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Zur Planung und Steuerung von komplexen rechnerintegrierten Fertigungssystemen (CIM) ist die Abarbeitung vieler extrem aufwendiger Algorithmen notwendig. Aus dem Bereich der Fertigungssteuerung zählt die Generierung von Maschinenbelegungsplänen (scheduling) dazu. Zur Steigerung der Lösungsgeschwindigkeit bzw. zum Erreichen exakter Ergebnisse bietet sich der massive Einsatz von Rechenparallelität an. Mit Parallelrechnern ist durch die gleichzeitige Verwendung von vielen Prozessoren potentiell eine sehr große Leistungssteigerung zu erreichen. Dafür muß jedoch die vorhandene Parallelität effektiv genutzt werden. Die dazu erforderliche Verteilung der anstehenden Arbeit auf eine große Menge von Prozessoren heißt Lastverteilung und stellt den Kern dieser Arbeit dar. Als allgemeiner Algorithmus zur Lösung kombinatorischer Optimierungs-probleme wird das Branch-and-bound-Verfahren eingesetzt und auf fein-körnigen Parallelrechnerarchitekturen ausgeführt. Zur Lastverteilung werden folgende drei Ansätze verfolgt und untersucht: " Statische Lastverteilung: Es werden mehrere Methoden zur Initialisierung der Prozessoren, welche vor dem eigentlichen Optimierungsalgorithmus ausgeführt werden, analysiert. Es zeigt sich, daß sich die statische Last-verteilung überproportional stark auf die Laufzeit des nachfolgenden Branch-and-bound-Algorithmus auswirkt. Es ist daher wichtig, der bisher unterschätzten statischen Lastverteilung für die parallele Baumsuche mit realen Problemstellungen, besondere Aufmerksamkeit zu schenken. " Dynamische Lastverteilung: Es wird ein vereinfachtes, gut skalierbares Flüssigkeitsmodell als erste synchrone lokale Lastverteilung entwickelt, welche besonders für Parallelrechner mit kurzer Verzögerungszeit beim Aufbau von Kommunikationsverbindungen effizient ist. Die Methode wird mit dem bekannten, aus dem Asynchronen übertragenen, Mittelungs-Ansatz verglichen. Zum analytischen Vergleich wird als ein realistischeres Aufwandsmaß die Kommunikationsmenge statt der üblichen Anzahl von Kommunikationsschritte verwendet. Der in der Prozessoranzahl bisher benötigte quadratische Zeitaufwand wird durch das Flüssigkeitsmodell auf einen linearen Aufwand reduziert, wobei das Flüssigkeitsmodell auch bzgl. der konstanten Zeitfaktoren signifikant effizienter ist. " Implizite Lastverteilung: Zur Vermeidung von Wartezeiten der unbe-teiligten Prozessoren während der Lastverteilung wird der Lastverteilungs-prozeß mit dem Branch-and-bound-Prozeß verschmolzen. Das neuartige Konzept der k-Expansion unterstützt eine automatische Lastverteilung und approximiert eine globale Suchstrategie. Zur Validierung der Ergebnisse werden Simulationen und Experimente mit einem Satz von Benchmark-Problemen durchgeführt. Der zugrunde liegende SIMD-Rechner ist eine MasPar MP-1 mit 16.384 Prozessoren in einem 2- dimensionalen Torus. Als exemplarische, NP-harte Anwendungsdomäne werden statische, non-operationale Planungsprobleme betrachtet.
Fabric reinforced thermoplastic composites, suitable for the production of thin-walled, high
strength structural parts, are available on the market today with various fibre/matrix combinations.
However, further market penetration and series production are inhibited as long as forming
technologies are not well understood. In this thesis, the potential for series production of different
forming technologies is evaluated. Stamp forming is an efficient way to produce parts in
very short cycle times. A limiting factor to part complexibilty is undesired wrinkle formation as
a consequence of insufficient fabric shear. Fabric shear and other important deformations of impregnated
fabrics were examined by means of new test devices. Evidence was found that membrane
tension is the crucial factor to avoid wrinkle formation. New tool concepts and processing
Windows were developed to produce fabric reinforced thermoplastic parts free of wrinkles and
distortions.
Um stationäre bzw. quasi-stationäre Ohmsche Ströme in leitenden Medien berechnen zu können, wird aus komplexifizierten Maxwellschen Gleichungen mittels des Clifford Produktes eine vereinheitlichte hyperkomplexe Feldgleichung hergeleitet. Für, längs einer Achse translationsinvariante, komplexe Leitfähigkeitsfelder wird eine Dimension absepariert und die verbleibenden 2 Raumdimensionen mit der komplexen Zahlenebene identifiziert. Diese Identifikation kann durch den Clifford Formalismus explizit und völlig kanonisch definiert werden, da sowohl die komplexen Zahlen als auch Ortsvektoren in der Clifford Algebra enthalten sind. Da direkt die Spinor Feldgleichung gelöst wird, treten Eichprobleme, wie sie bei entsprechenden Potentialgleichungen üblich sind, erst gar nicht auf. Durch die Liftung der Spinor Feldgleichung vom \(\mathbb{R}^2 \to \mathbb{C}^2\) wird sofort ersichtlich wie wichtig monogene (holomorphe) Funktionen für die Lösung dieser Gleichung sind.
Die zugehörige Randbedingung ist im allgemeinen weder rein vom Neumannschen noch vom Diricheltschen Typ. Ausgehend von elementaren Lösungen für \(\delta\)-Quellen in Gebieten konstanter Leitfähigkeit, werden durch Fortsetzung dieser Lösungen mittels der Randbedingung Feldlösungen für zusammengesetzte Gebiete konstruiert.
Im Gegensatz zu Gebieten mit nur einem Rand, ist es für mehrfach berandete Gebiete viel schwieriger, die lokalen Lösungen so anzupassen, daß alle Randbedingungen erfüllt sind. Deshalb wird eine neue Lösungsmethode vorgestellt, welche die lokalen Feldgleichungen und alle Randbedingungen durch sukzessive Konstruktion von Spiegelpolreihen löst. Dieses Verfahren wird anhand einiger Klassen von geometrischen Konfigurationen erläutert, deren topologische Unterschiede sich direkt auf die Struktur der Spiegelpolverteilungen auswirkt.
Bei der Diskussion wird besonders der Fall von N kreisförmigen Anomalien in einer Kreisscheibe hervorgehoben, da diese Klasse von Problemen auch von besonderem Interesse in der medizinischen Physik, im Bereich der Impedanz-Tomographie ist. Die Lösungen erlauben die Variation der Zusammenhangszahl über die relativen Leitfähigkeitsdifferenzen. Studien der Potentialverteilung auf dem Rand, wie sie für die elektrische Impedanz-Tomographie wesentlich sind, werden zum Teil durch numerische, als auch durch analytische Berechnungen durchgeführt. Komplexe Potentiale können aus den Feldlösungen leicht berechnet werden, indem die typischen Polterme \(\displaystyle{1 \over z-p}\) durch die komplexen Logarithmen \(- \log(z-p)\)
ersetzt werden.
Das elektrische Potential ergibt sich aus dem Komplexen als dessen Realteil. Der Imaginärteil hat eine große Bedeutung bei der Visualisierung der Vektorfelder. Es wird gezeigt, daß die Höhenlinien dieses Imaginärteils, der aus der Strömungsmechanik auch als Strömungsfunktion bekannt ist, gerade die Feldlinien des zugehörigen Feldes liefert.
Für die elektrische Impedanz-Tomographie wird am Beispiel einer kleinen, konzentrisch positionierten Anomalie das Auflösungsvermögen diskutiert, woraus unter anderem eine optimale Lage der Einprägepole resultiert. Aus den analytischen Ergebnissen ist eindeutig zu erkennen, daß sich maximale Potentialänderungen auf dem Rand bei diametral angeordneten Einprägepolen ergeben.
Die für die Visualisierung der Felder nötigen Studien von Strömungsfunktionen, lieferte unter anderem auch eine Berechnungsmöglichkeit von Strömungsfunktionen für Felder im \(\mathbb{R}^3\)! Des weitern wird eine mögliche Wahl der Schnitte dieser mehrblättrigen Funktion für den Fall der Kreisscheibe mit N Anomalien explizit gegeben und die Vorteile dieser speziellen Wahl anhand numerischer Studien aufgezeigt. Typische Darstellungen von Feld- und Potentiallinien, von Verteilungen von Spiegelpolen, sowie von Potential und Strömungsfunktionen selbst, verdeutlichen die Vorteile dieses Lösungsverfahrens. Für sehr viele, in der Praxis wichtige Konfigurationen ist vor allem die große Konvergenzgeschwindigkeit ein Vorteil, welcher es ermöglicht Feldlinienbilder dieser Lösungen in kurzer Zeit auf einem PC zu erstellen.
In der vorliegenden Arbeit wird die Methode der Molekulardynamik benutzt, um das Transmissionsverhalten von niederenergetischen Sauerstoffionen durch dünne Edelgasfilme mit Hilfe von klassischen Wechselwirkungs-Potentialen zu untersuchen. In einer quantenmechanischen Form, der sogenannten Tight-Binding Näherung, wird die Molekulardynamik verwendet, um die Dynamik des Phasenübergangs von der Flüssigkeit, oder vom Gas, zur amorphen Phase von Silizium, oder von hydrogenisiertem Silizium, zu untersuchen. Ich simuliere ein Experiment von N. J. Sack et. al., in dem Sauerstoffionen durch Elektronenbeschuß von einer WOx-Oberfläche desorbiert wurden und deren Transmissionsverhalten durch dünne Edelgasfilme gemessen wurde. Wenn in der Simulation nur elastische Streuung durch Paarpotentiale zugelassen wird, finde ich gute Übereinstimmung für die Transmissionsausbeuten zwischen Experiment und Simulation für Xe- und Kr-Filme. Die große Anzahl der gefundenen Transmissionen kann auf den kleinen Wechselwirkungsradius der Sauerstoffionen zurückgeführt werden. Die Diskrepanz zwischen Experiment und Simulation, die für Ar-Filme zu verzeichnen ist, wird auf elektronisch inelastische Wechselwirkungen oder strukturelle Effekte im Experiment zurückgeführt. In einem einfachen geometrischen Modell kann ich die Transmissions-Daten der Simulation für Xe- und Kr- Filme interpretieren, nicht jedoch die Daten für Ar-Filme. Dieses geometrische Modell wird dann zur Interpretation eines weiteren, ähnlichen Experiments von N. J. Sack et. al. herangezogen. Neue dynamische Gleichungen für klassische und quantenmechanische Molekulardynamik im kanonischen - , Enthalpie - und freien Enthalpie Ensemble werden vorgeschlagen. Ich zeige, daß Atome, die in den neuen dynamischen Gleichungen in der Zeit propagiert werden, die Phasenraum-Verteilungsfunktionen der entsprechenden Ensembles korrekt abtasten. Basierend auf einem verallgemeinerten Liouville Theorem werden numerische Integrations-Algorithmen entwickelt, die die fundamentalen Symmetrieen der dynamischen Gleichungen respektieren. Silizium gehört zu den am besten studierten Materialien überhaupt. In theoretischen Untersuchungen wird flüssiges und amorphes Silizium üblicherweise ohne Kontrolle des Drucks untersucht. In dieser Arbeit wird gezeigt, daß Druckkontrolle in der Beschreibung sowohl einer thermodynamischen Phase als auch in Phasenübergängen in der Simulation wichtig ist. Der Übergang von der flüssigen zur amorphen Phase von Silizium in einer Tight-Binding Beschreibung mit und ohne Druckkontrolle führt zu Strukturen, die halbleitend mit Druckkontrolle und nicht halbleitend ohne Druckkontrolle sind. Weiterhin werden Evidenzen gefunden, die die Erweiterung der üblichen minimalen Valenzbasis des Siliziums durch d-Orbitale nahelegen, um korrekte Resultate speziell für flüssiges Silizium zu erhalten. Amorphes hydrogenisiertes Silizium ist technisch wichtig, da die Bandlücke durch Wasserstoffgehalt und Herstellung beeinflußt werden kann. In dieser Arbeit wird ein mikroskopisches Modell für amorphes Silizium, erhalten durch Abkühlung eines Silizium-Wasserstoff Gases, mit Hilfe der Molekulardynamik in einer Tight-Binding Beschreibung simuliert. Die Rolle des Wasserstoffs im amorphen Netzwerk wird mit Hilfe einer Vielzahl von Korrelationsfunktionen aufgezeigt. Diese Korrelationsfunktionen demonstrieren die hohe Flexibilität des Wasserstoffs. In Übereinstimmung mit neueren NMR-Daten von Y. Wu et. al finde ich im amorphen Netzwerk eine Klusterung der Wasserstoffatome, die die Tendenz zweier Wasserstoffatome reflektiert unabgesättigte Silizium Bindung, die sich ohne Wasserstoff zu ungünstigen Bindungsgeometrien vereinigen würden, zu passivieren.
In dieser Arbeit wurden Cophoto- und Cothermolysen einer Serie von alkylierten und silylierten Cyclopentadienylcobaltcarbonylen mit weißem Phosphor untersucht. Dazu wurden einige neue Komplexe des Typus [CpRCo(CO)2] mit CpR= (C5(Me2-1,3)iPr3), (C5H3(Me3Si)2-1,3), (C5H2(Me3Si)3-1,2,4) sowie des Zweikernkomplexes [{CpRCo(micro-CO)}2] mit CpR= (C5(Me2-1,3)iPr3) hergestellt. Neben den vorgenannten Komplexen wurden die bereits literaturbekannten Verbindungen [CpRCo(CO)2] mit CpR= (C5Me5), (C5H4(Me3Si)) als Edukte eingesetzt. Die präparative Zugänglichkeit von drei- bis vierkernigen Cobaltkomplexen mit unsubstituierten P8-, P10- und P12-Liganden konnte beträchtlich erweitert werden. Die thermische Reaktion von Dicarbonyl(trimethylsilylcyclopentadienyl)cobalt mit weißem Phosphor führt in sehr guten Ausbeuten zur Bildung des Clusters [{CpRCo}4P4] (CpR= C5H4(Me3Si)). Die Röntgenstrukturanalyse eines Trillingskristalls läßt lediglich eine ungefähre Bestimmung des Schweratomgerüstes als quadratisches Antiprisma zu. Die Umsetzung von Dicarbonyl(1,3-bis(trimethylsilyl)cyclopentadienyl)cobalt mit weißem Phosphor ergibt unter geeigneten Bedingungen (140°C, 3d) selektiv und in sehr hoher Ausbeute den Vierkernkomplex [{CpRCo}4P10] (I) (CpR= C5H3(Me3Si)2-1,3). Mit I konnte erstmals ein Cobaltkomplex mit einem P10-Liganden röntgenographisch charakterisiert werden. Der Schweratomkäfig in I läßt sich von der Nortricyclanstruktur ableiten. Interessantes Merkmal ist die Koordination eines Cobaltfragmentes an eine P-P-Kante in einer Weise, die einen Zustand zwischen der side-on-Koordination an diese sigma-Bindung und der Insertion in diese Kante darstellt (d(P-P) = 2.47 Å). Die photochemische Reaktion von Dicarbonyl(1,3-bis(trimethylsilyl)cyclopentadienyl)cobalt mit weißem Phosphor ergibt je nach Stöchiometrie die Komplexe [{CpRCo}3P4(CO)] (II) bzw. [{CpRCo}2P4] (III) (CpR= C5H3(Me3Si)2-1,3), die röntgenographisch charakterisiert wurden. Komplex II ist ein arachno-Cluster, der formal von einem zweifach überkappten trigonalen Prisma abgeleitet werden kann. Die längsten P-P-Abstände in II liegen mit d(P-P, Mw.) = 2.51 Å an der Obergrenze bekannter bindender P-P-Wechselwirkungen. Verbindung III ist ein Vertreter einer Serie von [{CpRCo}2(micro,eta2:2-P2)2]-Komplexen, welche ein rechteckig verzerrtes Co2P4-Oktaeder als Schweratomgerüst aufweisen. Es wurden Röntgenstrukturen der Komplexe mit CpR= (C5((CH3)2-1,3)iPr3), (C5H3(Me3Si)2-1,3), (C5H2(Me3Si)3-1,2,4) bestimmt. Diese Verbindungen weisen kurze P-P-Abstände mit d(P-P) = 2.054 bis 2.064 Å sowie P-P-Kontakte von d(P...P) = 2.679 bis 2.713 Å auf.
