters. For this purpose, the chemical and physical soil properties, soil water tension, rainfall, throughfall, litter percolate and soil solution were determined on twelve study sites in mature forest, secondary forest and elder clearings between 2100 and 2300 m a.s.l. on the southwestern slopes of the mountain. The soil water tension was monitored from May 2000 to August 2002. The simultaneously collected water samples were combined to form fortnight samples and subsequently analysed for their content of K, Mg, Ca, Na, NO3-N, NH4-N, TOC, TON, TOS and TOP. The soils, which comprised of several buried horizons, were Andisols with high C and N stocks, some hydromorphic properties and comparatively low pH values. The latter led to very small ECEC values and low base saturation. Consequently, the retention of cationic nutrients in the soil was considered to be poor. Rainfall amounts were slightly less at the higher sampling sites where the mature forest was located and differed between the study years (2600 mm and 2480 mm at 2100 m, 2210 mm and 1960 mm at 2250 m). Rainfall interception was close to zero in the clearings, but reached up to 30% of incident rainfall in both studied forest types. The analyses of the soil water tension revealed the driest conditions to be under secondary forests. The reason for this was probably a combination of the topographic position of the secondary forest sites and the forest fragmentation. Since the secondary forest sites and the clearings had higher sand contents, the water holding capacity of these sites was lower than in the mature forest. With the exception of NO3-N in the forests, all nutrients in rainfall were increased upon passage through the forest canopy, but nutrient fluxes in rainfall as well as throughfall were still low compared to other mountain rainforests, especially for Mg, Ca and K. Considering the lower biomass of the clearings compared to the forest, the amount of nutrients leached from the vegetation of the clearings was relatively high. Since NO3-N was not assimilated by the vegetation of the clearings, NO3-N throughfall fluxes were higher in the clearings as were the K fluxes, which was probably attributable to different leaf properties of the vegetation at the different sites. In the mature forest, the highest concentrations of nutrients were found in the litter percolate, followed by a pronounced decline in the soil solution. This was especially the case for K. NO3-N was an exception since it exhibited the highest concentrations only in the topsoil solution. Nutrient concentrations in litter percolate and the topsoil solution were usually higher in the clearings than in both forest types. This probably resulted in higher belowground nutrient fluxes since greater water amounts reached the ground surface in the clearings. The high belowground nutrient concentrations were likely the result of the higher mineralisation rates in the clearings induced by higher temperatures and the greater nutrient contents of the litter. With increasing soil depths, nutrient concentrations in seepage water below the clearings declined so that the differences among sites were not significant at deeper soil layers. The contribution of organically bound nutrients to the total concentrations of respective nutrients was highest in throughfall water and lowest in the soil solution, in which OM concentrations were overall lower than in other mountain forests. This was most likely attributable to the adsorption of organically bound nutrients to the mineral phase of the Andisols studied. Again, the highest concentrations in seepage water were measured in the clearings. The results show that mature forests at Mt. Kilimanjaro exhibit a more closed nutrient cycle, especially for basic cations, while the nutrient cycle in the clearings is more open. This probably reflects the different nutrient usage and conservation strategies of the pioneer and the late successional vegetation. Therefore, the forest disturbance on Mt. Kilimanjaro leads to long term changes in biogeochemical cycles. The opening of the forest at lower elevations, which resulted in the formation of large clearings with impeded regeneration and highly fragmented secondary forest patches, led to a higher spatial and seasonal variability of soil moisture and nutrient contents in seepage water. The large scale effects of these forest conversions on water yields and nutrient outputs need to be tested in the future.
