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How availability and quality of nectar and honeydew shape an Australian rainforest ant community
(2003)
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Nico Blüthgen
- Ant communities visiting nectar and honeydew sources were studied in a tropical lowland rainforest in North Queensland, Australia. The study focused on the hypothesis whether the distribution and composition of nectar and honeydew diets influence resource partitioning and competition in the ant community, and thus regulate community composition. Ants were the most common consumers on all extrafloral nectaries, while they constituted only a minority of floral visitors. In total, 43 ant species were observed to consume nectar from extrafloral nectaries (34 plant species) or from flowers (14 plant species), and wound sap exudates (three plant species). Six nectar-foraging ant species attended trophobionts (including at least 12 species of homopterans and two species of lycaenid caterpillars) for honeydew. Ant species showed a significant compartmentalisation of nectar use across plant species, although most ant species visited a broad spectrum of plants that strongly overlapped between different ants. Trophobioses were much more specialised at the study site, and some ant species attended certain trophobionts exclusively. On each plant individual, only a single ant colony was observed attending trophobionts. In contrast, simultaneous co-occurrences between different ant species foraging for nectar on the same plant individuals were common (observed in 23% of the surveys), although these proportions varied strongly across plant and ant species. The two most dominant ant species (Oecophylla smaragdina and Anonychomyrma gilberti) had mutually exclusive territories, and they were each associated with a significantly different assemblage of other ant species on nectar plants. This community pattern corresponds with the concept of ant mosaics that is based on dominance hierarchies. Honeydew and nectar sources varied substantially in carbohydrate and amino acid concentration and composition (HPLC analyses). There was a strong relationship between the composition of these resources and their use by ants, in particular by the dominant O. smaragdina. Among all 32 nectar and honeydew sources analysed, resources actually consumed by this ant were characterised by relatively similar amino acid profiles and higher total sugar concentration. The most common diets of O. smaragdina included two honeydew sources (Sextius ‘kurandae’ membracids on Entada phaseoloides and Caesalpinia traceyi legume lianas) and two extrafloral nectars (Flagellaria indica and Smilax cf. australis) that had the broadest spectrum of amino acids. Furthermore, these trophobioses on lianas showed a significantly higher per capita recruitment of this ant species (number of workers per individual homopteran) compared to trees. F. indica and S. cf. australis extrafloral nectaries were also commonly monopolised by O. smaragdina in a similar way as trophobioses; co-occurrences were significantly rarer than at other nectar sources. Field experiments on nectar preferences were performed using artificial sugar and amino acid solutions in pairwise comparisons. Preferences among sugars were largely concordant between ant species. For most ant species, sucrose was more attractive than any other sugar, and attractiveness increased with sugar concentration. Most ant species also preferred sugar solutions containing mixtures of amino acids over pure sugar solutions. However, choices between different single amino acids in sugar solutions varied substantially and significantly between species. Preferences between solutions were significantly reduced in the presence of competing ant species. Thus the experiments show that both variability in gustatory preferences, especially for amino acids, and conditional effects of competition may be important for resource selection and partitioning in nectar feeding ant communities. Stable carbon and nitrogen isotope composition was analysed for 50 ant species, and additionally for associated plants, homopterans and other arthropods from the study site. Nitrogen isotope ratios (d15N) of ants were not correlated with those of plant foliage from which the ants were collected. Instead, d15N may represent a powerful indicator of trophic position of omnivorous ants like in other foodweb studies, suggesting that members of the ant community spread out in a continuum between largely herbivorous species, feeding on nectar or honeydew, and predatory taxa. Variability between colonies of the same species was also pronounced. d15N values of O. smaragdina colonies from mature forests, where most of their nectar and honeydew sources are found, indicate lower trophic levels than isotope signatures of colonies from open secondary vegetation. This study demonstrates that the distribution and quality of honeydew and nectar sources have a strong structuring impact in diverse tropical ant communities. Amino acids were found to play a key role for ant species preferences and competition, and for nitrogen fluxes to colonies of the arboreal ant fauna.
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Landschafts- und Vegetationsdynamik entlang renaturierter Flussabschnitte von Obermain und Rodach
(2003)
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Andreas von Heßberg
- Seit 1992 werden vom Wasserwirtschaftsamt Bamberg im Rahmen eines ökologischen Hochwasserschutzes zunehmend Flussabschnitte des Obermains und der Rodach (Oberfranken / Nordbayern) renaturiert, sodass sich auf diesen Uferbereichen wieder eine weitestgehend natürliche Auendynamik entwickeln kann. Die vorliegende Arbeit (innerhalb eines 3jährigen Forschungsprojektes [1999-2002]) befasst sich mit der quantitativen Analyse der Dynamik von Vegetations- und Landschaftsstrukturen sowie der taxonomischen und funktionalen Vegetationsdiversität auf renaturierten Uferbereichen in zwei unterschiedlichen räumlichen Maßstabsebenen. An renaturierten und nicht-renaturierten Flussabschnitten wurden 21 Dauerflächen eingerichtet, auf denen die Vegetationsstrukturen und Artenzusammensetzungen erfasst wurden. Mit wiederholten Luftaufnahmen bei Überfliegungen wurden Strukturkarten der Untersuchungsflächen erstellt. Dabei wurde der prozentuale Flächenanteil folgender Strukturelemente quantifiziert: Rohbodenflächen, krautige Vegetation, junge Gehölzvegetation, hohe Bäume, liegendes Totholz. Zur Analyse der funktionalen Diversität dienten sechs verschiedene funktionale Syndrome mit 32 funktionalen Attributen. Die Hochwasserdynamik spielt eine große Rolle im periodischen Störungsregime der beiden Flüsse. Die indirekten Störungsparameter, wie Abflusswerte oder die Überflutungsdauer der Flächen sind jedoch nur ungenügend als Maß für die Störungsdynamik geeignet. Direkte Störungsparameter (z.B. Schleppspannung) zu quantifizieren, war im Rahmen der vorliegenden Untersuchung nicht möglich. Neben der Hochwasserdynamik ist das Sukzessionsalter für Struktur- und Artendiversität auf den Renaturierungsflächen bedeutsam, wobei beide Primärfaktoren nicht klar voneinander getrennt werden können. In Jahren ohne Hochwässer entwickelt sich Vegetationsstruktur und Artenzusammensetzung in Richtung einer von Sträuchern und Gräsern dominierten Weichholzaue mit sich allmählich verringernder Artendiversität. Stärkere Hochwasserereignisse bremsen diese Vegetationsentwicklung oder versetzen sie auf einen Zustand jüngerer Entwicklung zurück. Auf Flächen mit junger Pioniervegetation können starke Hochwasser das Verschwinden der Fläche (Erosion) oder des Bewuchses (Überschotterung) bewirken. Die Biodiversität wird abrupt verringert, steigt in der Folgezeit aber aufgrund des Pioniercharakters der Fläche stark an. Auf älteren Flächen führt eine starke Störung zu einem geringern Diversitätszuwachs in der Folgezeit. Es bleibt unklar, welche Stärke und Frequenz von Hochwässern die Diversität mittelfristig am höchsten hält. Sommerhochwässer kamen im Untersuchungszeitraum nicht vor. Die Winterhochwässer bestimmen am Obermain und der Rodach den Verlauf der Sukzession in Richtung eines heterogenen Mosaiks beteiligter Strukturen, welches ohne das Störungsregime zu einer homogen strukturierten Weichholzaue tendieren würden (`Mosaik Zyklus Konzept´). Durch Einordnung der Flächen gemäß ihres Alters in eine unechte Zeitreihe kann eine mittelfristige Tendenz zu einem Rohbodenanteil von ca. 20 % gezeigt werden. Da Rohbodenflächen zwar zuwachsen, Flächen mit Gehölzvegetation aber nur in geringem Ausmaß durch Hochwässer zu Rohbodenflächen umgewandelt werden, ist der Flächenzuwachs durch Kiesbänke und die Neuentstehung von Kiesinseln besonders wichtig für die Aufrechterhaltung einer hohen Strukturdiversität. Dieses ist jedoch abhängig von den Geschiebemengen und deren Mobilisierung flussaufwärts. Die Störungsintensität und damit die Dynamik der Vegetationsstrukturen ist abhängig von der räumlichen Gestaltung und Lage der Renaturierungsfläche zum Fluss. Somit hat auch die Art der durchgeführten Renaturierungsmaßnahmen einen hohen Einfluss auf die zukünftige Flächenentwicklung und deren Biodiversität. Auf Referenzflächen entlang nicht-renaturierter Uferabschnitte ist die Struktur- und Artendiversität deutlich niedriger als auf den Renaturierungsflächen. Vor allem die für die Pionierstadien wichtigen Rohbodenflächen und damit die Keimbetten für viele Therophyten und Sträucher (Weiden) fehlen. Durch das trapezförmige Flussquerprofil mit befestigten Ufern verändern die Hochwasser die ufernahen Flächen mittelfristig kaum. An den renaturierten Uferbereichen treten mehr invasive Pflanzenarten (Neophyten) auf (4,4 Arten pro Fläche), als an nicht-renaturierten Uferabschnitten (1,2 Arten). Allerdings sind die durchschnittlichen Abundanzen der Neophyten an renaturierten Uferabschnitten signifikant niedriger (2,1 %) als an nicht-renaturierten Uferabschnitten (7,2 %). Für ein Langzeitmonitoring im hoch dynamischen Lebensraum einer Flussaue sind drei Untersuchungsjahre entschieden zu wenig. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung bekräftigen jedoch die Notwendigkeit eines weiterreichenden ökologischen Gewässerausbaus am Obermains und der Rodach zur Erhöhnung der Biodiversität und zum Schutz der natürlichen Flussdynamik. Dieses kann auch als Beispiel für vergleichbare Flüsse dienen.
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QUANTIFYING THE DISTRIBUTION OF FOREST FUNCTIONAL TYPES AND FOREST LEAF AREA INDEX IN THE ALPS
(2003)
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Albena Bobeva
- Land cover change is an important element of global environmental change processes. Most ecosystem processes strongly depend on land cover and its attributes. Mapping land cover, especially in mountain terrain is a difficult and challenging task. Remote sensing is an attractive source of thematic maps, such as those depicting land cover. Thematic mapping from remote sensing data is typically based on image classification. The image classification procedure synthesizes satellite data with field data and other ancillary data derived from a Geographic Information System (GIS - ArcInfo) coverage. The present study combines GIS and remote sensing data to produce a land cover map for the National Park Berchtesgaden and to build an extrapolation for other test areas in the Alps (Stubai and Ötz Valleys). Although a vast GIS data set had been assembled for the National Park, remote sensing was not previously used as a tool for land cover mapping and forest ecosystem analysis. For supervised classification, the maximum likelihood algorithm was used to sort and group data into discrete classes, which can be uniquely identified. Comparison and accuracy assessment with „ground truth“ data was carried out. An overall accuracy of 86% and 87% of the classification results in the National Park Berchtesgaden and in Stubai Valley, respectively, was achieved. Another important parameter determining gas exchange (water loss and carbon gain) of alpine forests is Leaf Area Index (LAI). Remote sensing provides a means to estimate LAI over large areas. To map LAI in mountain regions, Landsat TM NDVI index and SR index were examined together with forest inventory data of the Berchtesgaden National Park. “Ground truth” point grid maps for LAI were obtained through the use of allometric relationships (relating tree size and leaf area) as derived from tree harvests and together with the forest inventory database. On the basis of the forest mask derived from land classification and the Landsat vegetation indices, homogeneous forest polygons were identified. They were used for polygon by polygon correlation between LAI and vegetation indices. Mean forest polygon values were used to determine the relationships. With the derived equations, LAI was mapped at 30m resolution (Landsat data). Using the digital elevation model, the distribution of the vegetation types and LAI along elevation gradients was investigated. The results in National Park Berchtesgaden were further used in an extrapolation to classify land cover in Stubai and Ötz Valleys. Except to detect the distribution of land cover classes, supervised classification was used as a part of the algorithm for predicting forest leaf area index at the investigated sites. The digital LAI map of Stubai Valley was compared with LAI map derived from allometric relationships in Neustift (part of Stubai Valley). A correlation between NDVI and LAI in Neustift was derived. The validation results derived for coniferous forest in Neustift (Stubai Valley) show good correspondence to the results derived in Berchtesgaden. For both investigated sites, leaf area index can successfully be described with simple and reasonable correlation with NDVI.