In der vorliegenden Arbeit wurde die chirale Induktion cholesterischer Phasen von unverbrückten 1,1'- Binaphthylen und über die 2,2'-Position verbrückten 1,1'-Binaphthylen untersucht, um eine Struktur/Wirkungsbeziehung zu entwickeln. Dazu wurden enantiomerenreine 1,1'-Binaphthyle (2 - 7) sowie ihre deuterierten Analoga (1, 3 - 7) für die 2H-NMR-Spektroskopie und die Racemate für die UV-Spektroskopie (3 - 7) synthetisiert. Die Verbindungen 6 und 7 sind bisher in der Literatur nicht beschrieben. Alle untersuchten Verbindungen bestehen aus Molekülen mit der Symmetriegruppe C2, sind inhärent dissymmetrisch (Klasse C) und als hinreichend starr anzusehen, so daß nur der intermolekulare Chiralitätstransfer zu diskutieren ist. Es zeigt sich, daß die chirale Induktion, ausgedrückt durch die helical twisting power (HTP), dann zum einen durch die chiralen Strukturelemente der Verbindungen und zum zweiten durch die Orientierung der Verbindungen in der Phase bestimmt wird. Verbrückte und unverbrückte 1,1'-Binaphthyle verhalten sich so unterschiedlich, daß sie in ihren Mechanismen getrennt diskutiert werden müssen. Über die 2H-NMR-Spektroskopie und z.T. über die polarisierte UV-Spektroskopie ergab sich für die verbrückten 1,1'-Binaphthyle (4, 5 und 6) daß die Orientierungsachse x3* etwa in Richtung der Naphthyl-Naphthyl- Bindungsrichtung liegt. Nimmt man Verbindung 4 als Basis und führt am Brückenatom einen spiro-verknüpften Cyclohexylring (Verbindung 5) oder als Brücke eine Di-tert.-butyl-Silizium-Gruppe ein (Verbindung 6), so wird die Ordnung bezüglich S* erniedrigt und die molekulare Biaxialität D* vergrößert. Ein spiro-verknüpfter Acetal- Fünfring zusätzlich zum Cyclohexylring von 5 (Verbindung 7), führt bei 7 zu einem Kippen der Orientierungsachse in Richtung der C2-Symmetrieachse. Das Ordnungsverhalten von 3 ließ sich nach I. Kiesewalter [Dissertation, Universität Kaiserslautern, 1999] und E. Dorr [Dissertation, Universität Kaiserslautern, 1999] nicht eindeutig bestimmen. Die Ergebnisse aus dem 2H-NMR sprechen bei 3 für eine Drehung der Orientierungsachse, die dann senkrecht zur C2-Symmetrieachse und der Naphthyl-Naphthyl-Bindungsrichtung steht. Mit den so erhaltenen Ordnungsparametern führt bei 3 der Versuch, die Lage des Hauptachsensystems aus dem 2H-NMR mit den Ergebnissen aus der anisotropen UV-Spektroskopie zu verifizieren, was für alle anderen untersuchten Verbindungen gelingt, zu Widersprüchen, die bisher nicht aufgelöst werden konnten. Das Chiralitätselement, das die HTP der verbrückten 1,1'-Binaphthyle bestimmt, wird durch die Verdrehung der beiden Naphthyl-Ebenen gegeneinander um einen Winkel theta gebildet, wobei zwischen theta = 0 Grad und theta = 180 Grad entgegen der Literaturbeschreibung keine achirale Nullstelle exisitiert. Die Substitution am Brückenatom erhöht die HTP woraus geschlossen werden kann, daß durch den Cyclohexyl-Substituenten eine dritte Ebene eingeführt wird, die mit den Ebenen der Naphthyle ein bzw. zwei neue Chiralitätselemente bildet, die zur HTP einen Beitrag leisten. Bei Verbindung 7 führt die veränderte Ordnung zu einem stärkeren Induktionseffekt, d.h. einem verstärkten intermolekularen Chiralitätstransfer. Bei unverbrückten 1,1'-Binaphthylen (1 bis 3), die weit niedrigere HTP-Werte als 4 bis 7 besitzen, findet man bei einer Verbindung (3) mit sterisch aufwendigen Substituenten in 2,2'-Position eine Vorzeichenumkehr der HTP. Dieser Effekt wurde von Gottarelli et al. als eine Umkehr der Helizität der 1,1'-Binaphthyle interpretiert. Diese Interpretation erweist sich als unzulässig, weil sie keine reale physikalische Basis hat. Bei unverbrückten 1,1'- Binaphthylen kann sich durch Aufdrehen des Diederwinkels theta das Orientierungsverhalten verändern und die Orientierungsachse drehen, was durch das Modell von Nordio bestätigt wird. Da dem Modell von Nordio ein spurloser Helizitätstensor zugrunde liegt, kann eine Veränderung der Tensorkoordinaten des Ordnungstensors unter bestimmten Voraussetzungen zu einer Vorzeichenumkehr der HTP führen. Wegen der Befunde aus der CD- Spektroskopie, die eine im Mittel transoide Konformation für die unverbrückten 1,1'-Binaphthyle ausschließen, kommt die Nordio'sche Interpretation für die hier untersuchten unverbrückten 1,1'-Binaphthyle nur unter der Annahme in Frage, daß bei den unverbrückten 1,1'-Binaphthyle eine breite Verteilung über den Diederwinkel theta vorliegt (LAM-Verhalten). Die theoretische Beschreibung der HTP, die von Nordio eingeführt wurde, erlaubt es nicht, die HTP eines Dotierstoffes in seiner Temperaturabhängigkeit zu beschreiben. Berechnet man mit Hilfe experimentell bestimmter Ordnungsparameter auf Basis der Gleichung von Nordio und Ferrarini aus den temperaturabhängigen HTP- Kurven die Tensorkoordinaten des Helizitätstensors, so zeigen sich systematische Abweichungen in den "rückgerechneten" HTP-Kurven. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde deshalb ein neuer Ansatz zur quantitativen Beschreibung der HTP eingeführt, der auf Annahmen einer Theorie basiert, die die ACD- Spektroskopie (CD anisotroper Proben) beschreibt. Es wurde ein Chiralitätswechselwirkungstensor eingeführt, dessen Koordinaten durch multiple Regression aus den temperaturabhängigen HTP-Kurven mit den Ordnungsparametern aus dem 2H-NMR erhalten wurden. Mit dem neuen Ansatz ergibt sich eine sehr gute Beschreibung der Größe und Temperaturabhängigkeit der experimentellen HTP-Werte. Die Analyse dieser Daten zeigt, daß die mittlere Lage der HTP-Kurven von der Spur des Chiralitätswechselwirkungstensors (bzw. von dem Term W/3 mit W = Summe(Wii*)) bestimmt wird, also dem Anteil an der HTP, der durch ein Dotierstoff-Molekül induziert werden würde, das in der anisotropen Phase isotrop verteilt ist. Die Krümmung der HTP-Kurven wird durch den D*-Anteil des Effekts verursacht. Der S*- Anteil führt bei niedriger Ordnung nur zu einer geringen Verschiebung der HTP-Kurve. Bei hoher Ordnung kann durch den S*-Anteil bei den Verbindungen 1, 3, 4 und 5 eine Helixinversion in der (theoretischen) HTP-Kurve vorausgesagt werden. Analysiert man den Gesamteffekt hinsichtlich seiner Anteile aus den Richtungen der Hauptachsen des Ordnungstensors, d.h. die Produkte gii33*Wii*, so findet man bei verbrückten 1,1'-Binaphthylen 4 bis 7, daß entlang der C2-Symmetrieachse der 1,1'-Binaphthyle der bei weitem größte Anteil am Gesamteffekt gefunden wird. Dieser Befund erklärt auch warum die Beschreibung von Nordio zu einer guten Übereinstimmung mit den experimentellen HTP-Werten führt, obwohl nach Nordio ein isotrop verteilter Dotierstoff keine HTP hat. Auch im Modell von Nordio wird der Effekt von dem Produkt einer Tensorkoordinate des Helizitätstensors und einer Tensorkoordinate des Ordnungstensors bestimmt, das der Richtung der C2-Symmetrieachse zuzuordnen ist. Allerdings ist das Modell von Nordio nur für eine "mittlere Ordnung" des Dotierstoffs anwendbar, da für sehr kleine Ordnung des Dotierstoffes die HTP gegen Null geht. Die Interpretation der Tensorkoordinaten des Chiralitätswechselwirkungstensors der unverbrückten 1,1'- Binaphthyle ist problematischer als bei den verbrückten 1,1'-Binaphthylen weil für die unverbrückte Verbindung 3 der Widerspruch zwischen den Resultaten aus der anisotropen UV-Spektroskopie und dem 2H-NMR besteht. Nach den vorliegenden Daten dominiert wie auch bei 4 bis 6 der Term g2233*W22* den Effekt, dieser ist aber nicht der Richtung der C2-Symmetrieachse zugeordnet. Die Tensorkoordinaten Wii* sind signifikant kleiner als bei den verbrückten 1,1'-Binaphthylen. Möglicherweise führt das LAM-Verhalten zu einer Verteilung über den Winkel theta und damit zu einer Orientierungsverteilung, die zu kleinen Werten im Chiralitätswechselwirkungstensor und der HTP führt.
In der vorliegenden Arbeit wurden Wirkstoffe aus unterschiedlichen Substanzklassen auf ihre antineoplastische Aktivität an humanen Tumorzellinien untersucht. Einige der getesteten Substanzen zeigten gute Ansätze für einen möglichen späteren Einsatz in der Tumortherapie. Die Alkaloide Lycorin und Lycobetain zeigten im Sulforhodamin B-Assay eine sehr gute Wachstumshemmung. Der IC50-Wert der Substanzen lag bei allen getesteten humanen Tumorzellinien unter 3 microM. Trotz der hervorragenden Wachstumshemmung konnte für Lycorin kein Wirkmechanismus gefunden werden. Ein Arrest der Zellen in der G2/M-Phase des Zellzyklus konnte jedoch gezeigt werden. Für Lycobetain kristallisierte sich eine duale Hemmung von Topoisomerase I und II als möglicher Wirkmechanismus heraus. Die Aktivität von Topoisomerase II konnte durch 100 microM Lycobetain vollständig inhibiert werden. Bereits bei 10 microM Lycobetain war keine Topoisomerase I Aktivität mehr detektierbar, was nachweislich auf der Stabilisierung des DNA-Topoisomerase-Komplexes beruhte. Diese resultierte in einer Induktion von DNA-Strangbrüchen, Arrest der Zellen in der G2/M-Phase des Zellzyklus und schließlich der Induktion von Apoptose. Alle diese Eigenschaften deuteten auf eine Topoisomerase-Hemmung als Wirkmechanismus von Lycobetain hin. Untersuchungen von fünf Flavonoiden aus der chinesischen Heilpflanze Scutellaria baicalensis zeigten, daß Baicalin, Baicalein, Skullcapflavon II und Wogonin das Wachstum verschiedener humaner Tumorzellinien hemmten, während Wogonosid bis zu Konzentrationen von 100 microM keine Wirkung zeigte. Baicalein und Baicalin wiesen trotz großer Strukturübereinstimmung keinen einheitlichen Wirkmechanismus auf. Baicalein hemmt, wie Lycobetain, die Aktivität der Topoisomerasen I und II, wobei für Topoisomerase I eine Stabilisierung des binären Intermediates von Topo-isomerase und DNA nachgewiesen werden konnte. Im Gegensatz zu Lycobetain interkaliert Baicalein nicht in doppelsträngige DNA, kompetiert jedoch mit dem Hoechst-Farbstoff H33258 um die Bindung an die kleine Furche der DNA. Die Induktion von DNA-Strangbrüchen, sowie der Arrest der Zellen in der G2/M-Phase des Zellzyklus und die Induktion von Apoptose konnten auch für Baicalein gezeigt werden. Messungen mit Baicalin ergaben keinen Hinweis auf Hemmung von humanen Topoisomerasen. Zellzyklusanalysen zeigten einen Arrest in der G0/G1-Phase, was im Gegensatz zu Baicalein auf einen völlig unterschiedlichen, bisher nicht geklärten, Mechanismus hindeutet. Skullcapflavon II hemmte Topoisomerase I und II ab Konzentrationen von 100 microM. Die Stabilisierung des DNA-Topoisomerase-Komplexes konnte jedoch für diese Substanz nicht nachgewiesen werden. Aufgrund der Struktur könnte jedoch auf einen anderen Mechanismus der Topoisomerase-Inhibierung, möglicherweise die Bindung an die freie Topoisomerase I und die damit verbundene Hemmung der Komplexbildung, geschlossen werden. Für Wogonin konnte in dieser Arbeit kein Wirkmechanismus gefunden werden. In unserer Arbeitsgruppe wurden verschiedene indigoide Bisindole synthetisiert [Hössel, 1996; Hössel, nicht veröffentlicht], die ebenfalls auf ihre antineoplastische Wirkung untersucht wurden. Ein großes Problem stellte dabei die schlechte Löslichkeit dieser Substanzklasse dar. Der Vergleich der Substanzen im Sulforhodamin B-Assay an der Zellinie LXFL529L ergab sehr unterschiedliche Ergebnisse. Indirubin und 5-Jod-Indirubin waren die besten Wachstumshemmstoffe mit IC50-Werten unter 10 microM. Die indigoiden Bisindole besaßen die Fähigkeit in Doppelstrang-DNA zu interkalieren und an die kleine Furche der DNA zu binden, während dies für Deoxytopsentin nicht nachzuweisen war. Im Tubulinpolymerisationsassay hemmten Indirubin, 5-Jod-Indirubin und Bisindolylindol die Polymerisation von Tubulinmonomeren. Im Vergleich zur Referenzsubstanz Colchicin war diese Hemmung jedoch für die Wirkung der Substanzen nicht von Bedeutung. Messungen zur Hemmung der cyclinabhängigen Kinase 1 (cdk1) weisen darauf hin, daß die indigoiden Substanzen ein inhibitorisches Potential für Zellzykluskinasen besitzen. Neben cdk1 hemmen Indirubin und 5-Jod-Indirubin unter anderem cdk5, eine Kinase, die an Mikrotubuliproteinen assoziiert vorliegen kann. Mittels Western-Blotting konnte gezeigt werden, daß die eingesetzte Tubulinpräperation cdk5 enthält. Die geringfügige Hemmung der Tubulinpolymerisation läßt sich möglicherweise durch die Hemmung von mit Tubulin assoziierter cdk5 erklären. Aus dem Labor von Stalina Melnik, Moskau, Rußland wurden unserer Arbeitsgruppe 13 Wirkstoffe zur Untersuchung zur Verfügung gestellt. Bei den Substanzen handelte es sich um Indolocarbazole und Bisindolylmaleimide, die sich durch verschiedene Zuckersubstitutionen an R1 sowie verschiedene Reste an X und R2 unterschieden. Im Sulforhodamin B-Assay konnte mit Ausnahme der Substanzen 1 und 11 für alle Substanzen ein IC50-Wert unter 10 microM ermittelt werden, was auf eine hohe wachstumshemmende Potenz hinweist. Wegen der Strukturähnlichkeit mit Staurosporin wurde zunächst die Inhibierung der Proteinkinase C überprüft. Am isolierten zytosolischen Extrakt konnte, ebenfalls mit Ausnahme der Substanzen 1 und 11, eine Hemmung der PKC nachgewiesen werden, wobei sich die IC50-Werte zwischen 0,4 und 34 microM bewegten. Im Gegensatz dazu waren nur zwei Substanzen (4 und 10) in der Lage in der Zellkultur die PKC-Aktivität im niedrigen Konzentrationsbereich zu hemmen. Bei den Substanzen 2 und 5 war ein IC50-Wert ermittelbar, der aber mindestens zehnfach höher lag als bei der Messung am isolierten Enzym. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen ist, daß die Substanz das Zielprotein in der Zelle nicht erreichen kann. Die Strukturverwandschaft mit den Topoisomerase-Inhibitoren NB 506 und Rebeccamycin, deutete auf humane Topoisomerasen als potentiellen Angriffspunkt der Wirkstoffe hin. Tatsächlich erwiesen sich mehrere Substanzen als mögliche Hemmstoffe von Topoisomerase I und/oder II (siehe Tabelle 13). Ein weiteres Phänomen war die Fähigkeit aller Substanzen, sich an die kleine Furche der DNA anzulagern, während keine Interkalationsfähigkeit nachweisbar war. Die Induktion von Strangbrüchen war lediglich für die Substanzen 4 und 8 im unteren mikromolaren Bereich nachweisbar, während die meisten erst ab 50 microM DNA-Schäden induzierten. Die beste Wirkung zeigten aber auch diese Substanzen bei Untersuchungen zur Hemmung von cyclinabhängigen Kinasen. Dabei muß berücksichtigt werden, daß es sich bei der cdk1 um ein isoliertes Enzym handelt und die Hemmung im zellulären System möglicherweise nicht meßbar ist. Aufgrund der in dieser Arbeit erhaltenen Daten konnte für drei Indolocarbazole ein potentieller Wirkmechanismus gefunden werden. Für Substanz 8 ist die Hemmung von Topoisomerasen ein möglicher Wirkmechanismus, während Substanz 10 sich als möglicher Proteinkinase C-Hemmstoff herausstellte. Substanz 4 scheint einen potentiellen cdk1 Hemmstoff darzustellen.