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Untersuchungen zur Diffusion und Reaktion von Kohlenstoff auf Nickel- und Eisenoberflächen sowie von Beryllium auf Wolfram
(2004)
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Almut Wiltner
- Die chemische Wechselwirkung und die Diffusion von dünnen C-Schichten auf Ni- und Fe-Oberflächen sowie von Be-Schichten auf polykristallinen W-Substraten werden mit der oberflächensensitiven Analysemethode Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Dabei erfolgt die Schichtdeponierung aus der Gasphase durch Elektronenbeschuß eines Graphitstabs bzw. von metallischem Be, das in einem BeO-Heiztiegel vorliegt. Die C-Schichten werden auf Ni(100), Ni(111) und Fe(110) deponiert. Diese Substratoberflächen repräsentieren sowohl die dichtesten als auch offene Atomanordnungen. Die Bildung der entsprechenden Ni- und Fe-Carbide verläuft in einer endothermen Reaktion. Die Carbidbildung und C-Diffusion werden vom untersuchten Substrat und der jeweiligen Oberflächenatomanordnung beeinflußt. Die bei Raumtemperatur aufgebrachten C-Schichten werden mit XPS analysiert. Im C 1s-Signal wird hauptsächlich elementarer C nachgewiesen. Dieser nicht reagierte C besteht aus dem graphitischen und dem ungeordneten Anteil. Obwohl die Carbidbildungsreaktionen endotherm sind, wird auf allen untersuchten Substratoberflächen zusätzlich ein Carbidanteil nachgewiesen. Dieser Anteil ist auf das unmittelbare Interface limitiert und wird mit der Bildung eines Oberflächencarbids erklärt. Die C-Schichten werden nachfolgend geheizt. Dabei werden zwei experimentelle Verfahren angewandt. Im Verfahren I werden die Proben in Schritten von 50 bzw. 100 K bis zu einer Temperatur von 970 K für jeweils 10 bzw. 30 Minuten geheizt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur werden die Systeme nach jedem Heizschritt mit XPS analysiert. Im thermischen Verhalten zeigen sich dabei verschiedene Phasen. Das anfänglich gebildete Carbid wird zunächst zersetzt (Phase I, 370-570 K), die C 1s-Signalintensität des elementaren C-Anteils nimmt entsprechend zu. Im weiteren Temperaturverlauf wird die Phase II (>370 K) identifiziert. In dieser Phase nimmt der ungeordnete C-Anteil ab, die Signalintensität des graphitischen Anteils steigt entsprechend an. Diese Reaktion wird als Umordnungsreaktion des elementaren C-Anteils bezeichnet. Phase I und II werden auf allen Substratoberflächen im gleichen Temperaturbereich beobachtet. In Abhängigkeit von Substrat und der untersuchten Oberfläche setzt die C-Diffusion (Phase III) ein. Auf Fe(110) die C 1s-Signalintensität bei 620 K ab, gefolgt von Ni(100) bei 670 K und Ni(111) bei 770 K. Der C-Verlust innerhalb dieser Phase führt zu einer Abnahme des C 1s-Signals innerhalb von 200 K. An der Oberfläche ist nach diesem Temperaturbereich eine C-Restbedeckung von weniger als einer Monolage nachweisbar. Zur Ermittlung der kinetischen Parameter (Aktivierungsenergien) für die identifizierten Phasen werden C-Schichten im Heizverfahren II untersucht. Dabei werden die jeweiligen Systeme für mehrere Stunden bei ausgewählten Temperaturen gehalten und dabei mit XPS analysiert. In diesem experimentellen Heizverfahren kann zusätzlich die endotherme Carbidbildungsreaktion, die im Verfahren I nicht eindeutig zu identifizieren ist, charakterisiert werden. Die in beiden Verfahren ermittelten Reaktionen werden sowohl vom untersuchten Substrat als auch von der vorliegenden Struktur beeinflußt. Da die