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Molekulare Grundlagen der Erdnussallergie: Rekombinante Darstellung, biochemische und biophysikalische Charakterisierung und Struktur der Erdnussallergene Ara h 2 und Ara h 6
(2003)
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Katrin Lehmann
- Die Erdnussallergie stellt auf Grund ihrer Verbreitung und der Stärke der ausgelösten Reaktionen ein ernsthaftes Gesundheitsproblem dar. Der derzeit einzige Schutz vor den typischen Symptomen besteht in einem absoluten Verzicht auf erdnusshaltige Lebensmittel. Folglich stellt die Charakterisierung von Erdnussallergenen eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von diagnostischen und therapeutischen Ansätzen dar. Als Grundlage für biochemische und biophysikalische Studien wurde eine rekombinante Expressionsstrategie zur Herstellung von authentisch gefaltetem Ara h 2 und Ara h 6 in dieser Arbeit entwickelt. Die Strategie zur effizienten Präparation großer Mengen Protein basiert auf der Anwendung spezieller E. coli Stämme mit oxidativem Cytoplasma und eignet sich zur Expression nativ gefalteter und disulfidverbrückter rekombinanter Erdnussallergene vom 2S Albumintyp und mit hoher Wahrscheinlichkeit weiterer Mitglieder dieser Proteinfamilie. Die Integrität der Sekundär- und Tertiärstruktur, der Disulfidverbrückung und der immunologischen Reaktivität der rekombinanten Proteine wurde am Beispiel von Ara h 2 mit Hilfe von natürlichem Protein aus der Erdnuss verifiziert. Die Verfügbarkeit von authentischen rekombinanten Erdnussallergenen eröffnet neue Möglichkeiten für eine verfeinerte Diagnose allergischer Erkrankungen und für die Entwicklung von spezifischen Immuntherapien. Es konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass sich die Allergene Ara h 2 und Ara h 6 durch eine außerordentliche Stabilität gegenüber thermaler Denaturierung und proteolytischem Abbau auszeichnen. Durch CD spektroskopische Studien wurde eine Disulfidbrücken abhängige Stabilität der Sekundärstruktur bis 373 K nachgewiesen. Die Resistenz gegenüber Verdauungsreaktionen wurde an Hand der Enzyme Trypsin und Chymotrypsin untersucht. Der proteolytische Verdau von Ara h 2 und Ara h 6 resultierte in der Ausbildung heterodimerer immunologisch aktiver Produkte. Der proteolytische Angriff erfolgt innerhalb zweier definierter Bereiche. Die resistenten Kernbereiche der Proteine beinhalten eine Reihe von vor Proteolyse geschützten Schnittstellen. Die Faltungen der unverdauten Proteine und der proteaseresistenten Kernbereiche sind nahezu identisch. Die proteaselabilen Bereiche weisen keine reguläre Sekundärstruktur auf und sind von einer signifikanten Flexibilität geprägt. Die für die Erdnussallergene Ara h 2 und Ara h 6 nachgewiesene Stabilität stellt ein wichtiges Merkmal der Lebensmittelallergene dar. Je länger ein möglichst großer Proteinabschnitt intakt bleibt, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Immunantwort ausgelöst werden kann und umso stärker wird diese ausfallen. In der vorliegenden Arbeit konnte die Lösungsstruktur des proteaseresistenten Ara h 6-Kerns bestimmt und charakterisiert werden. Die resultierende Struktur besteht aus fünf alpha-Helices, die einen vor enzymatischer Spaltung geschützten kompakten Kernbereich ausbilden. Die ermittelte Struktur stellt die erste experimentell bestimmte dreidimensionale Struktur eines Erdnussallergens und die erste hochaufgelöste Struktur eines 2S Albumins dar. Die globale Faltung von Ara h 6 aus der Erdnuss ähnelt weiteren Pflanzenproteinen: den nichtspezifischen Lipidtransferproteinen, den Amylase/Trypsin-Inhibitoren und dem hydrophoben Protein aus Sojabohne. Eine wichtige Frage betrifft die Lokalisation der IgE bindenden Epitope. In früheren Studien konnten in Ara h 6 keine linearen IgE reaktiven Epitope identifiziert werden, für Ara h 2 wurden hingegen drei immunodominante Regionen beschrieben. Um die Frage nach der Lokalisation dieser Epitope innerhalb der dreidimensionalen Struktur von Ara h 2 zu klären, wurde ein molekulares Modell des Proteins auf der Basis der experimentell gelösten Ara h 6 Struktur erstellt. Sämtliche Epitope befinden sich in einem ausgedehnten Schleifenbereich und am aminoterminalen Ende des Proteins. Dieser Befund weist in Kombination mit der Kenntnis, dass die Multivalenz eines Allergens eine Voraussetzung für das Auslösen einer allergischen Antwort darstellt und mit ihrer Intensität korreliert, stark auf die Existenz von konformationellen Epitopen in Ara h 6 und Ara h 2 hin. Die Präsentation von stabilen konformationellen Epitopen auf Mastzellen führt im Allgemeinen zu einer effizienteren und stärkeren Mediatorausschüttung. Dies ist mit den beobachteten starken klinischen Symptomen bei Patienten mit Erdnussallergie konsistent. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Stabilität und Kompaktheit der Struktur sowie das potentielle Vorhandensein von konformationellen Epitopen eine Erklärung für die extreme Allergenizität der Erdnussallergene liefern kann. Die Identifizierung von IgE-bindenden Epitopen auf der Basis der dreidimensionalen Struktur der Erdnussallergene liefert eine Grundlage für die Entwicklung von veränderten Proteinen mit reduzierter Allergenizität, dem Verständnis von Kreuzallergien und der Entwicklung neuer Therapieformen.