Die Kenntnis der Transportmechanismen von polaren und unpolaren Molekülen durch biologische Membranen ist notwendig für das Verständnis von vielen biologischen Vorgängen. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis des Transportes von kleinen Molekülen durch Phospholipidmodellmembranen liefern. Hierzu wurden kinetische und kalorimetrische Messungen an Lipidvesikeln durchgeführt. Besonders großes Interesse bestand darin, zu klären, wie diese Moleküle die Membran durchqueren. Um das Permeationsverhalten von Wasser zu erforschen, wurden systematische Untersuchungen der osmotisch getriebenen und der diffusionskontrollierten Wasserpermeation an Lipiddoppelschichten, hergestellt aus Phospholipiden mit unterschiedlichen Kopfgruppen und unterschiedlichen Fettsäureketten durchgeführt. Dabei wurde auch die Permeationsgeschwindigkeit im Phasenumwandlungsbereich untersucht. Die diffusionskontrollierte Wasserpermeation wird mit Hilfe des H2O/D2O-Austauschverfahrens gemessen und bei osmotischen Messungen erzeugt man einen Konzentrationsgradienten zwischen intra- und extravesikulärem Raum. Es wurde für alle Lipide und Lipidgemische eine sprunghafte Zunahme der osmotischen und diffusiven Wasserpermeation an der Hauptphasenumwandlung gel -> flüssigkristallin gefunden. Die Permeabilitätskoeffizienten für die osmotische Wasserpermeation lagen bei allen Messungen um den Faktor 100 höher als die Werte für die diffusionskontrollierte Wasserpermeation. Im Phasenumwandlungsbereich durchlaufen die Permeabilitätskoeffizienten ein Maximum. Die experimentell gewonnenen Daten lassen einen Wassertransport durch transiente Poren, die sich durch Defektstellen und thermische Fluktuationen in der Doppelschicht bilden, vermuten und widersprechen einem Löslichkeitsdiffusionsmechanismus. Um den Einfluß des Konzentrationsgradienten auf die Permeation näher zu untersuchen, wurden osmotische Messungen mit unterschiedlichen Harnstoffkonzentrationen durchgeführt. Es zeigte sich, daß die Wasserpermeation abhängig vom angelegten Konzentrationsgradienten war, während die Harnstoffpermeation keine Abhängigkeit zeigte. Die stark unterschiedlichen Permeabilitätskoeffizienten der beiden Moleküle legen den Verdacht nahe, daß sie auf unterschiedlichen Wegen die Lipiddoppelschicht durchdringen. Um das Permeationsverhalten von kleinen Molekülen aufzuklären, wurden Messungen der diffusionskontrollierten Permeation vorgenommen. Desweiteren war von Interesse ob durch den Einbau von Detergensmoleküle in die Lipidmembran die Permeationseigenschaften der Moleküle verändert werden. Mit Hilfe der gewonnen Daten sind Rückschlüsse auf den Mechanismus der Permeation von kleinen Molekülen durch biologische Membranen möglich.
Prozeßanalyse und Modellbildung bei der Herstellung gewebeverstarkter, thermoplastischer Halbzeuge
(1999)
Werkstoff- und verarbeitungsspezifische Vorteile gewebeverstärkter, thermoplastischer Faser-Kunststoff-
Verbunde bieten ein erhebliches Potential für die Umsetzung konsequenter Leichtbauweisen in den verschiedenen Anwendungsbereichen der Industrie. In der Regel erfolgt die
Herstellung von Bauteilen in einer Prozeßkette, die sich aus den beiden Kernprozesse Verbundbildung (Imprägnierung und Konsolidierung) und Formgebung zusammensetzt. Die Verbundbildung erfolgt mit Hilfe diskontinuierlicher (Autoklav, Etagenpresse) oder kontinuierliche (Kalander, Doppelbandpresse) Verfahren, die z.B. umformbare Halbzeuge wie ORGANOBLECHEN, zur weiteren Verarbeitung bereitstellen. Diese Entkopplung des Imprägnierungsprozesses der Verstärkungstextilien mit thermoplastischer Matrix von der Bauteilherstellung ermöglicht - analog der Blechumformung - eine großserientaugliche Prozeßtechnik mit kurzen Taktzeiten. Alle wesentlichen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes werden so während der Halbzeugherstellung determiniert, während die Bauteilherstellung dann nur der Umformung dient. Auf dem Verbundwerkstoffmarkt ist ein Reihe von Halbzeugen mit verschiedenen Eigenschaftsprofilen verfügbar. Infolge des ständigen Wandels der werkstofflichen Anforderungsprofile
ist jedoch eine permanente Weiterentwicklung der Halbzeuge notwendig. Hieraus resultiert für die Werkstoffhersteller ein großes technisches und wirtschaftliches Risiko, da die
aufwendige Werkstoffentwicklung - aufgrund mangelnder wissenschaftlicher Grundlagen - mit erheblichen Unsicherheiten behaftet ist. Derzeit wird die Neuentwicklung von anforderungsspezifischen Halbzeugen mit Hilfe von Trial- and-Error Versuchen hinsichtlich der universellen Prozeßparameter (Temperatur, Zeit und Druck) betrieben. Derartige Versuchsreihen bedingen einen beträchtlichen finanziellen und zeitlichen Umfang und stellen somit ein wesentliches Entwicklungsrisiko dar. Darüber hinaus sind die Ergebnisse nur für Anlagen gleichen Typs und Bauart uneingeschränkt anwendbar. Eine Übertragbarkeit der Prozeßparameter auf andere Anlagenkonzepte ist nicht gegeben, so daß die Prozeßfenster jeweils immer individuell ermittelt werden müssen. Aufgrund
dieser aufwendigen Vorgehensweise werden deshalb intensive Anstrengungen unternommen, die während der Materialherstellung auftretenden Vorgänge mathematisch zu
modellieren, um dann durch rechnerische Simulation der Verarbeitungsprozesse eine Abschätzung des energetischen und zeitlichen Aufwandes zu ermöglichen. Daraus ergab sich die Aufgabe, das Imprägnierungs- und Konsolidierungsverhalten gewebeverstärkter, flächiger thermoplastischer Halbzeuge durch umfangreiche Untersuchungen an verschiedensten Materialkombinationen zu analysieren. Ziel war es, die bei der Halbzeugherstellung
auftretenden Effekte zu charakterisieren, Ansätze zu deren Modellierung zu entwickeln und Erkenntnisse zur Optimierung der Prozeß- und Materialparameter zu gewinnen. Wesentliche Ergebnisse der Prozeßanalyse sind das Auftreten von transversalen Makro- und Mikroströmen sowie das Entstehen von festigkeits- und steifigkeitsreduzierenden Bindenähten
und Lufteinschlüssen. Ferner laufen innerhalb der Faserbündel, temperatur- und druckabhängige Lösungs- und Diffusionsvorgänge bei der Eliminierung der Lufteinschlüsse sowie Wechselwirkungen zwischen elastischen Geweben und strömender Matrix ab. Zentrales Ergebnis der Untersuchung stellt ein abgeleitetes System von funktionalen Abhängigkeiten dar, welches einen ersten, grundlegenden Schritt zur Erstellung eines umfassenden Simulationsmodells des komplexen Prozesses bildet. Hiermit schließt die vorliegende Arbeit erstmals eine Lücke zwischen anlagenspezifischen Versuchsreihen und der allgemeinen numerischen Prozeßsimulation, die es ermöglicht, das
Imprägnierungs- und Konsolidierungsverhalten gewebeverstärkter thermoplastischer Halbzeuge auf experimenteller Basis anlagenunabhängig zu beschreiben. Dazu wurden die regelbaren Prozeßgrößen Verarbeitungstemperatur T (°K), Verarbeitungszeit t (s) und
Konsolidierungsdruck P (Pa) zu einer dimensionslosen, matrixspezifischen Prozeßkonstanten - B-Faktor (tP/n(T))- zusammengefaßt, die den Verarbeitungszyklus energetisch und zeitlich bilanziert. Diese Vorgehensweise erlaubt die Untersuchung des funktionalen Zusammenhangs zwischen Prozeßregelgrößen und Imprägnierungsqualität innerhalb bestimmter Grenzen sowie den Vergleich verschiedenartiger diskontinuierlicher und kontinuierlicher Anlagentypen und
die Ableitung von Substitutionsbeziehungen zwischen den Regelgrößen. Dabei konnte gezeigt werden, daß die imprägnierungsbedingte Abnahme der Halbzeugdicke in Abhängigkeit des B-Faktors unabhängig von der verwendeten Anlagentechnik einem exponentiellen Gesetz folgt, dessen halbzeugspezifische Regressionskoeflizienten die während der Imprägnierung und Konsolidierung auftretenden Effekte zusammenfassen und die Ableitung optimaler Prozeßeinstellungen erlauben. Damit ist es möglich, für bestimmte Materialpaarungen mit Hilfe des B-Faktors einen Verarbeitungsbereich zu identifizieren, der aufgrund der
anlagenunabhängigen Betrachtungsweise der Parameter Temperatur, Imprägnierzeit und Konsolidierungsdruck
unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen prinzipiell auf jede beliebige Anlagenkonfiguration zur Imprägnierung und Konsolidierung übertragen werden kann. Dies schließt deshalb nicht nur diskontinuierliche und kontinuierliche Prozesse zur Herstellung flächiger Halbzeuge, sondern darüber hinaus auch Verfahren zur Weiterverarbeitung dieser Materialien ein. Für jede potentielle Materialpaarung kann, ähnlich wie bei rheologischen Kennwerten für Kunststoffe, mit standardisierten Methoden eine Datenbasis geschaffen werden, die die Abhängigkeit des Imprägnierungsgrades von den Verarbeitungsbedingungen beschreibt. Damit kann der Versuchsaufwand bei der Einführung eines neuen Werkstoffsystems auf einer Anlage reduziert, die Verarbeitung wirtschaftlich optimiert, die Beanspruchung der Werkstoffkomponenten bei der Verarbeitung minimiert und die Einsatzstoffe verarbeitungsgerecht modifiziert werden.
Synthese und erste Anwendungen pH-sensitiver Spinmarker für site-specific spin-labelling Experimente
(1999)
Im Laufe der letzten Jahre ergaben wissenschaftliche Beobachtungen, daß verschiedene anthropogene Umweltkontaminanten, auch als endokrin wirksame Substanzen oder endocrine disruptors bezeichnet, einen negativen Effekt auf das Reproduktionsvermögen von wildlebenden Tierpopulationen haben können. Für eine Reihe von Umweltkontaminanten, zuerst hauptsächlich in aquatischen Systemen beschrieben, wird vor allem eine estrogene Wirkung auf den Organismus diskutiert. In einigen Wildtierspezies, wie Alligatoren (Guilette, 1994), Seevögeln (Fry, 1981), Fischen (Jobling, 1993) und Mollusken (Bryan, 1986) wurde das Auftreten von strukturellen Geburtsfehlern der primären Geschlechtsorgane, Verhaltensanomalien beispielsweise während der Brutpflege und eine Verschiebung des Geschlechtergleichgewichtes bereits beschrieben.
Das Enzym F0F1-ATP-Synthase katalysiert die Phosphorylierung von ADP zu ATP unter Ausnutzung des durch die Atmungskette entstehenden Protonengradienten an Membranen. Hierbei pumpt der membranintegrale F0-Teil des Proteins Protonen durch die Membran und induziert die ATP-Synthese, welche auf dem peripheren, wasserlöslichen F1-Teil des Proteins (F1-ATPase) stattfindet. F0 besteht aus drei Proteinuntereinheiten der Stöchiometrie a b_2 c_9-12, während F1 aus fünf Untereinheiten der Stöchiometrie alpha_3 beta_3 gamma delta epsilon zusammengesetzt ist. 'Native' und nucleotidbefreite F1-ATPase aus Escherichia coli (EF1, mit und ohne intrinsischen Nucleotiden) wurde mit 2',3'-O-(1-Oxy-2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyliden)-adenosin-5'-triphosphat (SL*-ATP) als Mg2+-Komplex mit ESR-Spektroskopie untersucht. Durch Titrationsexperimente wurden die Bindungsstöchiometrie und die ESR-Spektren in Abhängigkeit der Nucleotidkonzentration ermittelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen deuten darauf hin, dass unabhängig von der Anwesenheit intrinsischer Nucleotide maximal 3 mol SL*-ATP pro mol Enzym ausschliesslich in den katalytischen Nucleotidbindungsstellen gebunden wurden. Molekülmodelle von SL*-ATP in den Bindungsstellen von mitochondrialer F1-ATPase unterstützten diese Resultate ebenso wie ATPase-Aktivitätstests von EF1 mit SL*-ATP als Substrat. Bei nucleotidbefreiter EF1 war die Substratsättigung bei substöchiometrischen Nucleotidkonzentrationen höher als beim nativen Enzym. Die ESR-Spektren von EF1 mit SL*-ATP.Mg2+ zeigten zwei au! f unterschiedliche Spinsonden-Mobilitäten hinweisende Komponenten beim nucleotidbefreiten Enzym und nur eine bei nativem Enzym. Ein verkürzter, wasserlöslicher Teil der b-Untereinheit von EF0 (b_sol) wurde mit Raum- und Tieftemperatur-ESR-Spektroskopie auf seine Struktur als Untereinheiten-Dimer alleine und an F1 gebunden untersucht. Bei Tieftemperatur-ESR-Spektren ist das Signalamplituden-Verhältnis von Tief- und Hochfeldsignal zu Zentralfeldsignal, auch als Kokorin-Zamaraev-Parameter bezeichnet, ein Indikator für dipolare Wechselwirkungen von Spinsystemen und somit für deren Abstand im Bereich von 8-25 Å. Es wurden einerseits verschiedene Cystein-Mutanten von b_sol (als b_syn bezeichnet) und andererseits eine Cysteinmutante von EF1 spezifisch kovalent mit Spinlabeln verknüpft. Die vermessenen b_sol-F1-Komplexe waren somit zum einen ausschliesslich an b, andererseits nur an EF1 und ferner sowohl an b als auch an EF1 spinmarkiert. Die Messungen ergaben, dass die Struktur des carboxyterminalen Bereichs von b_sol zwischen den Aminosäurenpositionen 124 und 139 alphahelikalen Charakter besitzt. Aufgrund vo! n Differenzen der Kokorin-Zamaraev-Parameter scheinen sich bei der Bindung von b_sol an EF1 die Helices der Untereinheiten des b_sol-Dimers gegeneinander zu verdrehen. Trotz Abwesenheit der delta-Untereinheit von EF1 schien b_sol an F1 zu binden. Die Strukturen von b_sol-Dimer alleine, im Komplex mit EF1 sowie EF1 ohne delta scheinen sich jeweils deutlich zu unterscheiden und weisen auf eine hohe Flexibilität der b-Untereinheit hin. Der Abstand der Nucleotidbindungsstellen auf den beta-Untereinheiten von EF1 zum Proteinrückgrat von b_sol ist mit mehr als 20-25 Å einzuschätzen, da mit der oberen Messtechnik keine dipolaren Wechselwirkungen ausgemacht werden konnten. Molekülmodelle eines b_syn-Dimerenfragments im Bereich der Aminosäurenpositionen 120-145 am carboxyterminalen Ende von b sowie verschiedener spinmarkierter Varianten des gleichen Dimerenfragments zeigten eine Verdrehung der beiden Helix-Längsachsen zueinander. Zwischen den Spinsystem-Abständen im Modell und den geme! ssenen Kokorin-Zamaraev-Parametern war eine Korrelation ersichtlich.
Die zweikernigen Eisenkomplexe [{CpR(OC)2Fe}2] (1) reagieren mit weißem Phosphor unter milden Bedingungen selektiv und in sehr guten Ausbeuten zu den Tetraphosphabicyclobutanderivaten 3, deren P4-Butterflygerüst durch zwei 17VE-{CpR(OC)2Fe}-Fragmente in exo/exo-Konfiguration stabilisiert ist. Mit der Röntgenstrukturanalyse des Tri-tert-butylderivates 3a konnte erstmals ein Molekül mit einem solchen Strukturinkrement vollständig charakterisiert werden. Sowohl die thermische als auch die photochemische Decarbonylierung von 3 führt zu den Cyclopentaphosphaferrocenderivaten [CpRFe(h5-P5)] (4) und den pseudo-Tripeldeckerkomplexen [{CpRFe}2(m-h4:4-P4)] (5), die sich auch durch die Langzeit-Cothermolyse der Eisendimere [{CpR(OC)2Fe}2] (1) mit überschüssigem weißen Phosphor herstellen lassen. Die beiden Tri-tert-butylderivate 4a und 5a konnten röntgenstrukturanalytisch untersucht werden. Die thermische Umsetzung äquimolarer Mengen der P4-Butterflymoleküle 3 mit Bisphenyl-acetylen führt zu sehr interessanten neuartigen Produkten: So konnte bei der Reaktion von 3a mit Tolan ein ferrocenanaloges Sandwichmolekül 7a, dessen zentrales Eisenatom jeweils von einem Tri-tert-butylcyclopentadienyl- und von einem 1,2,3-Triphospholylliganden h5-artig koordiniert ist, isoliert und ein solcher heteroaromatischer Ligand erstmals kristallstrukturanalytisch charakterisiert werden. Darüber hinaus konnte bei dieser Reaktion ein weiteres Sandwichmolekül - (Tri-tert-butylcyclopentadienyl)(tetraphospholyl)eisen(II) (8a) - NMR-spektroskopisch und massenspektrometrisch nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte bei der Umsetzung des Pentaisopropylderivates 3c mit Tolan ein zwar theoretisch vorhergesagter, aber bislang nicht experimentell bestätigter Undecaphosphor-Komplex isoliert und kristallstrukturanalytisch untersucht werden.