gebildeten Carbide durch die Einlagerung von C-Atomen in das Metallatomgitter entstehen, geht diese Reaktion mit der C-Diffusion einher. Die Be-Schichten werden auf polykristalline W-Substrate deponiert. Das Be 1s-Signal weist hauptsächlich metallisches Be auf. Bereits bei Raumtemperatur wird sowohl im Be 1s- als auch im W 4f-Signal eine Be-W-Mischphase nachgewiesen. Diese Mischphase wird mit der Bildung einer Oberflächenlegierung erklärt. Im Be 1s-Signal wird außerdem ein oxidischer Anteil nachgewiesen. Das thermische Verhalten der Be-Schichten ist abhängig von der anfänglich deponierten Schichtdicke. Dünne Filme (bis 1.2 nm) weisen bis 970 K eine konstante Schichtdicke auf. Werden Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von 1.2-3.0 nm aufgebracht, nimmt die Be-Menge ab 670 K innerhalb weniger Minuten deutlich ab. Die nach den Heizschritten bis 970 K an der Oberfläche verbleibende Be-Schichtdicke (1.0-.2 nm) ist mit den zuvor erwähnten dünnen Filmen vergleichbar. Be-Schichten mit einer anfänglichen Dicke von mehr als 3.0 nm zeigen eine wesentlich langsamere Abnahme der Schichtdicke bei vergleichbaren Temperaturen. Nach dem letzten Heizschritt bei 970 K ist die verbleibende Schichtdicke größer als 1.4 nm. Unabhängig von der Schichtdicke nimmt die Intensität des Legierungsanteils im Be 1s- und W 4f-Signal ab 670 K zu. Das stöchiometrische Verhältnis des Legierungsanteils in beiden Signalen deutet auf die Bildung von Be(2)W(1) hin. Nach Abschluß der Heizexperimente weisen Tiefenprofile auf eine Be-Diffusion, die auf die Be-W-Mischphase begrenzt ist, hin. Der Verlust des Be wird entsprechend mit der Be-Desorption erklärt.
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Austausch von Silizium durch die dreiwertigen Kationen von Eisen und Aluminium in CaSiO3-Perowskiten: Mechanismen und Auswirkungen auf die Mineralogie der Übergangszone
(2004)
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Ulrich Bläß
- Um den Einfluss dreiwertiger Kationen sowohl auf die strukturellen Eigenschaften von CaSiO3-Perowskit als auch die daraus resultierenden Auswirkungen auf den Erdmantel abschätzen zu können, sind Hochdruck- Hochtemperaturexperimente in den beiden Systemen CaSiO3 – CaFeO2,5 und CaSiO3 – CaAlO2,5 bei Drücken zwischen 3 und 25 GPa und Temperaturen zwischen 800° und 1900°C durchgeführt worden. Die Ergebnisse im eisenhaltigen System zeigen bei den P-T-Bedingungen der Übergangszone eine nur geringe Eisen-Löslichkeit über den Defektmechanismus (4 mol% bei 16 GPa). Diese vermutlich ungeordnete Phase ist durch eine breite Mischungslücke von einem neuartigen Defektperowskit mit Ca(Fe0,4Si0,6)O2,8 Stöchiometrie getrennt, in welchem die Ordnung von Sauerstoffdefekten innerhalb diskreter Lagen zu einer 10-fachen Überstruktur entlang der pseudokubischen [111]-Richtung führt. Bei einer Sauerstofffugazität von ca. Re-ReO2 ist dieser Defektperowskit zwischen ca. 11 bis 22 GPa und 1000° bis >1800°C stabil, zerfällt jedoch bei einer niedrigeren Sauerstofffugazität von Mo-MoO. Experimente oberhalb der Stabilität des geordneten Defektperowskits geben Hinweise auf eine erheblich ansteigende Eisen-Löslichkeit in reinem CaSiO3-Perowskit. Auf eisenreicheren Zusammensetzungen oder bei tieferen Drücken treten abgesehen von dem Endglied Ca2Fe2O5 mit Brownmillerit-Struktur keine weiteren Defektperowskite auf. Dessen Hochdruckstabilitätsgrenze ist experimentell bestimmt worden und liegt bei ca. 4,5 GPa. Die Gleichgewichts-Phasenbeziehungen