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“Mad King Ludwig”, « Père Rhin » und “Foresta Nera”. Das Deutschlandbild in englisch-, französisch- und italienischsprachigen Reiseführern
(2003)
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Mechtild Agreiter
- Das Deutschlandbild, das von ausländischen zeitgenössischen Reiseführern gezeichnet wird, wurde in dieser Arbeit anhand aller zum 1. Januar 2000 auf dem internationalen Markt vorhandenen englisch-, französisch- und italienischsprachigen Reiseführer über Deutschland untersucht. Die von den Reiseführern beachteten Regionen Deutschlands wurden mittels quantitativer Methoden identifiziert. Die qualitative Inhaltsanalyse ließ Aussagen über Deutschland, aber auch über Regionen, die bei bestimmten Themen für ganz Deutschland stehen, zu. Es konnten anhand der Reiseführeranalyse Motive dargestellt werden, die für eine Reise nach Deutschland sprechen. Dies sind vor allem die deutsche Küche, die vorhandene Infrastruktur für Outdooraktivitäten und das romantische Deutschland. Deutschland wird von den ausländischen Reiseführern auf sehr wenige, klar umrissene und somit überschaubare Regionen und Zuschreibungen reduziert. Sie wählen für ihre Zwecke passende Highlights aus und vernachlässigen darüber in weiten Teilen die Beschreibung anderer Regionen und aktueller Entwicklungen. Die regionale Überbetonung Süddeutschlands zeigt sich vor allem darin, dass Bayern und der Schwarzwald stellvertretend für ganz Deutschland stehen. Eine Gegenüberstellung mit den tatsächlichen Zielregionen der Touristen in Deutschland aus den entsprechenden Herkunftsländern brachte eine noch stärkere regionale Fokussierung der Touristen zu Tage. Vor allem die Dominanz Bayerns wird noch deutlicher. Die Deutschlandbilder in allen Reiseführern aller Herkunftsländer weisen große Übereinstimmungen auf. Dies trifft besonders auf die regionalen Schwerpunktsetzungen zu, jedoch greifen die Reiseführer in erstaunlicher Übereinstimmung auch die gleichen, typischen Themen zu Deutschland heraus. Die vorhandenen Unterschiede zwischen den Reiseführern aus den verschiedenen Herkunftsländern liegen mehr in der Art und Weise der Behandlung der Themen und den damit verbundenen regionalen Zuweisungen. Diese Themen machen sich weniger an Deutschland fest, als dass ihre Begründung vielmehr im Herkunftsland des Reiseführerautors bzw. –verlags liegt und somit den Kundenwünschen. Alle ausländischen Reiseführer beschreiben kritische bzw. negative Aspekte in Deutschland. Sie weisen darauf hin, dass Deutschland ein zum Teil gefährliches Reiseland ist. Die Beschreibung von Sehenswürdigkeiten, die für das Dritte Reich und die beiden Weltkriege stehen ist ein deutlicher Hinweis auf die Existenz von Dark Tourism. Außerdem zeichnen die Reiseführer ein klares Bild des deutschen Paradoxons: umfangreicher Umweltschutz bei gleichzeitigem Fehlen eines allgemeinen Tempolimits.