Sowohl die gesteigerte Komplexität der Signalverarbeitungsalgorithmen und das umfangreichere Diensteangebot als auch die zum Erzielen der hohen erforderlichen Rechenleistungen erforderliche Parallelverarbeitung führen künftig zu einer stark ansteigenden Komplexität der digitalen Signalverarbeitung in Mobilfunksystemen. Diese Komplexität ist nur mit einem hierarchischen Modellierungs- und Entwurfsprozeß beherrschbar. Während die niedrigeren Hierarchieebenen der Programmierung und des Hardwareentwurfs bereits heute gut beherrscht werden, besteht noch Unklarheit bei den Entwurfsverfahren auf der höheren Systemebene. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Systematisierung des Entwurfs auf höheren Hierarchieebenen. Hierzu wird der Entwurf eines Experimentalsystems für das JD-CDMA-Mobilfunkkonzept auf der Systemebene betrachtet. Es wird gezeigt, daß das Steuerkreismodell ein angemessenes Modell für die digitale Signalverarbeitung in einem Mobilfunksystem auf der Systemebene ist. Das Steuerkreismodell läßt sich einerseits direkt auf die in zukünftigen Mobilfunksystemen einzusetzenden Multiprozessorsysteme abbilden und entspricht andererseits auch der nachrichtentechnischen Sichtweise der Aufgabenstellung, in der das Mobilfunksystem durch die auszuführenden Algorithmen beschrieben wird. Das Steuerkreismodell ist somit ein geeignetes Bindeglied, um von der Aufgabenstellung zu einer Implementierung zu gelangen. Weiterhin wird gezeigt, daß das Steuerkreismodell sehr modellierungsmächtig ist, und sein Einsatz im Gegensatz zu vielen bereits bekannten Entwurfsverfahren nicht auf mittels Datenflußmodellen beschreibbare Systeme begrenzt ist. Die klassischen, aus der von Datenflußmodellen ausgehenden Systemsynthese bekannten Entwurfsschritte Allokierung, Ablaufplanung und Bindung können im Kontext der Steuerkreismodellierung als Verfahren zur Konstruktion der Steuerwerksaufgabe verstanden werden. Speziell für das Experimentalsystem werden zwei verschiedene Ablaufsteuerungsstrategien modelliert und untersucht. Die volldynamische Ablaufsteuerung wird zur Laufzeit durchgeführt und ist daher nicht darauf angewiesen, daß die auszuführenden Abläufe a priori bekannt sind. Bei der selbsttaktenden Ablaufsteuerung werden die hier a priori bekannten Abläufe zum Zeitpunkt der Systemkonstruktion fest geplant, und zur Laufzeit wird dieser Plan nur noch ausgeführt. Schließlich werden noch die Auswirkungen der paketvermittelten burstförmigen Nachrichtenübertragung auf die digitale Signalverarbeitung in zukünftigen Mobilfunksystemen untersucht. Es wird gezeigt, daß es durch Datenpufferung sehr gut möglich ist, die Rechenlast in einem Mobilfunksystem zu mitteln.
Diese Dissertation ist ein Beitrag zur Untersuchung der Anwendbarkeit der Random-Matrix-Theorie (RMT) in der Quantenchromodynamik (QCD). Untersucht werden die Fluktuationen der kleinen Eigenwerte des Dirac-Operators mit Kogut-Susskind-Fermionen und SUc(2)-Eichfeldern. Diese werden mit Hilfe eines Hybrid-Monte-Carlo-Algorithmus erzeugt. Die Universalität der Fluktuationen kleiner Eigenwerte, das heisst die Übereinstimmung der numerisch berechneten Spektren mit den Vorhersagen des chiralen Random-Matrix-Modells wird in dieser Arbeit nachgewiesen. Die Bedeutung dieses Resultats liegt in der Allgemeinheit des Ansatzes, die QCD-Zustandssumme für ein endliches Volumen durch ein Random-Matrix-Modell zu approximieren.
Die Prämature Chromosomenkondensation (PCC) - Untersuchungen zum Einsatz in der Mutagenitätstestung
(1999)
In dieser Arbeit wurde die Wirkung der a,b-ungesättigten Aldehyde Crotonaldehyd (CA), trans-2-Hexenal (HX), und des N-Nitrosodiethanolamin (NDELA) untersucht. Als Kontrollsubstanzen wurde das als Aneugen bekannte Diethylstilbestrol (DES) und die als Klastogene bekannten Mutagene Mitomycin C (MMC) und Bleomycin (BLM) eingesetzt. Es wurde die Technik der vorzeitigen Chromosomenkondensation (PCC) an unstimulierten Lymphozyten in der G0-Phase eingesetzt, die für 1 Stunde mit dem jeweiligen Mutagen inkubiert worden waren. Das Ausmaß der mutagenen Schädigung bei den PCCs wurde lichtmikroskopisch durch Auszählen von Chromatinelementen analysiert. Ze llen mit mehr als 46 Chromatinelementen wurden als geschädigt gewertet. Die Resultate der PCC-Studien wurden mit den Ergebnissen aus 48 Stunden-Metaphasenkulturen verglichen. Mit der Fluoreszenz plus Giemsa (FPG)-Technik wurden die Mitosen, die zum erstenmal nach Mutagenapplikation das Metaphasestadium erreicht hatten, identifiziert. Die Metaphasenanalyse aus 48 Stunden-Kulturen zeigte für CA bei 60microM und für HX bei 100microM eine schwach signifikante Erhöhung der Anzahl aberranter Metaphasen. Die für CA zusätzlich durchgeführten 73 Stunden-Kulturen, bei denen die Mutagenbehandlung erst 48 Stunden nach Kulturansatz durchgeführt wurden, ergab ab 240microM eine schwach signifikante Erhöhung aberranter Metaphasen im Vergleich zu unbehandelten Lymphozyten. Die Analyse der Metaphasen aus 48 Stunden-Kulturen nach NDELA-Behandlung ergab, daß sich die Zahl der aberranten Metaphasen nur bei einer Konzentration von 2000microM signifikant im Vergleich zu den Zellen aus den Kontrollkulturen erhöhte. Die anderen getesteten NDELA-Konzentrationen auch die in den 73 Stunden-Kulturen eingesetzten erhöhten die Aberrrationsrate in den Metaphasechromosomen, allerdings statistisch nicht signifikant. Nach MMC-Behandlung (6microM) zeigten 27,5%, nach DES-Behandlung (100microM) 7,6% und nach Bleomycin-Behandlung (10microg/ml) 8,8% der Metaphasen Aberrationen. Damit war die Anzahl geschädigter Metaphasen im Vergleich zu den Zellen unbehandelter Kontrollkulturen nach MMC-Inkubation (6microM) und nach Bleomycin-Applikation (10microg/ml) statistisch hoch signikant, nach DES-Inkubation (100microM) allerdings nicht signifikant erhöht. Die PCC-Technik erwies sich als die im Vergleich zur Metaphasenanalyse sensitivere Methode. Alle getesteten Substanzen erhöhten die Anzahl der Chromatinelemente/Zelle dosisabhängig. Unbehandelte Lymphozyten wiesen zwischen 1,0 und 1,8 Fragmente pro geschädigte Zelle auf. Dabei waren zwischen 6,1 und 15,8% der unbehandelten Zellen geschädigt. Nach CA-Inkubation (240microM) stieg die Zahl geschädigter PCCs auf 48,7% an, wobei 3,4 Fragmente pro geschädigte Zelle zu beobachten waren. Nach Behandlung der Zellen mit HX(150microM) waren 42,9% der Zellen geschädigt und wiesen 4,6 Fragmente pro geschädigte Zelle auf. Damit war die Zunahme der Schädigung im Vergleich zur Kontrolle hoch signifikant. Die Inkubation mit NDELA schädigte die Lymphozyten in der G0-Phase bereits ab einer Konzentration von 1000microM hoch signifikant. Dabei waren 56,6% der Lymphozyten geschädigt und es traten 4,1 Fragmente pro geschädigte Zelle auf. Nach Inkubation mit MMC (20microM) waren 46,3% der Zellen geschädigt und wiesen 3,3 Fragmente pro geschädigte Zelle auf. Die Behandlung der Lymphozyten mit DES (200microM) induzierte in 26,3% der Zellen mehr als 46 Chromatinelemente pro Zelle, wobei 2,8 Fragmente pro geschädigte Zelle auftraten. Nach Behandlung der Lymphozyten mit a,b-ungesättigten Aldehyden wurde in den PCCs zusätzlich ein interessantes Phänomen beobachtet: die vorzeitig kondensierten Chromosomen erschienen im Vergleich zu den PCCs unbehandelter Zellen weniger stark kondensiert. Um das Ausmaß der Entspiralisierung erfassen zu können, wurden die PCCs zunächst semiquantitativ gemäß ihrem Kondensationsgrad in 4 Kategorien eingeteilt, wobei der Kategorie 1 die am stärksten kondensierten PCCs, der Kategorie 4 die am wenigsten kondensierten PCCs zugeordnet wurden. Bei einer CA-Konzentration von 480microM waren 55,6% und einer HX-Konzentration von 300microM waren 57,4% der untersuchten Zellen Kategorie 4 zuzuordnen. Durch die Kombination der PCC-Technik mit der Fluoreszenz in situ-Hybridisierung und den Einsatz einer Painting Sonde (exemplarisch für Chromosom 4) wurde die Längenveränderung der PCCs genauer quantifiziert werden. Dazu wurde die Länge der Chromosom 4-PCC vor und nach Behandlung mit Crotonaldehyd (240microM und 480microM) mit einem computergestützten Programm ausgemessen. So ergab sich nach Crotonaldehyd-Behandlung (480microM) durchschnittlich eine Längenzunahme um das zwei- bis dreifache. Elongierte PCCs wurden nach Inkubation der Lymphozyten mit NDELA und Bleomycin nicht beobachtet; nach Inkubation mit den Mutagenen MMC (20microM) und DES (200microM) trat dieses Phänomen nur leicht auf. Reparaturkinetikstudien mit den Hemmstoffen Arabinofuranosylcytosin, Hydroxyharnstoff und Novobiocin lassen eine verstärkte Excisionsreparatur als Ursache für die beobachtete verminderte Kondensation der PCCs nach Inkubation mit a,b-ungesättigten Aldehyden unwahrscheinlich erscheinen. Die nach Inkubation mit a,b-ungesättigten Aldehyden beobachtete verminderte Kondensation der PCCs ist eher das Resultat von Veränderungen der mitotischen Faktoren und/oder Chromatinstrukturen. Möglicherweise interferieren a,b-ungesättigte Aldehyde mit den Phosphorylierungsprozessen der Histone H1 und/oder H3, die für die PCC-Induktion bedeutsam sind und die durch die Aktivität der mitotischen Faktoren vermittelt werden.
Indirubin ist als antileukämischer Inhaltsstoff in Zubereitungen der traditionellen chinesischen Medizin erkannt und seine antineoplastische Wirkung in einer klinischen Studie an Patienten mit chronisch myeloischer Leukämie gezeigt worden. Ziel dieser Arbeit war es, bekannte und neue Indirubinderivate zu synthetisieren und Indizien für den Wirkmechanismus indigoider Bisindole zu finden. Ein Schwerpunkt sollte dabei in der Darstellung von in 5- und 3'-Stellung substituierten Indirubinderivaten liegen. Unter den 19 synthetisierten Indirubinderivaten sind die zehn neuen Verbindungen 5-Fluorindirubin, 5-Nitroindirubin, 5,5'-Dibromindirubin, das Natriumsalz der 5'-Bromindirubin-5-sulfonsäure, 5-Iodindirubin-3'-oxim sowie fünf Indirubin-5-sulfonsäureamidderivate. An der Verbindungsklasse werden detaillierte NMR-spektroskopische Untersuchungen vorgenommen. Außerdem werden Isoindigo und die beiden Bisindolderivate 2,2'-Bisindol sowie 3,3'-Diphenyl-2,2'-bisindol dargestellt. Identität und Reinheit der synthetisierten Verbindungen werden mittels Dünnschichtchromatographie, Elementaranalyse, Massenspektroskopie, Gaschromatograhie/Massenspektroskopie, UV-Spektroskopie sowie 1H-NMR- und 13C-NMR-Spektroskopie nachgewiesen. Ergänzt durch kommerziell erhältliche Indigoderivate steht damit eine Auswahl an 2',3-, 2,2'- und 3,3'-Bisindolderivaten zur Verfügung. Bei cyclovoltammetrischen Untersuchungen an Indirubin und 5-Iodindirubin werden im beobachteten Spannungsbereich bei beiden Derivaten eine im Sinne der Cyclovoltammetrie irreversible Oxidation und zwei reversible Reduktionen registriert. Die Höhe der Wellen deutet darauf hin, daß das Indirubinsystem bei den beiden Reduktionen jeweils ein Elektron aufnimmt und bei der Oxidation zwei Elektronen abgibt. Zumindest die erste Reduktion liegt mit einem Halbwellenpotential von -0,8 V in einem Bereich, der physiologisch zugänglich sein sollte. Eine Überführung in eine der vorgeschlagenen oxidierten oder reduzierten Strukturen hätte mit großer Wahrscheinlichkeit eine bessere Löslichkeit und damit eine erhöhte Transportfähigkeit der Indirubinderivate in wäßrigen Systemen zur Folge. Die Ergebnisse des Ethidiumbromidverdrängungsassays deuten darauf hin, daß einige Indirubinderivate interkalative Wechselwirkungen mit der DNA eingehen können. Bei 5-Fluorindirubin, Indirubin-3'-oxim und Indirubin-5-sulfonamid kann ein ED50-Wert bestimmt werden, der fast in der Größenordnung des starken Interkalators Doxorubicin liegt. Eine Beteiligung der Interkalation am Wirkmechanismus scheint bei 5-Fluorindirubin und Indirubin-3'-oxim möglich, denn beide hemmen im gleichen Konzentrationsbereich das Wachstum im Sulforhodamin B-Assay und im Colony-Forming-Assay. Im Colony-Forming-Assay ist Isoindigo die aktivste Substanz. Indirubinderivate haben durchschnittliche IC70-Werte, die eine Größenordnung höher liegen. Die drei Indirubinderivate mit einer freien Sulfonsäuregruppe sowie Indigo sind kaum wirksam. Die sulfonierten Indigoderivate sind inaktiv. Die beiden Melanomzellinien MEXF 989 und MEXF 515LX zeichnen sich gegenüber einigen Verbindungen durch eine bis um den Faktor 75 unterschiedliche Sensitivität aus. Die Mammakarzinomzellinie MCF 7 wird von den meisten der Indirubinderivaten sowie von den beiden 2,2'-Bisindolderivaten stärker gehemmt als der Durchschnitt. Im Luciferase-Assay an transfizierten MCF 7-Zellen kann kein Hinweis auf eine hormonrezeptorgekoppelte Wirkung gefunden werden. Im Sulforhodamin B-Assay sind Isoindigo und Indirubin-3'-oxim die wirksamsten Substanzen. Dies bestätigt das Ergebnis der durchschnittlichen Wirksamkeit in den Colony-Forming-Assays. Die geringe absolute Löslichkeit sowohl in der lipophilen als auch in der hydrophilen Phase verhindert bei etwa der Hälfte der Verbindungen eine exakte Bestimmung des Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten (log POW). Dennoch wird für die restlichen Indirubinderivate eine gute Korrelation zwischen dem durchschnittlichen IC70-Wert im Colony-Forming-Assay und der Lipophilie der Substanzen gefunden. Das Optimum des log POW bewegt sich für Indirubinderivate in Bezug auf die Wachstumshemmung im Colony-Forming-Assay in einem Bereich von 3 bis 4. In ersten, orientierenden in vivo-Versuchen an thymusaplastischen Nacktmäusen, die das großzellige Lungenkarzinom LXFL 529 tragen, können Indirubin und 5-Chlorindirubin das Tumorwachstum verzögern aber nicht stoppen. 5-Methylindirubin, das schneller als die beiden anderen Derivate aus dem Injektionsbereich transportiert wird, kann ab etwa dem zehnten Tag der Behandlung das Tumorwachstum stoppen. Das Gesamtgewicht der Versuchstiere bleibt dabei konstant oder steigt leicht an. 5-Methylindirubin ist somit ein aussichtsreicher Kandidat für eine Weiterentwicklung in Richtung eines antineoplastischen Medikaments. Ausgehend von Indirubin kann durch die Variation der Substituenten eine Steigerung der Hemmwirkung am isolierten Enzymkomplex CDK1/Cyclin B um den Faktor 1200 erreicht werden. Das Natriumsalz der 3'-Hydroxyiminoindirubin-5-sulfonsäure hat einen IC50-Wert von 0,0083 microM. Die Substanzklasse besitzt außerdem eine hohe Selektivität gegenüber anderen Kinasen und übertrifft somit in Wirksamkeit und Selektivität die meisten bekannten CDK-Hemmstoffe. Für Isoindigo kann keine Hypothese zum Wirkmechanismus aufgestellt werden. Seiner hohen Aktivität im Colony-Forming-Assay und im Sulforhodamin B-Assay steht eine nur äußerst geringe Interkalationsfähigkeit sowie eine kaum vorhandene Fähigkeit zur Hemmung des Enzymkomplexes CDK1/Cyclin B gegenüber. In einer Röntgenstrukturanalyse von humaner CDK2 im Komplex mit Indirubin-5-sulfonat bzw. Indirubin-3'-oxim wird deutlich, daß sich die Inhibitoren in die ATP-Bindungstasche einlagern. Im Bereich der Aminosäuren Phe80 bis His84 ist die Form der Indirubinmoleküle komplementär zu der gekrümmten Form der ATP-Bindungstasche, ein Effekt wie er auch bei anderen CDK-Hemmstoffen beobachtet wurde. Die Ausbildung von drei Wasserstoffbrückenbindungen sowie lipophile Wechselwirkungen sind essentiell für die starke Bindung beider Derivate. Anhand der gemessenen Struktur wird deutlich, daß die 5-Position die ideale Substitutionsposition an den Benzolkernen darstellt. Indirubin-5-sulfonat bildet durch die Sulfonatgruppe ionische Wechselwirkungen mit einer Lysinseitenkette (Lys33) des Enzyms aus, die zu einer weiteren Affinitätssteigerung führen. Die Oximgruppe in Position 3' ragt in einen freien Raumbereich, der von anderen Hemmstoffen besetzt wird und eröffnet daher die Möglichkeit, weitere funktionelle Gruppierungen einzubringen und so die Hemmstärke und die Selektivität der Indirubinderivate noch zu steigern. Läßt man die ionischen Verbindungen, die aufgrund ihrer Ladung die Zellmembran (und Zellkernmembran) wahrscheinlich nicht durchdringen können, außer Betracht, so fällt auf, daß alle starken Inhibitoren des Enzymkomplexes CDK1/Cyclin B auch zu einer starken Wachstumshemmung im Colony-Forming-Assay führen. Eine Schwächung der Affinität zwischen Inhibitor und CDK1 durch eine Substitution am N1-Stickstoff führt gleichzeitig zu einem Abfall der Wirksamkeit im Colony-Forming-Assay und in anderen Testsystemen. Durch die Röntgenstrukturanalyse wird verständlich, wie eine Substitution an dieser Stelle die Wechselwirkung zwischen Inhibitor und Enzym abschwächt. Die Befunde deuten darauf hin, daß der antineoplastischen Wirkung von Indirubinderivaten ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Teilmechanismen zugrunde liegt, möglicherweise unter Beteiligung von Int erkalation und Redoxcycling, wobei der Hauptwirk mechanismus in der Inhibierung cyclinabhängiger Kinasen besteht.