aller Zusammensetzungen sind für ausgewählte Drücke beschrieben. Neben den beschriebenen Perowskit-Phasen treten als weitere Phasen im wesentlichen Dicalciumsilikat, eine calciumarme Ferritphase und teilweise Andradit auf. Vergleichbare Experimente im aluminiumhaltigen System haben die Existenz zweier Defektperowskite mit Ca(Al0,4Si0,6)O2,8 und Ca(Al0,5Si0,5)O2,8 Stöchiometrie aufgedeckt. Dabei weist erstere Phase eine analoge 10-fache Überstruktur wie der eisenhaltige Defektperowskit auf. Ihr Stabilitätsfeld ist mit ca. 9 GPa bis 18 GPa zu etwas niedrigeren Drücken verschoben bei einer gleichzeitig erhöhten Liquidus-Temperatur. Aufgrund ähnlicher Gitterkonstanten ist eine ausgedehnte Mischkristallbildung mit dem eisenhaltigen Defektperowskit zu vermuten. Der andere Defektperowskit mit Ca(Al0,5Si0,5)O2,8 Stöchiometrie besitzt dagegen entlang der pseudokubischen [111]-Richtung eine 8-fache Überstruktur mit vermutlich gleicher Ordnung von Sauerstoffleerstellen innerhalb der Defektlagen. Sein Stabilitätsfeld ist zu erheblich niedrigeren Drücken verschoben und liegt zwischen ca. 4 und 12 GPa bei ebenfalls relativ hohen Liquidus-Temperaturen. Syntheseexperimente bei P-T-x-Bedingungen unter denen keiner der geordneten Defektperowskite stabil ist, führen zu einer metastabilen Bildung von extrem feinkörnigen Defektperowskiten, welche teilweise eine partielle Ordnung der Defektlagen und eine domänenreiche Mikrostruktur aufweisen. Aufgrund dieser Resultate können in dem aluminiumhaltigen System keine Gleichgewichts-Phasenbeziehungen aufgezeigt werden. Da jedoch der Silizium-Aluminium-Austausch mit dem Einbau von Sauerstoffdefekten gekoppelt ist, ist eine mit dem eisenhaltigen System vergleichbare Löslichkeit von Aluminium in reinem CaSiO3-Perowskit zu erwarten. Alle drei Defektperowskite sind ausführlich mittels optischer Mikroskopie, Elektronenstrahlmikrosonde, Röntgen- und Elektronenbeugung, Mössbauer- und Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie sowie bezüglich ihrer Mikrostruktur am Transmissionselektronenmikroskop untersucht worden. Die Mikrostruktur aller drei geordneter Defektperowskite ist relativ arm an Versetzungen, weist jedoch eine reiche Verzwillingung nach zwei verschiedenen Gesetzmäßigkeiten auf. Zum einen handelt es sich um ferroelastische Zwillinge, welche zusammen mit einer geringfügigen Gitterverzerrung von einer rhomboedrischen Symmetrie die Existenz einer rhomboedrischen Hochtemperaturphase andeuten. Zum anderen treten Wachstumszwillinge auf, bei welchen die Überstruktur der einzelnen Domänen entlang je einer der vier möglichen pseudokubisch dreizähligen Achsen ausgebildet ist. Mögliche Strukturmodelle dieser Defektperowskite bestehen entlang der pseudokubischen [111]-Achse abwechselnd aus Defektlagen mit Silizium in vierfacher oder eventuell auch fünffacher Koordination und Blöcken mit Perowskitstruktur, welche die dreiwertigen Kationen enthalten. Das potentielle Auftreten der Defektperowskite im Erdmantel ist diskutiert. Aufgrund der Phasenbeziehungen ist eine Bildung innerhalb peridotitischer oder MORB Zusammensetzungen nicht zu erwarten. Jedoch zeigen die Experimente dieser Arbeit, dass die Konzentration an dreiwertiger Kationen in CaSiO3-Perowskiten der Übergangszone auf wenige Prozent beschränkt ist, aber möglicherweise in den oberen Bereichen des Unteren Erdmantels in Abhängigkeit von den Verteilungskoeffizienten gegenüber Magnesiumsilikat-Perowskit erheblich ansteigt.