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Strukturbestimmung des humanen Guanylin-Prohormons zur Analyse der Rolle einer Hormon-Prosequenz und Design eines löslichen Fragments der extrazellulären Domäne der Guanylatzyklase-C
(2003)
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Thomas Lauber
- Die Peptidhormone Guanylin und Uroguanylin sind als spezifische Liganden der intestinalen membrangebundenen Guanylatzyklase-C (GC-C) entscheidend an der Regulation des Flüssigkeits- und Elektrolythaushalts im Darm beteiligt. Obwohl die Rolle dieses Guanylin/GC-C Systems bei der durch die hitzestabilen bakteriellen Enterotoxine vermittelten Diarrhöe schon lange bekannt ist, kennt man bis heute keine strukturellen Details der Vorläuferproteine der GC-C-Liganden, der extrazellulären Ligandenbindungsdomäne der GC-C (GC-CECD) und der Liganden/Rezeptor-Wechselwirkung. Um zum Verständnis der biochemischen Eigenschaften des Guanylin-Prohormons beizutragen sowie den Einfluß der Prosequenz auf die Ausbildung der für die biologische Aktivität von Guanylin essentiellen Disulfidbrücken zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Struktur von humanem Proguanylin bestimmt. Weiterhin wurde als Grundlage für weiterführende NMR-spektroskopische Untersuchungen der Guanylin/GC-C-Wechselwirkung ein geeignetes Fragment der GC-CECD konstruiert. Um die Strukturbestimmung von Proguanylin zu ermöglichen, wurde zunächst ein effizientes Expressions- und Reinigungsprotokoll entwickelt, das es erlaubte, Proguanylin mit der nativen Disulfidverbrückung und natürlichen biologischen Aktivität in löslicher Form zu gewinnen. Durch den Vergleich mit dem natürlichen, aus menschlichem Hämofiltrat isolierten Prohormon wurden für beide Proteine übereinstimmende biophysikalische Eigenschaften und dreidimensionale Strukturen nachgewiesen. Des Weiteren wurde mittels analytischer Sedimentationsexperimente für beide Proteine eindeutig ein monomerer Assoziationsgrad in Lösung auch bei millimolaren Konzentrationen nachgewiesen und dadurch ein früher postulierter dimerer Zustand widerlegt. Die anschließende Berechnung der dreidimensionalen Struktur von Proguanylin erfolgte durch die Verwendung von 700 aus den NMR Spektren des homogen 15N und 13C/15N markierten rekombinanten sowie des natürlichen Proteins abgeleiteten experimentellen Randbedingungen. Die Struktur von Proguanylin in Lösung stellt einen neuen Proteinfaltungstyp dar und weist drei zu einem Bündel zusammengelagerte alpha-Helices, ein kurzes, dreisträngiges, antiparalleles beta-Faltblatt sowie einen 23 Aminosäuren umfassenden unstrukturierten Bereich auf. Da das Faltblatt durch zwei N-terminale und einen C-terminalen Strang gebildet wird, kommt es zu einer unmittelbaren Nachbarschaft der Termini. Dabei wird die Hormonregion (Reste 80-94) von Proguanylin unter anderem durch die Wechselwirkungen mit dem N-terminalen Faltblattstrang in einer Guanylin A-Isomer ähnlichen Topologie stabilisiert. Diese Kontakte bewirken außerdem eine teilweise Abschirmung der ansonsten im freien Hormon zugänglichen Oberfläche und können daher die äußerst geringe Affinität bezüglich der GC-C und die damit verbundene vernachlässigbare Aktivität von Proguanylin erklären. Eine beobachtete Wechselwirkung zwischen der für die biologische Aktivität von Guanylin essentiellen Seitenkette von Tyr88 mit Arg72 leistet einen zusätzlichen Beitrag zur Inaktivierung der Hormonregion. Die Wechselwirkungen zwischen den terminalen Bereichen in der Proguanylin-Struktur scheinen außerdem für die Ausbildung der nativen Disulfidverbrückung essentiell zu sein. Eine Bestätigung dieser Annahmen wurde aus der Analyse von Proguanylin-Mutanten erhalten, die eine strukturstabilisierende Funktion der Disulfidbrücke C48-C61 nahelegt und für einen direkten Einfluß der Prosequenz auf die Struktur der Hormonregion spricht. Basierend auf einer weiteren Mutante konnte außerdem für das homologe Uroguanylin-Prohormon ein Strukturmodell erstellt werden. Für die GC-CECD wurde ein Strukturmodell erstellt, mit dessen Hilfe die Ligandenbindungsregion auf die direkte Umgebung eines exponierten und zugänglichen Faltblattstrangs kartiert werden konnte. Daher wurde für die Wechselwirkung zwischen Guanylin und der GC-CECD ein zu den intramolekularen Kontakten zwischen Guanylin und der Prosequenz ähnliches Interaktionsmotiv postuliert. Aufgrund der Größe und des Oligomerzustandes ist die GC-CECD nicht für NMR-spektroskopische Untersuchungen zur detaillierten Charakterisierung der Wechselwirkung dieses Rezeptors mit seinen Liganden geeignet. Daher wurde ein kleineres, lösliches, strukturiertes und zur Ligandenbindung fähiges Rezeptorfragment benötigt, das in Form der als miniGC-C bezeichneten membrannahen Subdomäne der GC-CECD konstruiert wurde. Dieses Fragment erfüllt die gewünschten Anforderungen und ist zur hoch affinen Bindung des Liganden STp-(5-17) in der Lage. Zur Untersuchung des zugehörigen Komplexes stellt das entwickelte Expressions- und Reinigungssystem zur Gewinnung von rekombinantem Proguanylin gleichzeitig die Grundlage für die Herstellung von homogen 15N und 13C/15N markiertem Guanylin dar, welches für zukünftige NMR-spektroskopische Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen Guanylin und der GC-C benötigt wird.