Die geometrische Eigenschaft "Chiralität", der man sowohl in der Wissenschaft als auch unbewußt im Alltag sehr oft gegenübersteht, wurde von Lord Kelvin 1884 in folgender Weise definiert [1, 2]: "Ich nenne jede geometrische Figur oder Anordnung von Punkten chiral und sage, sie besitzt Chiralität, wenn ihr ideales Spiegelbild nicht mit sich selbst zur Deckung gebracht werden kann." Vom Gesichtspunkt der Symmetrie a us betrachtet, sind also alle Objekte chiral, die keine Drehspiegelachsen (Sn) besitzen. Dabei ist z.B. an die beiden Enantiomere des Moleküls Bromchlorfluormethan zu denken oder einfach an die rechte und die linke Hand des Menschen. Ein differenzierteres Bild der Eigenschaft Chiralität erhält man, wenn man ein Konzept diskutiert, in dem vier "Ebenen" der Chiralität eingeführt werden [3]. Die erste, in weiten Kreisen unbekannte Ebene, ist die Chiralität der Atome verursacht durch die sogenannten schwachen Wechselwirkungen [4, 5, 6]. Die aus einzelnen Atomen aufgebauten Moleküle stellen die zweite Ebene dar. Die dritte Ebene wird als "suprastrukturelle Chiralität" bezeichnet und steht in isotropen Phasen für eine Anordnung von Atomen oder Molekülen verursacht durch Nahordnungen, in anisotropen Phasen verursacht durch Orientierungs- oder Positionsfernordnungen. Die Form eines makroskopischen Objekts kann als vierte Ebene betrachtet werden. Dabei kann die "Information Chiralität" von einer Ebene zur nächsten übertragen werden. Die Homochiralität der lebenden Welt, d.h. daß z.B. alle natürlich vorkommenden Aminosäuren L-Aminosäuren sind, könnte sich in der Übertragung der Chiralität von der Ebene der Atome auf die Ebene der Moleküle äußern. Ein Beweis dieser Übertragung ist mit den heutigen experimentellen Mitteln jedoch nicht möglich. Die Übertragung der Chiralität vom Molekül auf die Phase ist im Rahmen der chiralen Induktion sehr gut untersucht, während es zur Übertragung von der dritten Ebene auf die makroskopische Form eines Objektes weniger Studien gibt. Als Beispiele für ein System, das sowohl Chiralität der Ebene zwei als auch der Ebene drei besitzt, können die cholesterische oder die smektische C * Phase dienen. Die Chiralität setzt sich dort sowohl aus einem Beitrag des einzelnen Moleküls als auch aus einem Beitrag der Phase zusammen [7, 8]. Ein chirales Molekül mit der absoluten Konfiguration R oder S kann eine cholesterische Phase der Helizität P oder M induzieren [9]. Damit würde die Information absolute Konfiguration der Ebene 2 auf die Helizität der Phase übertragen. Ein weiteres typisches Beispiel sind substituierte Hexahelicene, die nach Überschreiten einer Grenzkonzentration in manchen organischen Lösungsmitteln zur Bildung columnarer Aggregate neigen [10]. Suprastrukturelle Chiralität kann aber auch an einem System aus achiralen Molekülen, also ohne Chiralität der Ebene zwei, beobachtet werden, wie z.B. an Phasen, die aus sog. "bananenförmigen Verbindungen" aufgebaut sind [11, 12, 13]. Die Stabilisierung der chiralen Phase ist verbunden mit der räumlichen Trennung der chiralen Domänen verschiedener Händigkeit. Bei NaClO3 kann man beobachten, daß im Kristallisationsprozeß zufällig Keime mit rechts- oder linkshändiger Struktur entstehen. In diesem Zusammenhang wird behauptet, daß durch Rühren der Lösung beim Kristallisationsvorgang ein Überschuß einer der beiden Formen erzeugt werden, und daß das ganze System durch einen kinetischen Effekt rein in einer der beiden enantiomeren Formen kristallisieren kann [14, 15]. Gerade in letzter Zeit konzentrieren sich Untersuchungen zunehmend auf Systeme mit suprastruktureller Chiralität, oftmals Polymere, unter ande rem wegen ihrer vielseitigen technologischen Anwendbarkeit. Seit es zu Beginn der achtziger Jahre gelang, durch geeignete organische Substituenten lösliche Poly(dialkylsilylene) zu erhalten [16, 17, 18], stieg das Interesse an dieser Verbindungsklasse nicht zuletzt wegen ihrer optischen Eigenschaften. Insbesondere ist hier die Verwendung der Poly(dialkylsilylene) im Bereich der Fotoleitung [19], nicht linearen Optik [20], Datenspeicherung [21] und Displayherstellung [22] zu erwähnen. Es ist bekannt, daß einige Poly(di-n-alkylsilylene) wie z. B. Poly(dipropylsilylen) und Poly(dipentylsilylen) mit 7/3 helikaler Konformation des Siliziumgerüstes kristallisieren [23, 24, 25]. Dabei ist der Anteil an Rechts- und Linkshelix gleich verteilt. Die Bevorzugung eines Helixdrehsinns kann erreicht werden, wenn optisch aktive Substituenten in das Polymer eingebaut werden [26, 27, 28]. Bei chiralen diacetylenischen Phospholipiden findet eine Umorientierung der Lipidmoleküle in Membrandoppelschichten statt, die zur Verdrehung der Membran zu einem zylinderförmigen Gebilde führt [29]. Die auf diesem Weg gebildeten Hohlkörper dienen als Matrize für die Herstellung metallischer Röhren mit streng definiertem Durchmesser. Sie finden Anwendung bei der Vakuum-Feldemission und in controlled-release -Systemen zum Korrosionsschutz und zur Vorbeugung von Pilzbefall [30].
Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehr als 50 Verbindungen aus der Klasse der TADDOLe oder ihrer Analoga bzgl. ihrer HTP und ihrer UV- und CD-Spektroskopie untersucht. Dabei wurde für alle Verbindungen die HTP im Flüssigkristall ZLI-1695 temperaturabhängig bestimmt. Für 30 dieser Verbindungen wurde als Vergleich die HTP temperaturabhängig auch in K15 gemessen. Es ist erstmals möglich innerhalb einer Verbindungsklasse die HTP von neuen Verbindungen mit Hilfe von empirischen Regeln vorherzusagen. Somit konnte die bislang höchste bekannte HTP durch eine gezielte Synthese um mehr als 100% gesteigert werden (56 in K15). Es besteht nun die Möglichkeit, TADDOLe je nach gewünschter HTP maßzuschneidern. Aufgrund des hohen Verdrillungsvermögens von einigen TADDOLen wurde die Substanzklasse als Chirale Verbindungen gemeinsam mit Seebach und der BASF patentiert [7-1] sowie an weiteren Stellen veröffentlicht [7-2,3-8]. Das Vorzeichen der HTP der TADDOLe kann mit dem Vorzeichen bei der enantioselektiven Synthese korreliert werden und mit einer einfachen Regel vorhergesagt werden. Alle hier untersuchten TADDOLe mit einer R,R-Konfiguration induzieren eine Rechtshelix. Der Vergleich von HTP-Werten mit Ergebnissen aus der NMR-, anisotropen UV- und CD-Spektroskopie und Exziton-Theorie geben Ansätze, mit denen man verschiedene Einflüsse auf die HTP der TADDOLe diskutieren kann. Die Orientierungsachse bei den TADDOLen liegt senkrecht zur C2-Achse. Dies wurde mit Hilfe von 2 H-NMR für die Verbindungen 2, 3, 4 und mit Hilfe von 13 C-NMR für die Verbindungen 2, 13, 43, 45, 46 von I. Kiesewalter [7-9] gezeigt. Aus anisotropen UV-Messungen folgt diese Lage der Orientierungsachse für 3, 4, 5, 6, 8, 60, 61. Selbst bei den in C2-Richtung stark verlängerten Molekülen 60, 61 ändert sich der Anisotropiegrad und der ACD im Vergleich zu 3, 8 nur unwesentlich, was ein starkes Argument dafür ist, daß die Orientierungsachse bei den hier untersuchten TADDOLen immer senkrecht zur C2-Achse liegt. Die Mittlere Stellung der Arylgruppen zueinander hat einen Einfluß auf die Parameter der empirischen Regeln für die HTP. Verbindungen 58 und 63 unterscheiden sich nur durch den Austausch Wasserstoff-Methyl im Acetalbereich von den Verbindungen 3, 8. Die HTP ändert sich drastisch, ebenso der UV und der CD. Daraus folgt, daß die Arylgruppen im Mittel anders stehen. Anders ist der Fall beim Vergleich 3 mit 5 und 8 mit 6. Hier gibt es kaum Änderung im CD und kaum Änderung in der HTP. Ein Fall, der in der Mitte liegt sind 3 und 4. Eine Änderung im CD führt zu Änderung in der HTP bei gleichem Chromophor. Durch die Drehbarkeit um 4 C-Arylachsen besitzen die TADDOLe Konformere. Jedoch sind die Konformere sich sehr ähnlich. MM2-Rechnungen zeigen, daß sich die Konformere nur aufgrund von 180°-Drehungen der Arylgruppen um die C-Arylachse unterscheiden. Die MM2-Rechnungen wurden von Plattner [7-10] durchgeführt. Viele TADDOLe zeigen ein ähnliches konformatives Verhalten. Sie besitzen ca. 37% Temperaturabhängigkeit im CD zwischen 5°C und 75°C. Für diese Untersuchungen wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Meßzelle konstruiert, die Langzeitmessungen bei Temperaturen erlaubt, die nur ca. 7°C unterhalb des Siedepunktes des Lösungsmittels liegen ohne, daß das Lösungsmittel während der Messung verdampft. Man kann es somit vermeiden, daß man eine zeitabhängige Konzentrationszunahme erhält. Weiterhin muß das verwendete Uvasol-Acetonitril gereinigt werden, um eine Zersetzung der TADDOLe während der Messung zu verhindern. Für die Bestimmung des Ordnungstensors werden bei der NMR-Methode Geometrien benötigt. Dazu wurden von den Verbindungen 4, 13, 46 Röntgenstrukturen angefertigt [7-11]. Die Verbindungen 4 und 46 bilden wegen der Überbrückung gleichzeit ig einen guten Vergleich zu den Metallkomplexen, wie sie bei der enantioselektiven Synthese eingesetzt werden. Mit der Geometrie aus der Röntgenstruktur von 4 wurde mit Hilfe der Exziton-Theorie das CD- und UV-Spektrum berechnet. Durch den Vergleich von gemessenen und nach der Exziton-Methode berechneten UV- und CD-Spektren ist man in der Lage mehr über eine mögliche Geometrie in Lösung zu sagen als nur mit der Röntgengeometrie und MM2-Rechnungen. Hierbei wurden Rechnungen an den Verbindungen 3, 4, 6 durchgeführt. Die Exziton-Methode wurde erstmals auf ein 4-Körperproblem eines organischen Nicht-Polymer-Moleküls angewendet. Das 3-Körperproblem [7-12] sowie die Beschreibung von Polymermolekülen sind in der Literatur bekannt[7-13]. Einige TADDOLe wurden, um große Effekte von kleinsten Verunreinigungen auszuschließen, ausgehend von einer Reinheit größer 99% (HPLC) so weit aufgereinigt, daß mit HPLC keine Verunreinigung mehr nachweisbar war. Verbindung 4 wurde im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert. Die AHTP konnte erstmals für ein chirales Molekül außerhalb des experimentellen Fehlers nachgewiesen werden.
Metall-Ligand-Mehrfachbindungssysteme üben von jeher eine große Anziehungskraft auf den Chemiker aus. Selbst zwei Jahrhunderte nach der Entdeckung der ersten Eisen-Sauerstoff-Mehrfachbindung im Na2FeO4 ist die Faszination an dieser sich dynamisch entwickelnden Richtung der metallorganischen Chemie ungebrochen [1] . So vielfältig wie die verwendeten Metalle und Liganden - bis zum heutigen Tage kennt man Mehrfachbindungen zwischen Übergangsmetallen und den meisten Elementen der 4., 5. und 6. Hauptgruppe - so beeindruckend ist auch die Fülle von Übersichtsartikeln und unterschiedlichsten Publikationen zu diesem Forschungsgebiet [2] . Einen wesentlichen Impuls für das stetig wachsende Interesse stellt die große Zahl von wichtigen industriellen Prozessen dar, in denen Komplexe mit Metall-Ligand-Mehrfachbindungen eine entscheidende Rolle spielen. Exemplarisch sind zu nennen die Haber-Ammoniak-Synthese, die Reduktion von Nitrilen und das SOHIO-Verfahren zur Umwandlung von Propylen in Acylonnitril [3-5] . Desweiteren werden jährlich ca. 14 Millionen Tonnen chemischer Stoffe durch Oxidationsprozesse hergestellt [6] . Wer würde ernsthaft behaupten, die Mechanismen metallkatalysierter Prozesse wirklich zu kennen? Allein diese wenigen Beispiele zeigen auf, wie wichtig das Verständnis für Struktur und Bindungsverhältnisse sowie das Reaktionsverhalten rein anorganischer und metallorganischer Verbindungen ist und welcher großen Herausforderung sich die Grundlagenforschung in den nächsten Jahren zu stellen hat, ungeachtet der Verdienste, die sie bis dato erzielte.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation stehen Synthesen neuer fünfgliedriger, heterocyclischer Betaine und die Durchführung anschließender Reaktivitätsstudien. Der Zugang zu heterocyclischen Betainen kann auf zwei unterschiedlichen Reaktionswegen realisiert werden. Dabei müssen jeweils als direkte Vorläufer der neuen fünfgliedrigen Betaine I Heterocumulen-Derivate des Typs II diskutiert werden, die in g-Position zu ihrer Isocyanat-, Keten-, Ketenimin- bzw. Thioketen-Einheit eine Dialkylaminogruppe besitzen (s. Schema 83). Die direkte Cyclisierung zu den neuen Betainen erfolgt dann über einen nukleophilen Angriff des freien Elektronenpaars der Dialkylaminogruppe an das Heterocumulensystem. Der erste Teil meiner Arbeit beschreibt die Herstellung heterocumulenischer Systeme vom Typ II durch die Umsetzungen von Chlorcarbonyl-Heterocumulenen (Chlorcarbonylketenen bzw. Chlorcarbonylisocyanaten) mit monoprotischen 1,2-Binukleophilen (Hydroxylaminen, Hydrazinen und Pyrazolen). Im zweiten Teil werden die neuen Betaine I durch Umsetzungen des N-(Trimethylsilylethinyl)-N,N ,N -trimethylhydrazins mit Arylisothiocyanaten realisiert. Im dritten Teil der Arbeit beschäftige ich mich mit der Umwandlung der hergestellten Thioxo- Betaine in ihre Oxo-Analoga mit Hilfe von Entschwefelungsreagentien. Das vierte Arbeitsfeld befaßt sich schließlich mit Isomerisierungs- und Alkylierungsreaktionen an ausgewählten Pyrazolidinium-4-id-Betainen.
Typologie spielt in der Geschichte der Architekturtheorie seit jeher eine Schlüsselrolle innerhalb der Diskussion und Forschung über Architektur. In der Architektur existiert Typologie meist als Form der Klassifikation von Architektur bzw. im Versuch den "Archetyp", die abstrakte "Idee" der Architektur, vorzustellen. Die bisher angewendeten Ordnungssysteme zur Klassifikation beschränken sich auf wenige Strukturmerkmale (z.B. Nutzung, Konstruktion, Stil/Epoche). Dabei wird zwangsläufig ein Großteil von Informationen der Objekte ausgeblendet. Die Einteilungen der Gliederungsebenen werden subjektiv festgelegt. Diese subjektiv hierarchische Ordnung erzeugt das Problem, dass eine Wertung bereits im System immanent ist. Soll ein Ordnungssystem jedoch die Möglichkeit einer objektiven Wertung enthalten, so ist es eine unabdingbare Voraussetzung, dass keine subjektive Wertung bereits im Gliederungssystem vorliegt. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie es möglich ist, ein System der Ordnung zu entwickeln, das Typologie, basierend auf der Trennung von Architektur und Bauen, unter Beachtung des Phänomens der ästhetischen Differenz, nur aus Beschreibungen von Gebäuden mit nachweislich objektimmanenten Kriterien, ohne Wertungen im System selbst, konstituiert. Diese Typologie kann für weiterreichende Entwurfs- und Bewertungssysteme die Grundlage bilden. Der bisher vorherrschende Typusbegriff wird dabei zugunsten eines temporären, fluktuierenden Typus aufgehoben. Mit diesem Typologieansatz werden Voraussetzungen geschaffen, die Objekte der Architektur grundsätzlich vergleichbar machen. Auch wenn ein empirischer Ansatz nicht zwingend nötig ist, da diese Grundlagen auch theoretisch nachgewiesen sind, werden die vorgestellten Thesen, da diese Vorgehensweise für Untersuchungen von Architektur und Gebäuden von den bekannten Verfahren wesentlich differiert, im Modellversuch dargestellt. Als Untersuchungsgegenstände sind exemplarisch "industriell gefertigte Waschbeton-Minimalbaukörper als Verwahrräume für Entsorgungsgüter in der Bundesrepublik Deutschland" als abgeschlossene Population ausgewählt.