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Bestimmung der Struktur der 15. Domäne des Multidomäneninhibitors LEKTI mittels NMR-Spektroskopie und Design einer inhibitorisch wirksamen Mutante
(2004)
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Klaus Vitzithum
- In der vorliegenden Arbeit wurde die Struktur der 15. Domäne des Multidomänen-Inhibitors LEKTI mittels NMR-Spektroskopie bestimmt, sowie die inhibitorischen Eigenschaften dieser Domäne untersucht. Das Vorläuferprotein LEKTI (lympho-epithelial Kazal-type-related inhibitor) umfasst fünfzehn Domänen, von denen die 2. und 15. Domäne zwar ein typisches Kazalmotiv zeigen, jedoch anstatt der für klassische Kazalvertreter üblichen sechs 12-13 Reste zwischen den ersten beiden Cysteinen aufweisen. Bei der schweren autosomal rezessiven Erbkrankheit Netherton Syndrom werden Mutationen im LEKTI-Gen gefunden, die eine vorzeitige Termination der Translation verursachen und daher nur zu verkürzt gebildetem LEKTI-Protein führen. Da die LEKTI-Domäne 15 bei Patienten mit Netherton Syndrom nicht exprimiert wird, ist diese besonders interessant. Einige Symptome des Netherton Syndroms legen eine Fehlregulierung der Proteinase Tryptase nahe, da diese eine Schlüsselrolle bei Überempfindlichkeitsreaktionen und Asthma einnimmt. Bei einem Sequenzvergleich des bislang einzig bekannten natürlich vorkommenden Tryptase-Inhibitors LDTI (leech derived tryptase inhibitor) mit den LEKTI-Domänen wurde eine signifikante Homologie zwischen Domäne 15 und LDTI insbesondere im Bereich der Bindungsschleife gefunden, weswegen eine regulatorische Funktion von LEKTI gegenüber Tryptase vermutet wird. Nachdem kein natürliches Material zur Verfügung stand, war es zur Gewinnung ausreichender Mengen rekombinanten Proteins, wie es für die Bestimmung der Struktur und der inhibitorischen Wirkung erforderlich ist, notwendig, ein geeignetes Expressions- und Reinigungssystem zu entwickeln. Obwohl es inzwischen einige Hinweise auf eine mögliche Prozessierung von LEKTI gibt, ist die natürliche Proteinsequenz der Domäne 15 noch nicht bekannt. Nach Vergleichen mit Kazalvertretern wurde ein 76 Aminosäuren großes Protein (dom15) hergestellt. Wie die strukturelle Charakterisierung ergab, ist dessen COOH-terminaler Abschnitt nicht strukturiert, weswegen eine COOH-terminal verkürzte Variante (dom15kurz) hergestellt wurde, die auch die Auflösung von Mehrdeutigkeiten bei NOE-Kreuzresonanzen erlaubte. Aus den homonuklearen und 15N-editierten NMR-Spektren wurden 887 (dom15kurz) bzw. 908 (dom15) experimentelle Randbedingungen gewonnen, die die Berechnung einer jeweils hochaufgelösten Struktur mit einem RMSD-Wert von 0,5 Å für die schweren Atome des Proteinrückgrats bzw. von 1,0 Å für alle schweren Atome ermöglichten. Beide Varianten zeigen ein typisches Kazal-Strukturmotiv bestehend aus einem dreisträngigen beta- Faltblatt, einer zentralen alpha-Helix und einer exponierten kanonischen Bindungsschleife. Die gegenüber klassischen Kazalvertretern zusätzlichen Reste zwischen den ersten beiden Cysteinen sind teilweise an der Ausbildung einer weiteren aminoterminalen kurzen Helix und einem hairpin-ähnlichen Motiv beteiligt und so angeordnet, dass der klassische Kazal-Faltungstyp nicht gestört wird. Sowohl die kurze als auch die lange Domäne 15-Variante zeigt eine starke und nicht-temporäre kompetitive Inhibierung von Trypsin und Plasmin bei Werten für die Inhibitionskonstanten im einstelligen nM-Bereich, jedoch keine inhibitorische Wirkung gegenüber Tryptase. Aufgrund des identischen Verhaltens dieser beiden Domäne 15-Varianten gegenüber verschiedenen getesteten Proteinasen ist anzunehmen, dass der COOH-Terminus keinen Einfluss auf die inhibitorische Wirkung der LEKTI-Domäne 15 hat. Außerdem wurde in Anlehnung an LDTI eine Variante der Domäne 15 mit nur einer Aminosäure