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Kinetik der Vesikelbildung in katanionischen Tensidsystemen
(2003)
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Stefan Schmölzer
- Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Untersuchung der Kinetik der Vesikel-bildung in katanionischen Tensidsystemen. Ein wesentlicher Aspekt dabei war der Vergleich von einfachen Mischungen von anionischen mit kationischen Tensiden, bei welchen die Tenside als Salze vorlagen, mit katanionischen Amphiphilen, bei welchen als Gegenionen Protonen und OH- Ionen vorlagen. Zur allgemeinen Beschreibung der katanionischen Tensidmischungen kann das Pseudophasenseparationsmodell verwendet werden. Bei diesem Modell wird der Wechselwirkungsparameter eingeführt, da es sich bei den katanionischen Tensidmischungen nicht um ideale Mischungen handelt. Aufgrund der entgegengesetzten Ladung der einzelnen Spezies ergibt sich zwangsläufig ein starker Synergieeffekt. Aus experimentellen Daten konnte nun der Wechselwirkungsparameter für die Systeme TTAB/SL und TTAB/SC bestimmt werden, welche in gutem Einklang mit den Literaturwerten vergleichbarer katanionischer Systeme stehen. Dieser starke Synergieeffekt spiegelt sich nun in dem reichen Phasenverhalten der katanionischen Tensidmischungen wider. In dieser Arbeit wurden eine Vielzahl von katanionischen Systemen untersucht. Bei den Mischungen der Alkyltrimethylammonium-bromide mit den Natriumsalzen der Laurin- bzw. Caprinsäure zeigte sich bei konstanter Gesamtkonzentration immer ein identischer Phasenverlauf. Ausgehend von einer mizellaren Lösung, z. B. der anionischen Komponente, gelangt man bei Erhöhung des Anteils an kationischem Tensid über ein Zweiphasengebiet in die vesikuläre Phase im Bereich der Äquimolarität. In diesen salzhaltigen Systemen kommt es fast immer bei exakt äquimolarer Zusammensetzung bei Raumtemperatur zur Präzipitatbildung. Unterschiede in der absoluten Lage der Phasengrenzen sind bei unterschiedlicher Kettenlänge der Tenside festzustellen, dabei kann auch die Präzipitatbildung bei Raumtemperatur unterdrückt werden. In den salzfreien Systemen ist die Ladung der Vesikel nicht abgeschirmt und es kommt nicht zur Kondensation der Vesikelphase. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich nun mit der Untersuchung der Kinetik der Vesikelbildung der beschriebenen katanionischen Systeme. Diese wurde mit Hilfe von Stopped Flow Messungen mit unterschiedlichen Detektionsmethoden verfolgt. Es konnte festgestellt werden, dass es sich bei der Vesikelbildung um einen mehrstufigen Prozess handelt. Bei den salzhaltigen Mischungen zeigte sich, dass die Bildungsgeschwindigkeit der Vesikel stark abhängig von der Gesamtkonzentration ist und bei hoher Konzentration (> 100 mM) mitunter schon an der Auflösungsgrenze der Stopped Flow Methode liegt. Die Bildung von Mischmizellen als Vorstufen zu den Vesikeln konnte nicht explizit nachgewiesen werden. Die Aufladung, durch unterschiedliches Mischungsverhältnis von anionischem zu kationischem Tensid, zeigt keinen Einfluß auf die eigentliche Bildungsgeschwindigkeit der Vesikel. Im Zuge von Stopped Flow Messungen mit Detektion der Transmission wurde festgestellt, dass es im weiteren zeitlichen Verlauf zu einem Größenwachstum der Vesikel und zur Abnahme der Polydispersität kommt. Darüber hinaus ist bei den äquimolaren Mischungen schon die Tendenz zur Präzipitatbildung nach mehreren Minuten zu verzeichnen. Die makroskopische Auftrennung der Phasen bis zum Erreichen des thermodynamisch stabilen Endzustandes kann hier jedoch mehrere Stunden dauern. Der Einfluß der Temperatur auf die Kinetik der Vesikelbildung konnte am System TTAB/SC nachgewiesen werden. Solange man sich bei Temperaturänderung in der gleichen Phase befindet, so ändern sich die Zeitkonstanten allgemein nach der Arrhenius´schen Gleichung. Ist jedoch mit der Temperatur ein Phasenübergang innerhalb der Vesikelphase verbunden, so zeigt auch die Kinetik dementsprechend einen Knickpunkt im Verlauf der Zeitkonstanten mit der Temperatur. Im Vergleich zu den salzhaltigen Systemen wurden auch die katanionischen Ionenpaar Amphiphile hinsichtlich der Bildungskinetik der Vesikel untersucht. Mit Hilfe von zeitaufgelösten SAXS Messungen konnte an diesen Systemen eindeutig das Vorhandensein von Mischmizellen zu Beginn der Vesikelbildung nachgewiesen werden. Diese Misch-mizellen, welche einen schalen- oder scheibchenförmigen Charakter haben, lagern sich innerhalb von 500 ms in einem weitaus langsameren Prozess zu unilamellaren Vesikeln um. Diese wachsen mit einer Zeitkonstanten von 20 – 30 s an, wobei die Größenverteilung monodisperser wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte somit gezeigt werden, daß die Vesikelbildung nicht nur auf das Vorhandensein von Scherkräften zurückzuführen ist, sondern es durchaus in bestimmten Systemen sich bei der Bildung von Vesikeln um einen reinen Selbstaggregations-prozess handelt. Der kinetische Ablauf der Vesikelbildung wird dabei zu einem stark durch die Elektrostatik des Systems gesteuert. Zum anderen spielt der letztlich stabile Endzustand des Systems eine wesentliche Rolle für den zeitlichen Verlauf der Phasenbildung.