In der vorliegenden Arbeit wird die Zeitfestigkeit von Verbundträgern mit Profilblechen unter Berücksichtigung der während der Einstufen-Belastung im Versuch auftretenden Veränderungen (zyklische Dübelkennlinien, Kraftumlagerungen, ...) im System Verbundträger behandelt. Aus den Ergebnissen der Push-Out-Versuche wird eine Ermüdungsfestigkeitskurve -Wöhlerlinie - bestimmt, die im weiteren Grundlage der Zeitfestigkeitsuntersuchungen der Kopfbolzendübel in Betongurten mit Profilblechen ist. In einer ersten, vereinfachten Versuchsauswertung werden die Dübelkräfte der Verbundträger über die Elastizitätstheorie nach dem elastischen Schubfluß und unter Annahme starrer Verdübelung (d. h. Ebenbleiben des Gesamtquerschnitts) ermittelt. Daraus wird dann die Zeitfestigkeit berechnet. Die Bestimmung der Restlebensdauer der Verbundmittel über nichtlinear berechnete Dübelkäfte unter Berücksichtigung der Nachgiebigkeit in der Verbundfuge - jedoch mit Steifigkeiten wie bei Erstbelastung - erfolgt in einer zweiten Auswertungsstufe. Um die wahrscheinlichen Vorgänge im Verbundträger unter wiederholter Be- und Entlastung erklären und anschließend in Computersimulationen nachvollziehen zu können, wird in den Kapiteln 4 bis 6 das phänomenologische Verhalten der einzelnen Komponenten des Verbundträgers (Stahlträger, Betongurt und Verdübelung) unter zyklischer Beanspruchung behandelt. Unter der Annahme, daß die einzelnen Komponenten ihr phänomenologisches Verhalten unter zyklischer Beanspruchung auch im Verbundträger -Zusammenwirken der einzelnen Komponenten zu einer gemeinsamen Tragwirkung- beibehalten, wird in Kapitel 7 ein Rechenmodell entwickelt. Mit den hergeleiteten zyklischen Dübelkennlinien und nichtlinearen Computersimulationen werden Schädigungen für alle Elemente (Dübel, Stahlträger) der Verbundträger - zu jedem Zeitpunkt während der Versuchsdauer - bestimmt. Mittels der linearen Schadensakkumulationshypothese von Palmgren-Miner und mit den für die einzelnen Elementen bestimmten Ermüdungsfestigkeitskurven wird daraus die jeweilige Restlebensdauer berechnet. Dabei werden die ständigen Veränderungen im nichtlinearen Tragverhalten der Verbundträger aufgrund der Kraftumlagerungen infolge der zyklischen Kennlinien, der Nachgiebigkeit in der Verbundfuge, des Ausfalls einzelner Dübel, der evtl. auftretenden bleibenden Verformungen, der unterschiedlichen Be- und Entlastungspfade, ..., in den Simulationsberechnungen erfaßt. Abschließend wird das Verbundträgertragverhalten bis zum endgültigen Versagen (Bruch des Trägers) auch nach dem Abscheren (Ausfall) des ersten Dübels dargestellt.
Zunehmende Kritik an den Wohngebieten der vergangenen Jahre, die als Schlafstädte bezeichnet werden, die Probleme der jüngeren Generation, die vom Medienkonsum, über Gewaltbereitschaft bis zur Politikverdrossenheit reichen, machen ein planerisch angemessenes Handeln sowohl bei der Gestaltung der Wohngebiete als auch bei der Beteiligung immer dringlicher. Dies kommt in den Arbeiten der Kinder und Jugendlichen zum Ausdruck. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine methodische Vorgehensweise zur Beteiligung von Kindern und Jugendlichen theoretisch entwickelt und praktisch angewendet, um so zur inhaltlichen Definition von Bedürfnissen beizutragen. Die aus forschungsökonomischen Gründen in Rheinland-Pfalz durchgeführten empirischen Beteiligungen bedürfen dabei sicherlich im Hinblick auf die Einbindung von Kindern und Jugendlichen aus Großstädten noch weiterer Untersuchungen. Ebenso besteht im Zusammenhang mit dem Programm der Sozialen Stadt, bei der Beteiligung von Kindern aus sozialen Brennpunkten und der Einbindung von ausländischen Jugendlichen Untersuchungsbedarf. Deutlich kamen die Probleme der Mädchen im öffentlichen Raum zum Ausdruck, so dass sowohl bei der Beteiligung als auch in der Bauleitplanung Handlungsbedarf besteht. Es hat sich gezeigt, dass Kinder und Jugendliche als Stellvertreter/-innen ihre Bedürfnisse ausdrücken können. Bei der Gestaltung der Wohngebiete müssen die ingenieurtechnischen Gesichtspunkte gegenüber den sozialen und kommunikativen Aspekten in den Hintergrund treten, damit sie den Bedürfnissen der Kinder und Jugendlichen entsprechen. Erforderlich ist, dass alle Planungsverantwortlichen von der Politik über die Verwaltung bis zu den Planerinnen und Planern für die Bedürfnisse sensibilisiert und über diese informiert werden und die Möglichkeiten des Baugesetzbuches ausgeschöpft bzw. weitere gesetzliche Grundlagen geschaffen werden. Es wird damit auch ein Beitrag zu einer stärkeren Demokratisierung der Planung geleistet und der Forderung einer nachhaltigen Stadtentwicklung, wie sie z.B. in der Agenda 21 gefordert wird, entsprochen.
In dieser Arbeit wurde die Induktion von Apoptose durch vier a,b-ungesättigte Aldehyde und ein zyklisches Keton untersucht. Die Apoptoseinduktion wurde mittels 2-Parameter-Durchflußzytometrie (DNA-/Proteinmessung), Fluoreszenzmikroskopie und DNA-Isolation bestimmt. Es wurden dazu Konzentrationskinetiken (0 bis 150microM) und Zeitkinetiken (1h-Inkubation mit anschließender Postinkubation bis 24h bzw.72h bei Molt4; 0h bis 24h bei 2-Cyclohexen-1-on) an den humanen Zellinien U937, HL-60, K562 und Molt4 aufgestellt. Bei den Zellinien U937 und HL-60 konnte die induzierte Apoptose sowohl quantitativ (durchflußzytometrisch und morphologisch) als auch qualitativ (DNA-Leiter) eindeutig bestimmt werden. Für alle Verbindungen wurde eine dosis- und zeitabhängige Induktion von Apoptose detektiert. Darüberhinaus lieferte die morphologische Analyse Informationen über die Verteilung der einzelnen Apoptosestadien. Die Zellinien K562 und Molt4 zeigten keine so deutliche Übereinstimmung zwischen den 3 Detektionsmethoden. Für die Zellinie K562 ergab sich in den eingesetzten Konzentrationsbereichen nur bei 2-Cyclohexen-1-on durchflußzytometrisch eine dosis- und zeitabhängige Apoptoseinduktion, die sich zwar mit der Analyse der DNA-Leiter, nicht aber mit der morphologischen Auswertung bestätigen ließ. Für trans-2-Hexenal und trans-2-Octenal konnte nur zeitabhängig ein Anstieg mittels FCM detektiert werden, der nur für trans-2-Octenal signifikant war. Bei beiden ergab sich keine DNA-Leiter. Die morphologische Analyse für trans-2-Hexenal ließ einen ebenfalls nicht signifikanten Anstieg erkennen. Für trans-2-Octenal wurde keine morphologische Analyse durchgeführt. Die Zellinie Molt4 zeigte nur zeitabhängig für trans-2-Hexenal, 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al und 2-trans,6-cis-Nonadienal eine Apoptoseinduktion, die ausschließlich für 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al signifikant war. Die Analyse der DNA-Leiter war auch hier in allen Fällen negativ. Die morphologische Analyse konnte für 2-Cyclohexen-1-on zusätzliche, im FCM nicht detektierte Apoptose zeigen. Der Vergleich der 1-Parameter-Messung des DNA-Gehaltes mit der 2-Parameter-Messung des DNA- und Proteingehaltes der Zellinie U937 bei trans-2-Hexenal- und 2-Cyclohexen-1-on-Behandlung ergab zusätzliche, bei der 1-Parameter-Messung ?versteckte" apoptotische Zellen. Diese waren eindeutig bestimmten Zellzyklusphasen zuzuordnen. Ein weiterer Vergleich der DNA-/Proteinmessung mit der als spezifischste Methode geltenden Markierung der Strangbrüche mit fluoreszenzmarkierten Nukleotiden wurde durchgeführt. Dazu wurden Beispiele aus der Literatur eingesetzt. Dieser Vergleich zeigte, daß bei einem geeigneten Zellsystem die zellzyklusspezifische Apoptosebestimmung vergleichbar war. Von Vorteil für die DNA-/Proteinmessung war dabei die einfache und kostengünstige Durchführung.Der zur Überprüfung der Diskrepanzen zwischen den Detektionsmethoden bei den Zellinien K562 und Molt4 eingesetzte Annexin V-Assay bot in beiden Fällen keine weitere Information. Die eingesetzten Methoden konnten also bei den Zellinien U937 und HL-60 in guter Übereinstimmung Apoptose detektieren, die Zellinien K562 und Molt4 zeigten sich aufgrund fehlender Fragmentierung der DNA in 180bp-Fragmente und der relativen Apoptoseresistenz von K562 für dieses Screening als ungeeignet. Für diese Zellinien müßten weitere Methoden, die nicht auf der Fragmentierung der DNA beruhen, eingesetzt werden.Aufgrund der Tatsache, daß die Apoptoseinduktion bei den Zellinien K562 und Molt4 erst nach längerer Inkubationsdauer auftrat, wurde diese als verzögerte Apoptose interpretiert. Im Vergleich dazu handelte es sich bei den Zellinien U937 und HL-60 um frühe Apoptose. Setzt man die Apoptoseinduktion mit der Phasenspezifität der Verbindungen in Beziehung, so kann man für die Zellinien U937 und HL-60 nach Inkubation mit den untersuchten Aldehyden von Homo-Zyklus-Apoptose, mit 2-Cyclohexen-1-on von Homo-Phase-Apoptose sprechen, obwohl letztere durchflußzytometrisch erst nach 12h in Erscheinung trat. Für die Zellinien K562 und Molt4 handelte es sich bei allen Verbindungen um post-mitotische-Apoptose. Die Aldehyde zeigten bezüglich ihrer Apoptoseinduktion bei U937 und HL-60 keine Phasenspezifität, es waren alle Zellzyklusphasen betroffen. Bei K562 zeigten sie G1-Phasenspezifität, bei Molt4 G1- und teilweise G2-Phasenspezifität. 2-Cyclohexen-1-on ergab S-Phasenspezifität bei U937 und HL-60 sowie G1-Phasenspezifität bei K562. Außerden trat im Zeitverlauf für trans-2-Hexenal, 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al, trans-2-Octenal und 2-Cyclohexen-1-on ein G2/M-Arrest auf, 2-trans,6-cis-Nonadienal erzeugte einen G1-Arrest.Der Einfluß der Kettenlänge und Anzahl der Doppelbindungen auf das apoptoseinduzierende Potential wurde an den Zellinien U937 und HL-60 für trans-2-Hexenal, 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al, trans-2-Octenal und 2-trans,6-cis-Nonadienal untersucht. Dabei ergab sich ein substanzabhängiger Anstieg der Apoptoseinduktion mit steigender Kettenlänge, der aber nicht in allen Fällen signifikant war. Der Einfluß der Doppelbindungen konnte nur im direkten Vergleich von trans-2-Hexenal und 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al betrachtet werden. Hier trat kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Verbindungen auf, was wahrscheinlich auf die Konjugation der Doppelbindungen und die damit verbundene erhöhte Polarität und gleichzeitig erniedrigte Lipophilie zurückzuführen war.
Die generelle Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, einen Beitrag zur Untersuchung des Mischungsverhaltens von Phospholipiden zu liefern, läßt sich in eine theoretische und eine experimentelle Problemstellung unterteilen: Im theoretischen Bereich lag die erste Herausforderung darin, bereits existierende Modelle zur Monte Carlo-Simulation von Lipidsystemen aus vorhandenen Publikationen zu sichten, die relevanten mathematischen Formulierungen zu entwickeln und anschließend in einen geeigneten Quellcode zur Durchführung der entsprechenden Computersimulationen zu übersetzen. Mit den hieraus gewonnenen Erfahrungen sollte dann der Versuch unternommen werden, eigene Ideen bei der Simulation von Einphasen-/Zweikomponentensystemen bzw. Zweiphasen-/Einkomponentensystemen umzusetzen und die Ergebnisse auf der Grundlage der verwendeten physikalischen Modelle zu interpretieren. Als Höhepunkt wurde abschließend die Entwicklung eines Formelgebäudes zur Beschreibung von Zweiphasen-/ Zweikomponentensystemen ins Auge gefaßt. Auf experimenteller Seite wurde das Ziel angestrebt, wässerige PC/PE- bzw. PC/PG-Systeme mit unterschiedlichen Kettenlängen auf ihre Mischbarkeit hin zu untersuchen. Hierzu war es erforderlich, die bereits im Arbeitskreis vorhandenen kalorimetrischen Daten zu vervollständigen. Außerdem sollten die entsprechenden äquimolaren Gemische aus jeweils einem deuterierten und einem undeuterierten Phospholipid hergestellt und anschließend mittels 2H-NMR- und FTIR-spektroskopischer Methoden analysiert werden, um auf diese Weise die beiden Komponenten der Mischungen getrennt voneinander beobachten zu können. Die benötigten perdeuterierten Lipide sollten vorher aus den entsprechenden Fettsäuren synthetisiert werden.
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) stellen eine Gruppe von möglichen Kanzerogenen dar, die ihre mutagene und kanzerogene Wirkung erst nach einer zweistufigen biologischen Aktivierung zum Dihydrodiolepoxid entfalten. Der ubiquitär in der Umwelt vorkommende PAK Benzo[c]phenanthren ist in Nagersystemen in vitro und in vivo nur schwach biologisch aktiv, während die korrespondierenden Fjord-Region-B[c]PH-3,4-Dihydrodiol-1,2-Epoxide zu den am stärksten kanzerogenen PAK-Dihydrodiolepoxiden gehören. Die geringe Bildung von B[c]PH-3,4-DH als Vorstufe der B[c]PH-3,4-DH-1,2-Epoxide im Nager wird für die geringe biologische Aktivität von B[c]PH verantwortlich gemacht. Bisher waren nur wenige Daten zur Beurteilung der Aktivierungskapazität in menschlichem Gewebe verfügbar. In dieser Studie konnte erstmals eindeutig gezeigt werden, daß Gewebepräparationen aus Humanleber B[c]PH effizient zu genotoxischen und mutagenen Metaboliten aktivieren. Im Gegensatz zu Leberpräparationen von Ratte und Schwein, in denen mit der bevorzugten Bildung des B[c]PH-5,6-DH detoxifizierende Metabolismuswege dominieren, wird in humanen Leberpräparationen bevorzugt B[c]PH-3,4-DH als Vorläuferverbindung der ultimal kanzerogenen B[c]PH-3,4-DH-1,2-Epoxide gebildet. Von den in der menschlichen Leber vorhandenen Cytochrom P450-Enzymen erwies sich CYP 1A2 als hauptverantwortlich für die metabolische Aktivierung von B[c]PH. CYP 3A4 scheint für die Bildung von B[c]PH-5,6-DH mitverantwortlich zu sein. Beide Isoenzyme werden in der Leber stark exprimiert und besitzen eine Schlüsselfunktion bei der PAK-Aktivierung. Im Gegensatz zu humanen Lebermikrosomen erwiesen sich humane Lungenmikrosomen im wesentlichen als inaktiv. Die einzige aktive humane Lungenprobe generierte neben dem überwiegenden Metaboliten B[c]PH-5,6-DH auch bedeutende Anteile B[c]PH-3,4-DH. Studien mit CYP 450-Inhibitoren belegen eine Bedeutung von CYP 1A1 für die Aktivierung in der menschlichen Lunge, welches durch Zigarettenrauch induzierbar ist. Auch das extrahepatisch vorkommende CYP 1B1, welches vor allem in der Niere, dem Uterus und der Brustdrüse vorkommt, metabolisierte B[c]PH effektiv. Auch der zweite Schritt der Aktivierungskaskade wurde untersucht. B[c]PH-3,4-DH konnte durch humane Lebergewebepräparationen zu genotoxischen Metaboliten aktiviert werden. Die induzierte Genotoxizität war vergleichbar mit der des kanzerogenen B[a]P-7,8-DH. CYP 3A4 konnte als hauptverantwortlich für die Aktivierung identifiziert werden. Auch für humanes CYP 1B1 ist B[c]PH-3,4-DH ein gutes Substrat. Im Gegensatz dazu induzierte B[c]PH-5,6-DH nur geringe Genotoxizität. Nach Aktivierung in V79-Säugerzellen, die humanes CYP 3A4 exprimieren, wirkte B[c]PH-3,4-DH mutagen, vergleichbar mit B[a]P-7,8-DH. Schwache Mutagenität konnte auch für B[c]PH-5,6-DH nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden die Fjord-Region-Verbindung Dibenzo[a,l]pyren-11,12-Dihydrodiol (DB[a,l]P-11,12-DH), Benzo[j]fluoranthen-9,10-Dihydrodiol (B[j]F-9,10-DH), und Fluoranthen-2,3-Dihydrodiol (FLU-2,3-DH) untersucht. DB[a,l]P-11,12-DH war im Genotoxizitäts- sowie Mutagenitätstest am stärksten aktiv und induzierte 10-fach mehr HPRT-Mutationen als B[c]PH-3,4-DH und B[a]P-7,8-DH. B[j]F-9,10-DH zeigte nur im Genotoxizitätstest schwache Aktivität, während FLU-2,3-DH in beiden Systemen inaktiv war. Humanes CYP 3A4 und zu geringerem Ausmaß CYP 1A2 konnten als hauptverantwortlich für die Aktivierung von DB[a,l]P-11,12-DH identifiziert werden. Somit konnte diese Studie zeigen, daß B[c]PH durch CYP 450-Enzyme in humanem Gewebe zu genotoxischen und mutagenen Verbindungen aktiviert werden kann. Im Tierexperiment ermittelte Daten haben dagegen eine vorrangige Metabolisierung zu wenig mutagenen Metaboliten ergeben. Sie korrelieren mit dem Befund des geringen kanzerogenen Potentials im Tierexperiment. Im Gegensatz dazu wird B[c]PH in humanen Gewebepräparationen effizient zu mutagenen Endprodukten aktiviert. Die Ergebnisse zeigen, daß für die Risikobewertung wesentliche Unterschiede beim B[c]PH-Metabolismus zwischen Mensch und Nager bestehen und die Ratte im Falle von B[c]PH kein prädiktives Modell für die Biotransformation beim Menschen darstellt. Es konnte gezeigt werden, daß für die Aktivierung von B[c]PH in menschlichem Lebergewebe eine Kombination des induzierbaren CYP 1A2 (1. Aktivierungsschritt) und des Hauptenzyms der Humanleber CYP 3A4 (2. Aktivierungsschritt) für eine effiziente Aktivierung verantwortlich ist. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, daß B[c]PH eine Bedeutung für die Entstehung von Krebs beim Menschen besitzt.
Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit war die spektroskopische Untersuchung der Chiralität mittels von CD-, UV- und polarisierter UV-Spektroskopie an unverbrückten (R-1 bis R-3) und verbrückten 1,1' -Binaphtholen (R-4 bis R-7). Diese spektroskopischen Untersuchungen sind für die Interpretation der HTP (helical twisting power) erforderlich, um insbesondere auch einen Vergleich der Ergebnisse der Chiralitätsbeobachtungen CD und HTP zu ermöglichen. Um die Spektren der 1,1' -Binaphthole mit der Struktur zu korrelieren und insbesondere die Ordnungszustände in der flüssigkristallinen Phase über die 2 H-NMR-Spektren zu erhalten, mußte die Geometrie der Verbindungen, gelöst in der flüssigkristallinen Phase, bekannt sein. Da die Struktur in dieser Phase zum Teil verändert sein kann wurde die Geometrie der 1,1'-Binaphthole R-1 bis R-7 und damit der Winkel q, sowie der Potentialkurvenverlauf als Funktion der Drehung um die Naphthyl-Naphthyl-Verbindungsachse mit der AM1-Methode für die Gasphase berechnet, und mit Ergebnissen aus Röntgenstrukturdaten aus Arbeiten von Reiß und Frank [74-78] verglichen. Für die unverbrückten 1,1'-Binaphthole wurden im Bereich 90 ° +-30 ° breite flache Potentialkurven (Änderung der Energie < kT) erhalten, während die Potentialkurven der verbrückten 1,1'-Binaphthole schmäler und steiler im Verlauf ausfallen, da die Verbrückung durch den Dioxepinring eine Rotation um die Naphthyl-Naphthyl- Verbindungsachse nicht zuläßt. Als Konsequenz der flachen Potentialkurve muß für die Gasphase für diese Moleküle eine "Large Amplitude Motion (LAM)" beachtet werden, die für die Beschreibung unserer Effekte in der flüssigkristallinen Matrix in Form von lösungsmittelstabilisierten Konformere zu berücksichtigen ist, für die eine Simulation nicht durchgeführt wurde. Die Winkel zwischen den mittleren Naphthylebenen aus der AM1-Methode qAM1 und der Röntgenstrukturanalyse qRSA weichen für die verbrückten 1,1 -Binaphthole 4, 5 und 6 maximal 7° voneinander ab. Für 7 ergab sich eine große Abweichung, die aber möglicherweise artifiziell ist, da die Röntgenstruktur zum jetzigen Zeitpunkt, wegen einer Zwillingsbildung im Kristall noch nicht vollständig analysiert wurde. Bei den unverbrückten 1,1'-Binaphtholen führt die flache Potentialkurve dazu, daß die äußere Umgebung d.h. die Packungseffekte einen wesentlichen Einfluß auf den Winkel qRSA zwischen den mittleren Naphthylebenen ausübt. Hieraus ist zu ersehen, daß der Flüssigkristall ebenfalls eine Auswirkung auf den Winkel q haben wird. Es zeigt sich, daß der CD von Verbindung R-1 wesentlich besser reproduziert werden kann, wenn man zur Beschreibung -255- eine Boltzmann-Wichtung über alle mit der Exziton-Theorie berechneten CD-Spektren der einzelnen Konformationen der Potentialkurve durchführt, als wenn nur die Geometrie des Minimums benutzt wird. Um die Anisotropie der 1,1' -Binaphthole im Flüssigkristall zu analysieren ist es notwendig die Ordnung der Moleküle in der Phase, d.h. die Hauptachsen und Hauptwerte des Ordnungstensors zu kennen, die im Rahmen der Arbeit von I. Kiesewalter [92] gemessen wurde. Die Orientierung der Hauptachsen im Molekül sind abhängig von der Geometrie des Moleküls und muß, da die Moleküle C2-Symmetrie besitzen, experimentell bestimmt werden. Hierbei besteht zusätzlich das Problem, daß zwar die Größe der Quadrupolaufspaltungen experimentell ermittelbar sind, nicht aber ihr Vorzeichen. Ein Verfahren diese Informationslücke der Vorzeichen zu beheben bestand darin, alle Zuordnungen zu denkbaren Orientierungszuständen durch eine Permutation zu erhalten. Durch weitere Kriterien werden dann Zuordnungen aufgrund der erhaltenen Ergebnisse aussortiert. Für die so gefundenen Sätze von Hauptwerten * 33 ii g ist zu prüfen ob sie innerhalb des Ordnungsdreiecks liegen. Erfüllen die * 33 ii g dieses in der Hierachie oberste Kriterium folgen weitere, wie z.B. die Übereinstimmung mit den Hauptwerten aus der 13 C-Spektroskopie, um die optimalste Lösung zu ermitteln. Für 2 existieren keine Ordnungsparameter S * und D * aufgrund der schlechten Löslichkeit in ZLI-1695. Aus Tensorkoordinaten eii * , die mit Hilfe der experimentellen Ordnungsparameter S * und D * aus den Anisotropiegraden, ermittelt wurden, können im Rahmen des Exziton-Modells interpretiert werden. Für die unverbrückten 1,1-Binaphthole 1 bis 3 zeigt sich, daß die Aufspaltungsenergie n , m NK E D und damit die Wechselwirkung zwischen den Naphthylebenen, die im Exziton-Modell als Dipol-Dipol-Wechselwirkung beschrieben wird, im Vergleich zu den verbrückten 1,1-Binaphtolen 4, 5 und 7 sehr gering ist. 1 zeigt eine Aufspaltungsenergie von 1 n , m NK cm 9 . 335 E - = D , 2 und 3 zeigen eine von 94.0 cm -1 und 0 cm -1 . Der Mittelwert der Aufspaltungsenergien aus den Tensorkoordinaten von 4, 5 und 7 beträgt dagegen 1 n , m NK cm 6 . 1093 E - = D . Aus den Tensorkoordinaten der unverbrückten 1,1 ' -Binaphthole ergibt sich weiterhin, daß die a-Bande eine höhere Intensität besitzt als die b-Bande. Für die verbrückten 1,1' -Binaphthole ist das Verhältnis a- zu b-Bande genau umgekehrt. Aus Anpassungen experimenteller CD- und UV-Spektren, mit Gleichungen, die aus der Exziton-Theorie abgeleitet wurden, findet man die gleiche Tendenz, wie aus den Ergebnissen der Tensorkoordinatenzerlegung. Die Wechselwirkungsenergie n , m NK E D ist für die verbrückten 1,1' - 256-Binaphthole 1 bis 3 ca. doppelt so groß, wie für die unverbrückten 1,1' -Binaphthole 4 bis 7. Speziell aus der Anpassung der UV-Spektren ergibt sich, daß für die verbrückten 1,1' -Binaphthole 1 bis 3, daß die a-Bande größer als die b-Bande ist, während die verbrückten 1,1-Binaphthole ein umgekehrtes Verhältnis von a- zu b-Bande zeigen Weiterhin konnte mit den Tensorkoordinaten die Lage des elektrischen Dipolübergangsmomentes der a-Bande ( A B -Übergang) für 4, 5 und 7 bestimmt werden. Man findet, daß das elektrische Dipolübergangsmoment a m , das in der Ebene senkrecht zur C2-Achse polarisiert ist, einen Winkel von 49° mit der Naphthyl-Naphthyl-Verbindungsachse einschließt. Speziell für die Verbindungen 4 und 7 zeigt sich aus den Tensorkoordinaten, daß der b- bzw. B A -Übergang einmal entlang der * 2 x -Achse für 4 bzw. entlang der * 3 x -Achse für 7 liegt. Dies zeigt, daß die Orientierungsachse aus der Naphthyl-Naphthyl-Achse bei Verbindung 4 in Richtung der C2-Achse bei Verbindung 7 gekippt ist. In den Tensorkoordinaten * 22 e bei Verbindung 4 und * 33 e bei Verbindung 7, die nach dem Exziton-Modell nur den A A -Übergang zeigen sollten, kann eine zusätzliche Bande im Spektralbereich des B A -Übergangs beobachtet werden. Bei den unverbrückten 1,1' -Binaphtholen tritt diese zusätzliche Bande bei der Tensorkoordinatenzerlegung nicht zum Vorschein. Die Ursache für diese zusätzliche Bande könnte eine Intensivierung eines Übergangs sein aufgrund der Verkrümmung des Naphthylrings und der damit verbundenen Erniedrigung der Symmetrie. Für die Dipolstärke würde dann im Grundkörper, d.h. im 2-Hydroxy- naphthalin mit einem planaren System - p 0 D NK = gelten. Tabelle 78. zeigt alle Ergebnisse für die unverbrückten (1 bis 3) und verbrückten (4 bis 7) 1,1 -Binaphthole, die aus AM1-Rechnungen, Röntgenstrukturanalyse und anisotroper UV-Spektroskopie im Rahmen dieser Arbeit erhalten wurden. Die Daten aus der anisotropen UV-Spektroskopie werden verglichen mit Daten, die man aus einer Anpassung experimenteller CD- und UV-Spektren in ZLI-1695 bei T=80°C, mit Hilfe von Gleichungen, die aus der Exziton-Theorie abgeleitet sind, erhält.
In der vorliegenden Arbeit wird das photochemische Reaktionsverhalten der Komplexe Tricarbonyl(h6-1,3,5,7-cyclooctatetraen)chrom(0) ( 1) und Tricarbonyl(h6-1,3,5-cyclooctatrien)chrom(0) ( 2) gegenüber Alkinen untersucht. Zur Charakterisierung aller Produkte wurden IR-, 1H-NMR- und 13C-NMR-spektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Massenspektroskopische Messungen und Elementaranalysen ergänzen die analytischen Daten. An Hand der synthetisierten Verbindungen werden abhängig vomSubstitutionsmuster der eingesetzten Alkine für beide Ausgangskomplexe drei verschiedene Produkttypen identifiziert.Beide Komplexe reagieren mit sterisch aufwendigen Alkinen, wie Tolan und 1- Phenyl-2-trimethylsilylethin durch [6+2]-Cycloaddition zu den 1:1-Addukten des Typs A. Aus 1 werden die Tricarbonyl(h4:2-bicyclo[4.2.2]deca-2,4,7,9-tetraen)chrom(0)- Komplexe und aus 2 die Tricarbonyl(h4:2-bicyclo[4.2.2]deca-2,4,7-trien)chrom(0)-Komplexe gebildet. Mit sterisch weniger aufwendig substituierten Alkine, wie 2-Butin (9) und 3-Hexin ( 10), sowie endständige Alkine, wie Trimethylsilylethin ( 7) und 3,3-Dimethyl-1-butin ( 8) werden die 2:1-Produkte des Typs B durch Tandem-[6+2]- homo-[6+2]-Cycloadditionen mit nachfolgender De- und teilweiser Rekomplexierung gebildet. Hierbei entstehen aus 1 Tetracarbonyl(h2:2-tetracyclo[9.1.0.04,8.05,12]- dodeca-2,6,9-trien)chrom(0)-Komplexe. Mit 2 werden die Kohlenwasserstoffe Tetracyclo[9.1.0.0 4,8.05,12]dodeca-6,9-dien erhalten. In einer Konkurrenzreaktion entstehen bei der Umsetzung mit den Alkinen 9 und 10 durch nacheinander ablaufende [6+2]- und [2+2]- Cycloadditionen die 2:1-Produkte des Typs C. Aus 1 werden hierbei Tetracarbonyl( h2:2-tricyclo[6.2.2.02,5]dodeca-3,6,9,11-tetraen)- chrom(0)-Komplexe und aus 2 werden die Kohlenwasserstoffe Tricyclo[6.2.2.0 2,5]dodeca-3,6,9-trien gebildet. Mit den endständigen Alkinen werden ausschliesslich die koordinierten bzw. freien Tetracyclen B erhalten. Mit den Alkinen 9 und 10 wird dieser Typ nur als Nebenprodukt isoliert. Das mit diesen Alkinen gebildete Hauptprodukt sind die Tricycloverbindungen des Typs C. Die Erklärung fürdiese zwei verschiedenen Produkttypen ist aus der mechanistischen Betrachtung der chromvermittelten Cycloadditionen zu verstehen. Bei der photochemischen Umsetzung von Tricarbonyl( h6-1,3,5,7-cycloocta-tetraen)chrom(0) werden Carbonyl-chrom-Komplexe aller drei Typen isoliert. Für die Umsetzungen mit Tricarbonyl(h6-1,3,5-cyclooctatrien)chrom(0) sind nur für die 1:1-Addukte Komplexe zu isolieren. Die 2:1-Produkte werden aufgrund ihrer Molekülstruktur nicht koordiniert. Bei dem Versuch den freien Kohlenwasserstoff 6,12-Bistrimethylsilyltetracyclo-[9.1.0.0 4,8.05,12]dodeca-2,6,9-trien an ein Cyclopentadienylkobaltfragment zu komplexieren, wird eine Copeartige Umlagerung beobachtet. Der resultierendeKohlenwasserstoff wird am Kobalt koordiniert. Weitere Untersuchungen zum photochemischen Reaktionspotential von 2 werden mit 1,3,5-Cycloheptatrienvorgenommen. Bei dieser Reaktion findet jedoch keine C-C-Verknüpfung sondern ein Austausch der Liganden statt. Umgekehrt reagiert Cyclooctatrien durch das mit ihm im Gleichgewicht vorliegenden Valenzisomer Bicyclo[4.2.0]octa-2,4-dien über eine [6+4]- Cycloaddition photochemisch mit Tricarbonyl(h6-1,3,5- cycloheptatrien)chrom(0) zu Tricarbonyl(h4:2-tetracyclo[6.4.2.12,7.09,12]pentadeca-3,5,13-trien)chrom(0).
In der vorliegenden Arbeit wurde das Reaktionsverhalten von zweikernigen Eisencarbonyl-komplexen mit h5:3-koordinierten, verbrückenden Fulvenliganden gegenüber ausgewählten Alkinen untersucht. Hierzu kamen die drei Komplexe Pentacarbonyl(m-h5:3-6,6-diphenylfulven)dieisen(Fe-Fe) (1), Pentacarbonyl(m-h5:3-6-methyl-6-phenylfulven)dieisen(Fe-Fe) (2) und Pentacarbonyl[m-h5:3-6(E-prop-1-enyl)fulven]dieisen(Fe-Fe) (5) zum Einsatz. Die Charakterisierung der Produkte erfolgte anhand der IR-, 1H-NMR- sowie 13C-NMR-Spektren. Darüber hinaus konnte von den Verbindungen 7 und 19 eine Kristallstrukturanalyse angefertigt werden. Bei den Umsetzungen des literaturbekannten Komplexes 1 sowie bei den Umsetzungen von Komplex 2 mit ausgewählten Alkinen konnten jeweils fünf Produkte isoliert werden. Bei diesen insertiert das eingesetzte Alkin ausschließlich in ß-Position am Fünfring in die Eisen-Kohlenstoff-Bindung, wobei die CC-Bindungsknüpfung bei den verwendeten 1-Alkinen regiospezifisch an C2 erfolgt. Darüber hinaus konnte aufgrund NMR-spektros-kopischer Untersuchungen die Stellung der Methylgruppe am exocyclischen Kohlenstoff der aus den Umsetzungen mit 2 gebildeten Produkte, ausschließlich in Z-Position am Enylsystem nachgewiesen werden. Zusätzlich zur bislang nicht literaturbekannten Verbindung 2 konnten bei deren Synthese die beiden ebenfalls bislang unbekannten Komplexe Hexacarbonyl(m-h5:1-6-methyl-6-phenylfulven)dieisen(Fe-Fe) (3) und Tetra-carbonyl-(m-h5:5-1,2-dicyclopenta-dien-diyl-1,2-dimethyl-1,2-diphenylethan)dieisen (Fe-Fe) (4) isoliert werden. Bei den photochemischen Umsetzungen der literaturbekannten Verbindung 5 mit Alkinen erfolgt die CC-Bindungsknüpfung zwischen dem Alkin und dem Fulvenliganden nicht am Fünfring, sondern am exocyclischen Enylsystem. In einer Pauson-Khand-analogen Reaktion wird unter Einbezug eines Äquivalentes Kohlenmonoxid ein Cyclopentenonsystem generiert, dessen Sauerstoffatom an die Pentacarbonyldieiseneinheit koordiniert ist. Bei Verwendung von 2-Butin als Reaktionspartner kann zusätzlich Komplex 16 isoliert werden, welcher als ein Zwischenprodukt auf dem Wege der Synthese des Cyclopentenon-systems angesehen werden kann. Weiterhin konnten in den drei Verbindungen 1, 2 und 4 gehinderte Ligandbewegungen mit Hilfe der dynamischen NMR-Spektroskopie aufgefunden und studiert werden.