zwischen den ersten beiden Cysteinen (dom15ldti) hergestellt. Nach oxidativer Rückfaltung zeigte dom15ldti ebenfalls eine starke inhibitorische Wirkung gegenüber Trypsin und Plasmin, wie sie auch für dom15 und dom15kurz beobachtet wurde. Dies deutet auf eine starre Bindungsschleife und ein hoch stabilisiertes Proteingerüst hin. Daher wurde ein Strukturmodell für dom15ldti auf Basis der experimentell bestimmten Struktur von dom15kurz erstellt. Reoxidiertes dom15ldti zeigte eine Inhibierung von Chymotrypsin, Elastase und Subtilisin, während dies weder für dom15 noch für dom15kurz beobachtet wurde. Dies lässt darauf schließen, dass der Bereich zwischen den ersten beiden Cysteinen einen Einfluss darauf hat, welche Proteinase inhibiert wird. Aus Überlagerungen der Strukturen von dom15kurz und der Modellstruktur von dom15ldti mit verschiedenen Proteinase-Inhibitor-Komplexstrukturen kann eine sterische Hinderung als mögliche Ursache für das unterschiedliche inhibitorische Verhalten gegenüber verschiedenen Proteinasen abgeleitet werden. Diese Erkenntnis stellt eine mögliche Grundlage für gezielte Veränderungen einer inhibitorischen Selektivität dar. Außerdem erleichtert die Kenntnis der dreidimensionalen Struktur der LEKTI-Domäne 15 die Suche nach der immer noch unbekannten Zielproteinase.
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Supercurrents in Restricted Geometries and Driven by Time-Dependent Electric Fields
(2004)
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Martin Endres
- NS Contact We studied the linear response of a normal metal superconducting metal contact to a small electric field. In a preparatory section the order-parameter profile and the density of states were calculated in equilibrium. We showed that the density of states in the normal metal is unaltered if the impurity self-energies are not taken into account while the coherence in the superconductor is always affected by the presence of the normal metal. Self-consistent calculations result in an impurity-induced proximity effect in the normal metal. This proximity effect causes a spatially constant gap in the density of states of the normal metal if the normal metal is sandwiched between two superconductors. The dynamics of the NS contact is strongly dominated by the conservation law for charge and local charge neutrality which together fully determine the current in one-dimensional systems. For answering the question how this constant current is established in the non-homogeneous NS contact, the quasiclassical equations were solved including the self-consistencies for the order parameter, the impurity self-energies, and the electrochemical potential. The latter was used to deduce an internal electric field as response to the external perturbation. The internal field is of same order as the perturbation and is caused by charges which are either bound to the interface or spread over several coherence lengths. The surface charges are not due to the step in the order parameter at the interface but solely to abrupt changes of the impurity scattering. The order parameter itself can only produce continuous charge densities. The charges are indirectly calculated using Maxwell's equations. They are of higher order in the expansion parameters of Fermi-liquid theory and are hence beyond this theory. Nevertheless, their effect has to be considered to be consistent in leading order. Weak links in He3 We investigated several methods of calculating the current-phase relation of weak links in He3. In the limit of small holes the hole itself and the current through it does not affect the order parameter in the superfluid and the current can hence be calculated using the pinhole model. This leads to a periodic current-phase relation. It was shown that the pair-breaking effect of the separating wall has no