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Phase Behavior and Structural Transitions in The Mixtures of Cationic Surfactants and Hydrophobic Counterions
(2003)
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Rami Abdel-Rahem
- Anionic hydrophobic counterions with certain geometry adsorb onto the surface of cationic surfactant micelles and they minimize the repulsion between the headgroups, so the charge density on the surface is reduced. As a result of this, the micelle spontaneously changes its morphology due to a new packing for the head groups. The adsorption of 2-hydroxy-1-naphthoic acid 2,1 HNC and 6-hydroxy-2-naphthoic acid 6,2 HNC onto the surface of the cationic surfactant cetyltrimethylammonium hydroxide was studied. The results were compared to the published system 3-hydroxy-2-naphthoic acid 3,2 HNC/CTAOH. When an increasing amount of 2,1 HNC is introduced into a micellar solution of 100 mM CTAOH, one finds low viscous micellar solution, viscoelastic gel (consisting of rod like micelles), turbid region (two phase region), and viscoelastic liquid crystalline gel (consisting of multilamellar vesicles MLV with yield value). The complex viscosity (0.01 Hz) of 100 mM CTAOH rises by six orders of magnitude as the rodlike micelles form.It decreases then to the turbid region, and then rises again approximately six orders of magnitude. The second rising of the complex viscosity is accompained by the formation of a liquid crystalline phase which consists of multilamellar vesicles. This has been proven by DICM, FF-TEM and Cryo-TEM. The vesicles were polydisperse and ranged from 100 to 1000 nm in diameter. SANS detected the transition in the microstructure which was caused by changing the concentration of 2,1 HNC in the system. SANS calculations show results similar to that obtained by microscopic methods. Surprising rheological behavior was measured in the rodlike micelle region, at which storage modulus was about one order of magnitude higher than loss modulus and both were parallel in the frequency range 0.001-10 Hz. Such behavior usually indicates the presence of vesicles in the liquid crystal phases. It was proved that other rheological measurements can be used to distinguish the tow types, namely, amplitude sweep measurements, first normal stress difference N1 (Weissenbeg effect), the effect of adding electrolyte, and stress relaxation curves. When 6,2 HNC (new substitution of HNC) is added with an increasing amount to 100 mM CTAOH, a new phase behavior is observed. Here the structure changes from small micelle aggregates into rodlike micelles, and then a two phase region consisting of L1-phase and un-reacted 6,2 HNC is formed. No transition into MLV has been detected. In the case of 3,2 HNC and 2,1 HNC, the hydroxyl and the carboxyl group are neighboring, so they can effectively share in reducing the repulsion between the headgroups while the rings are in interaction with hydrocarbon tails. For 6,2 HNC the hydroxyl group is in position number 6 on the aromatic rings, which means that hydroxyl group is distant from the carboxyl group, thereby, less screening for the cationic charge in the micelle surface is obtained. Substitution of HNC plays a main role in controlling the microstructure and other physical properties such viscosity, Krafft point, ..etc. In the second part of this work, the hydrophobic counterion is fixed (2,1 HNC), and the length of the cationic surfactant‘s chain is changed from C16 into C14, C12, C10 and C8. For the system 2,1 HNC/ tetradecyltrimethylammonium hydroxide TTAOH similar phase behavior as 2,1 HNC/CTAOH is observed. At 2,1 HNC/TTAOH ratio r aproximately 1, formation of MLV is observed. After the neutralization addition of excess amount of 2,1 HNC is possible since the insoluble molecular form of 2,1 HNC becomes solublized in the formed MLV. Conductivity measurements prove that 2,1 HNC stays in the molecular form after the neutralization. A difference in the rheological behavior of the system 2,1 HNC/TTAOH compared to 2,1 HNC/CTAOH is seen. In the rodlike micelles region of 2,1 HNC/TTAOH, the solutions exhibit a short relaxation time compared to 2,1 HNC/CTAOH system. FF-TEM and SANS proved the formation of polydisperse MLV in this system with a maximum diameter of about 2000 nm and wall thickens of about 28 nm. As a result of this work, it is concluded that the role of the hydrophobic counterions with certain geometry could be looked upon as a co-surfactant with a shorter chain length which changes the bending rigidity, of the bilayer. They are surface active species that bind strongly on the micelle surface and change the packing parameter of the headgroups. It is suggested that the hydrophobicity of the counterion plays an important role in deciding the structure of the supramolecular assemblies such as vesicles, or micelles. As a consequence one can change the morphology of micelle species by changing the ratio of counterion /surfactant ion. These studies also suggest that by mixing cationic surfactant and hydrophobic counterion with varying cationic surfactants chain lengths, one can have a control over the supramolecular structures formed.
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Entwicklung transgenbasierter Systeme zur Anwendung im Rahmen der Sterilen Insekten Technik, einer ökologisch verträglichen Schädlingsbekämpfungsmethode
(2003)
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Carsten Horn
- Biologische Strategien zur Bekämpfung ökonomisch relevanter Schadinsekten bieten sich als Alternative zur insektizidbasierten Kontrolle an. Die Sterile Insekten Technik (SIT) ist eine ökologisch verträgliche Methode zur flächendeckenden Populationskontrolle. Sie beruht auf dem Prinzip der Reduktion einer Schädlingspopulation durch wiederholte Massenfreisetzungen steriler Artgenossen. Für viele Schadinsekten ist SIT am wirksamsten, wenn ausschließlich sterile Männchen freigesetzt werden. Zur Sterilisierung wird konventionell ionisierende Strahlung eingesetzt, welche die Fitness behandelter Insekten und damit die Wirksamkeit der SIT vermindert. Diese Arbeit dokumentiert die Etablierung eines Sterilisierungssystems, das Transgene anstelle ionisierender Strahlung verwendet. Das neuartige Sterilitätskonzept beruht auf supprimier-barer Induktion embryospezifischer Letalität. Um dieses Konzept im Modellinsekt Drosophila melanogaster zu realisieren, wurden 5’ genregulatorische Regionen der Zellularisierungsgene serendipity alpha (sry alpha) und nullo ausgewählt, die ausschließlich in einem engen Zeitfenster während der frühen Embryonalentwicklung aktiv sind. Diese Regulatorsequenzen steuern die Genexpression des tetracyclinkontrollierten Transaktivators tTA. Zur Erzeugung von Letalität stimuliert tTA die Expression eines hyperaktiven Allels des proapoptotischen Gens head involution defective (hid). Da die DNA-Bindung des tTA-Proteins durch Tetracyclin (Tc) inhibiert wird, kann tTA als Schalter zwischen restriktiven und permissiven Bedingungen fungieren: In Drosophila-Embryonen, die eine einfache Kopie der Transgenkombination erbten, manifestierte sich unter restriktiven Bedingungen (ohne Tc) die Letalität mit einer Penetranz von 99,9%. Unter permissiven Bedingungen hingegen (mit Tc) konnte embryonale Letalität supprimiert werden, was die kontinuierliche Produktion großer Mengen steriler Insekten ermöglicht. Mit sterilen Männchen wurden SIT-Situationen im kleinen Labormaßstab simuliert. Dabei zeigte sich, daß sterile Männchen wirksam mit fertilen Männchen um Weibchen konkurrierten und die Nachkommenzahl reduzierten. Um homologieunabhängig embryo- oder geschlechtsspezifisch aktive Enhancer in Schadinsekten identifizieren zu können, wurde in dieser Arbeit außerdem ein System zum Aufspüren von Enhanceraktivitäten etabliert. Dieses System beruht auf der kontrollierten Mobilisierung von „Mutatoren“, die auf dem Transposon piggyBac basieren und deren Reporterfunktion erfolgreich zum Nachweis von Enhanceraktivitäten eingesetzt werden konnte. Diese piggyBac-Mutatoren erwiesen sich in Drosophila melanogaster als effizient mobilisierbar und erzeugten homozygot letale Mutationen mit einer Frequenz von 7,6%. Das System besitzt somit Anwendungspotential zur funktionellen Insekten-Genomanalyse. Beide Systeme sind in ein Keimbahntransformationssystem eingebettet, das auf speziesunabhängig funktionierenden Breitband-Transposons und separierbaren Transformations-markern basiert. Diese Systeme sollten daher direkt auf Schadinsekten übertragen und auf ihre Funktionalität überprüft werden können.
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Flavonoidinduzierte phänotypische Plastizität in der Flügelfärbung des Bläulings Polyommatus icarus (Lepidoptera: Lycaenidae) und ihre Bedeutung für Partnerwahl und Arterkennung
(2003)
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Helge Knüttel
- Ich berichte über den ersten bekannten Fall, bei dem sequestrierte sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe das äußere Erscheinungsbild eines Insekts im ultravioletten (UV) Spektralbereich verändern und dadurch die visuell vermittelte Partnerwahl beeinflussen. In jüngerer Zeit wurden zunehmend Daten verfügbar, die zeigen, daß die Larven des Gemeinen Bläulings Polyommatus icarus in Abhängigkeit von der Art und dem Organ der Futterpflanze spezifisch Flavonoide unterschiedlicher Typen und Mengen sequestrieren. Während der späten Puppenentwicklung wird der Großteil der Flavonoide in die Flügel eingelagert. Bisher war nicht bekannt, ob die UV-Licht absorbierenden Flavonoide auch als Flügelpigmente wirken und die visuelle Erscheinung verändern. In umfangreichen Zuchtexperimenten zog ich Raupen von P. icarus auf fünf künstlichen Diäten auf, die sich nur im Flavonoidgehalt unterschieden, sowie auf natürlichem Futter (Blüten und Blätter von Pflanzenarten aus fünf Gattungen). Mit UV-Photographie und Spektroradiometrie konnte ich zeigen, daß die Mengen und Zusammensetzungen der Flavonoide in der Larvennahrung die Flügelmuster der resultierenden Falter im UV bestimmen. Die mittlere Reflexion weißer Flügelbereiche im UV- und im Violett-Bereich korrelierte negativ mit der sequestrierten Flavonoidmenge. Die hohe gefundene Variabilität der Flügelfärbung wurde dabei vor allem durch die unterschiedlichen Flavonoidgehalte des Futters verursacht, aber auch durch individuelle, physiologische Unterschiede der Tiere. In Labor- und Freilandverhaltensversuchen bevorzugten männliche Schmetterlinge klar flavonoidreiche, UV-absorbierende Weibchenattrappen. Diese Präferenz im Nahbereich wird visuell durch das UV-Muster der Flügel vermittelt. Verschiedene Teile und Arten von Futterpflanzen unterscheiden sich im Wert als Futterquelle, so daß ultraviolette Flügelmuster möglicherweise die Qualität eines potentiellen Paarungspartners signalisieren könnten, aber sicher kein artspezifisches Merkmal sind. Ich untersuchte weiterhin die sensorischen Eigenschaften der Männchen, das heißt der primären Empfänger visueller Signale in diesem Verhaltenskontext. Unter Verwendung der leuchtenden Pseudopupille bestimmte ich das Sehfeld sowie die Ommatidiendivergenzwinkel DeltaPhi über einen Großteil des Auges. Der Überlappungsbereich der Sehfelder war verhältnismäßig klein, das Sehfeld allerdings recht groß und wurde meist durch den eigenen Körper begrenzt. P. icarus besitzt ein Muster der Ommatidiendivergenzwinkel, wie es als typische Anpassung an den Vorwärtsflug gedeutet wird (forward flight pattern). DeltaPhi in vertikaler Richtung war über einen großen Teil des fronto-ventralen Auges kleiner als 1,0° und reichte bis auf 0,7° herunter. Es kann daher erwartet werden, daß Männchen das Fleckenmuster der Flügelunterseiten aus Entfernungen von 14-41 mm optisch auflösen können. Dies ist genau der Bereich, in dem die Männchen eine Präferenz für flavonoidreiche Weibchenattrappen zeigten. Ich diskutiere die Verwendung von Hauptkomponentenanalysen zur Untersuchung von Spektraldaten im Kontext der visuellen Kommunikation. Ich schlage die alternative Verwendung von Konfidenzintervallen gemittelter Spektren als eine neue, einfach anzuwendende statistische Methode für den Vergleich von Gruppen von Spektren unabhängig von Annahmen über das visuelle System der Empfänger vor. Zusätzlich können diese benutzt werden, um abgeleiteten Maßen für Farbe Konfidenzintervalle zu verleihen, wie etwa dem Quantenfang von Photorezeptoren.