significant influence on the functional dependence of the current on the phase difference. The wall mainly reduces the amplitude of the current. For orifices with radii comparable with the coherence length, self-consistent order-parameter fields were calculated. The two fixed phases of the pinhole model are then replaced by a field which allows the phase to wind up continuously. This not only breaks the periodicity, but also leads to multivalued current-phase relations. Over a wide range the current through the orifice is linear in the phase difference between the reservoirs. Although this is expected in the hydrodynamic limit, the hydrodynamic equations are not applicable as they always fail at the edges of the circular apertures. However, calculating the current quasiclassically with the phase determined via the Laplace equation gives a fairly good approximation to the fully self-consistent solution. This approximation becomes weak for larger phase differences when pair-breaking due to the current itself has to be taken into account. Remarkably, the maximal current through the aperture is sandwiched between the pinhole current and the depairing current for a homogeneous superfluid which differ only by a factor of about two at low temperature in spite of the drastic difference of the models. A quasiclassical free-energy functional was introduced and it was stressed that this choice is not unique and that a whole zoo of different functionals exists. The functional was used to investigate the change in free energy due to the wall, the orifice, and the phase difference.
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Untersuchungen zur Herstellung strukturierter, nanoporöser Silica – Gele
(2004)
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Annette Fischer
- Nanoporöse Materialien, die über neuartige Synthesewege hergestellt werden, haben in jüngster Zeit vor allem auf speziellen Anwendungsgebieten, wie Membranen, Multilayerbauteilen oder nanostrukturierten Verbundmaterialien verstärkt für Aufsehen gesorgt. Dadurch ist der Sol – Gel – Prozess, insbesondere wegen seiner Möglichkeit sowohl Monolithe als auch dünne Schichten herzustellen in den Blickpunkt des Interesses gerückt. Durch Steuerung der Synthesebedingungen und gezielte Optimierung des Herstellungsprozesses können Porosität und andere Materialeigenschaften variiert werden, denn davon hängen Fließ- und Transporteigenschaften, katalytische Aktivität, Effizienz bei Separationsprozessen oder Adhäsionseigenschaften von Materialien dieser Stoffe ab. So werden beispielsweise akustisches Verhalten und Transporteigenschaften von der Oberflächenstruktur und den vorhandenen Poren beeinflusst. Ein Ziel aktueller Forschung ist es deshalb, Nanokomposite definierter Gestalt und Porosität zu konstruieren. Bei der Herstellung von Materialien, die für solche Anwendungen in Frage kommen, ist es also entscheidend, dass die gewünschte Struktur und die damit verbundenen Eigenschaften durch gezielte Synthese auf das Endprodukt übertragen werden können. Ein neuer Trend bei ihrer Herstellung ist der Einsatz von Templaten, z.B. organischen Verbindungen, die gezielt auf die Struktur dieser Materialien Einfluss nehmen. Eine Optimierung der Synthesebedingungen kann erreicht werden, indem man zu einer schrittweisen Synthese übergeht. Ausgangspunkt dieser step by step Synthese ist eine flüssigkristalline Tensidphase. Der anorganische Prekursor wird in dieser voraggregierten Phase gelöst ohne sie dabei zu verändern. Damit entsteht die hochgeordnete Struktur nicht erst in einem nicht kontrollierbaren Zusammenspiel von Prekursor und Templat, sondern kann systematisch eingestellt werden. Die Ordnung der voraggregierten Templatphase kann durch eine gezielte Temperaturänderung oder das Anlegen äußerer Felder (Magnetfelder) erhöht werden.