Die FoF1-ATP-Synthase katalysiert die Synthese von ATP aus ADP und Pi bei der oxidativen bzw. Photophosphorylierung. Der ATP-Synthase-Komplex läßt sich in zwei funktionelle Einheiten unterteilen: Fo ist ein integraler Membranproteinkomplex, der den Protonenkanal bildet. F1 hingegen ist ein wasserlöslicher Proteinkomplex, der die Nukleotidbindungsstellen trägt. Die ATP-Synthase aus Escherichia coli hat die Zusammensetzung alpha3beta3gamma delta epsilon für die F1 und ab2c9-12 für den Fo-Teil. "Native" (d.h. nicht nukleotidbefreite) F1 aus Escherichia coli (EF1) wurde mit verschiedenen spinmarkierten Adeninnukleotiden ESR-spektroskopisch vermessen. Es wurden Spektren mit zwei Signalen gemessen, ein Hinweis auf zwei verschiedene Konformationen der Bindungsstellen. Durch Titrationsexperimente wurden die Bindungsstöchiometrie und die Spektren für die verschiedenen verwendeten Nukleotide ermittelt. Die gleichen Experimente wurden mit einer Mutante, die in den nichtkatalytischen Bindungsstellen keine Nukleotide bindet, durchgeführt. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, daß zwei der drei katalytischen Bindungsstellen zum äußeren Signal beitragen, während die dritte das innere Signal hervorruft. Die Untereinheiten alpha; und beta der EF1, wurden isoliert und in gleicher Weise wie die F1 untersucht. Während alpha; 0,8 Moleküle SL-ATP binden konnte, zeigte beta keine Bindung. Mit 2',3'-SL-ATP in Komplex mit alpha; konnten ESR-Spektren mit zwei Signalen gemessen werden, die SL-ATP-Derivate, bei denen der Spin-Label entweder an der 2'- oder 3'-Position fixiert ist, zeigten lediglich ein Signal. Die beobachteten 2Azz-Werte unterscheiden sich stark in Abhängigkeit von der Position des Spin-Labels. Um die Bindung der F1 an den Fo-Teil und die Struktur des aus den b- und delta-Untereinheiten gebildeten zweiten Stiels zu untersuchen, wurden verschiedene Mutanten einer wasserlöslichen Form der b-Untereinheit (bsyn) mit dem Spin-Label IodacetamidTEMPO markiert. Das System F1/bsyn wurde mit den an unterschiedlichen Positionen markierten bsyn-Mutanten ESR-spektroskopisch untersucht. Dabei wurden Spektren von freiem bsyn sowie bsyn im Komplex mit F1 und F1-delta (alpha3beta3gamma epsilon) aufgenommen: Alle gelabelten b-Mutanten weisen ähnliche ESR-Spektren von stark mobilen Spin-Labeln auf. Die ähnlichen Werte lassen darauf schließen, daß der b-Dimer über weite Teile eine vergleichbare Struktur besitzt. Im Komplex mit F1 zeigen fast alle Mutanten eine stärkere Immobilisierung als die freien b-Mutanten. Tendenziell nimmt in Richtung des C-Terminus die Differenz der Hochfeld : Mittelfeld-Verhältnisse der Spektren von b und F1/b zu, was die Vermutung nahelegt, daß die Bindung von b an die F1 in Richtung des C-Terminus stärkeren Einfluß auf die Struktur hat. bsyn im Komplex mit F1-delta zeigt nur an einzelnen Positionen eine stärkere Immobilisierung des Spin-Labels. Es scheint somit wahrscheinlich, daß die b-Untereinheit außer über delta noch weitere Kontakte mit der EF1 hat.
In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer präparativer Zugang für das gemischtvalente Tetraphosphet 5, einem Homologen des Cyclodiphosphazens, beschrieben. Durch Umsetzung des Bis(amino)chlorphosphans 26 mit Tris(trimethylsilyl)phosphan (31) bzw. Lithiumbis(trimethylsilyl)phosphanid (32) kann 5 erstmals in größeren Mengen hergestellt werden. NMR-spektroskopische Untersuchungen sowie die Stöchiometrie der Reaktion weisen darauf hin, dass hierbei das Tris(phosphanyl)phosphan 30 als Zwischenstufe beteiligt ist. Das für die Synthese von 5 angewandte Konzept ermöglicht die Herstellung weiterer Homologer. So reagiert das Bis(amino)chlorphosphan 26 mit Tris(trimethylsilyl)arsan (51) auf analoge Weise zum Diarsadiphosphet 52. Eine Tris(phosphanyl)arsan-Zwischenstufe (55) kann vermutet werden. 52 kristallisiert isotyp zu 5. Die Winkel im rautenförmig verzerrten zentralen Vierring von 52 unterscheiden sich mit Werten von 100.81(4)° an P1 bzw. 79.19(4)° an As1 nur geringfügig von den entsprechenden Werten in 5 (100.6(1)° an P1 bzw. 79.4(1)° an P2). Die ermittelten P-As- Bindungslängen liegen mit 2.2836(13) bzw. 2.2837(13) Å in der Mitte der Werte typischer P-As-Einfach- und Doppelbindungen. Bei der Umsetzung des Bis(amino)chlorarsans 66 mit Tris(trimethyl)silylphosphan (31) bzw. Lithiumbis(trimethylsilyl)phosphanid (32) kann das Tris(arsanyl)phosphan 67 isoliert werden. Die Molekülstruktur von 67 zeigt eine schaufelradartige "all-trans"-Anordnung der drei Arsanyl-Substituenten um das pyramidale Phosphoratom (Winkelsumme: 333°). Die P-As-Bindungslängen entsprechen mit mittleren 2.377 Å typischen P-As-Einfachbindungswerten. Im Vergleich zu seinen Analoga 30 und 55 ist das Tris(arsanyl)phosphan 67 wesentlich stabiler. Erst bei Temperaturen über 150°C beobachtet man eine deutliche Zersetzung von 67. NMR-spektroskopisch lässt sich hierbei das Tetrakis(amino)diarsan 72 als Thermolyseprodukt nachweisen. Man findet keine konkreten Hinweise für die Bildung eines zu 5 bzw. 52 homologen Diphosphadiarsets. Einen vollkommen unerwarteten Verlauf nimmt die Umsetzung des Bis(amino)chlorarsans 66 mit einem Überschuss an Lithiumbis(trimethylsilyl)phosphanid (32). Neben dem bereits bekannten Tetraphosphet 5 erhält man mit dem Arsatriphosphet 84 einen weiteren Vertreter aus der Familie der cyclodiphosphazenähnlichen Verbindungen. 5 und 84 bilden "echte" Mischkristalle, die ermittelte Molekülstruktur entspricht deshalb einem statistischen Doppelbild. Die durch die unsymmetrische Verteilung der Pnikogenatome in 84 bedingte drachenförmige Verrzerrung des zentralen Vierringes dokumentiert sich im spitzen Winkel von 74.3(2)° an As1. Demgegenüber weisen die Winkel an P1 (103.4(3)°), P1a (100.8(3)°) und P2 (81.4(3)°) nur geringe Unterschiede zu den entsprechenden Werten in 5 und 52 auf. Die P-As-Bindungslängen liegen mit Werten von 2.317(8) und 2.273(8) Å im gleichen Größenordnungsbereich wie die entsprechenden Werte in 52. Bei der Umsetzung des Bis(amino)chlorarsans 66 mit Tris(trimethylsilyl)arsan konnte die Bildung des Tris(arsanyl)arsans 91 NMR-spektroskopisch und massenspektrometrisch nachgewiesen werden. Hinsichtlich seiner thermischen Stabilität ordnet sich 91 zwischen dem Tris(phosphanyl)phosphan 30 und dem Tris(arsanyl)phosphan 67 ein. Die bei Raumtemperatur langsam verlaufende Zersetzung von 91 verläuft analog zur Thermolyse von 67. Auch hier lässt sich NMR-spektroskopisch das Tetrakis(amino)diarsan 72 als Zersetzungsprodukt nachweisen. Hinweise auf die Bildung eines zu 5 bzw. 52 homologen Tetraarsets werden nicht beobachtet. Auch von dem Tetrakis(amino)arsan 72 liegen Ergebnisse einer Kristallstrukturanalyse vor. Die Konformation in 72 weicht um 61.5° von einer idealen trans-Anordnung ab. Der As-As-Abstand ist mit 2.673(3) Å der größte bislang ermittelte. "Sekundäre" As-As-Bindungen zwischen benachbarten Molekülen werden nicht beobachtet. 72 ist extrem empfindlich gegenüber Luftsauerstoff. Durch Oxidation entsteht das Bis(arsanyl)oxid 94, von dem ebenfalls eine Kristallstruktur vorliegt. Die As-O-Bindungslängen in 94 betragen 1.808(4) und 1.806(4) Å, der As-O-As-Winkel 126.1(3)°.Erste orientierende Untersuchungen belegen die Eignung des Tetraphosphets 5 und des Diarsadiphosphets 52 als Bausteine für die Synthese neuartiger Heterocyclen. 5 setzt sich mit Acetylendicarbonsäuredimethylester (6a) in glatter Reaktion zu dem Tetraphosphinin 110 um. Die ermittelten Strukturparameter für 110 (Torsion des Sechsringes, P-P-Bindungs-längen zwischen 2.1182(8) und 2.1335(8) Å, P-C-Abstände von 1.799(2) und 1.741(2) Å sowie die C-C-Bindungslänge von 1.402(3) Å) und die 31 P- und 13 C-NMR- Daten weisen auf einen ylidischen Charakter der Bindungen innerhalb des zentralen Sechsringes hin. Erst unter drastischeren Reaktionsbedingungen (mehrere Tage bei 150°C im geschlossenen Rohr) und wesentlich unselektiver verläuft dagegen die Umsetzung von 5 mit Diphenylacetylen (6b). Neben einem weiteren Tetraphosphinin-Derivat 122 lässt sich hierbei 31 P-NMR-spektroskopisch und massenspektrometrisch das 1ao -Diphosphet 123 nachweisen. Dieses resultiert formal aus der 2+2-Cycloaddition des Phosphidophosphorans Me 2 Si(N t Bu)2 P P (29) an das Alkin 6b. Bei der Reaktion des Diarsadiphosphets 52 mit Acetylendicarbonsäuredimethylester 6a weisen die experimentellen Befunde auf die Bildung des 2ao-Arsaphosphets 124 hin. Darüberhinaus findet man Hinweise für die achtgliedrigen Acht-A' -Elektronen-P/As-Heterocyclen 125 und 126, die formal aus der Insertion von 2 Äquivalenten 6a in die P/As-Bindungen des Diarsadiphosphets 52 resultieren.
Die polymorphkernigen neutrophilen Granuolzyten (PMN) besitzten zur Abwehr mikrobieller Pathogene unter anderem einen vorgefertigten Pool an Serinproteasen (Elastase (HNE), Proteinase 3 (PR3) und Cathepsin G). Diese Proteasen werden in den primären Granula aufbewahrt. Stimulation der PMN bewirkt eine Verschmelzung der Granula mit der Zellmembran und somit einer Freisetzung der Proteasen in das Phagolysosom oder in den extrazellulären Raum. Bei Patienten mit chronischen Entzündungskrankheiten, wie der Wegener'schen Granulomatose, finden sich die Proteasen in katalytisch aktiver Form auf der Zellmembran der PMN. In vitro Versuche haben gezeigt, daß diese oberflächengebundenen Serinproteasen nicht mehr von den Plasmaproteaseinhibitoren, die die Aktivität der ins Plasma freigesetzten Enzyme regulieren, inaktiviert werden können. Somit könnten die Proteasen auf der Zelloberfläche einen wichtigen Beitrag in der Pathogenese der Zellschädigungen, wie sie bei Wegener Patienten gefunden werden beitragen. In der vorliegenden Arbeit konnte mittels kompetitiven Bindungsstudien die Zahl der Bindungsstellen auf PMN für exogene Elastase auf etwa 40000/Zelle bestimmt werden. Inhibtionsstudien mit monoklonalen Antikörpern und synthetischen Peptiden identifizierten die ß2-Integrine CD11b und in geringerem Maße CD11a und CD11c als Bindungsstellen auf der Zelloberfläche. Die Bindung der Elastase an PMN ist abhängig von Ca2+, einem typischen Merkmal der Ligandenbindung der ß2-Integrine. Diese Ergebnisse konnten mittels der direkten molekularen Interaktion von Elastase und CD11b des gereinigten CD11b/CD18-Komplexes bestätigt werden. Die Bindung von Elastase an den isolierten CD11b/CD18-Komplex läßt sich mit Antikörpern gegen CD11b, nicht jedoch gegen CD18 hemmen. Elastase kann mit Antikörpern gegen CD11a und CD11b von der Membran stimulierter PMN copräzipitiert werden. Dies zeigt, daß die endogene Elastase ebenfalls an die ß2-Integrine auf der Zellmembran der PMN bindet. Adhäsionsversuche mit Epithel- und Endothelzellenmonolayern zeigten, daß die oberflächengebundene Elastase keinen Einfluß auf die PMN-Epithelzell Wechselwirkung hat, die Adhäsion an Endothelien jedoch fast vollständig unterdrückt. Bei der Adhäsion der PMN an Epithelien ist die Wechselwirkung der ß2-Integrine mit einem Rezeptor auf den Epithelzellen nicht der bestimmende Schritt. Die feste Adhäsion der PMN an Endothelzellen erfolgt dagegen fast ausschließlich über die Bindung von CD11b an ICAM-1 auf dem Endothel. Elastase kann so die Bindungsstelle für ICAM-1 blockieren oder aber ICAM-1 angreifen und die Adhäsion der PMN verhindern. Eine weitere wichtige Funktion des CD11b-Moleküls der Granulozyten ist die Bindung an C3bi auf opsonierten Mikroben. Dies wurde mittels der Bindung von PMN an C3bi-opsonierte Schafserythrozyten untersucht. Es binden weitaus mehr PMN mit oberflächengebundener Elastase an die Schfaserythrozyten als PMN ohne Elastase auf der Zelloberfläche. In der Durchflußzytometrie konnte gezeigt werden, daß die Bindung exogener Elastase in CD11b eine Konformationsänderung hervorruft, was sich in der Expression des aktivierungsabhängigen Epitops zeigt. Dieses Epitop charakterisiert den hoch affinen Zustand der CD11b Moleküle, der für eine starke Bindung an viele Liganden verantwortlich ist. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, daß die Serinproteasen keinen Einfluß auf die Zahl der exprimierten CD11a und CD11b-Moleküle haben. Lediglich das mit CD11 assoziierte Molekül CD18 zeigt bei einigen Spendern eine leichte Sensibiltät für proteolytische Spaltung, einhergehend mit einer leicht reduzierten Expression.
Die Optimierung organischer Moleküle für die nichtlineare Optik ist seit 15 bis 20 Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Anfangs konzentrierten sich die Untersuchungen auf lineare donor-akzeptor-substituierte Chromophore, bei denen der Tensor der Polarisierbarkeit zweiter Ordnung beta lediglich eine signifikante Komponente aufweist. Dipolare und nichtdipolare Chromophore mit mehrdimensionalem Charakter der Polarisierbarkeit zweiter Ordnung weisen einige Vorteile gegenüber diesen herkömmlichen eindimensionalen Chromophoren auf. In der Literatur wird intensiv diskutiert, inwieweit die nichtlinear-optischen Eigenschaften dieser Chromophore, aus den Eigenschaften der sie aufbauenden dipolaren Untereinheiten ableitbar sind. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, ob Optimierungsstrategien dipolarer Chromophore auf nichtdipolare Chromophore übertragen werden können. Zur Klärung der Zusammenhänge werden in dieser Arbeit Messungen an mehreren systematischen Reihen einfach, zweifach und dreifach donor-substituierter 1,3,5-Triazin- und 1,3,5-Tricyanobenzol-Akzeptoreinheiten vorgestellt. Als Donoren werden Diethylaminophenyl-, Diethylaminophenylethinyl- und Diethylaminophenylethenyl-Einheiten eingesetzt. Neben optischen und elektrooptischen Absorptionsmessungen werden zur Untersuchung der nichtlinear-optischen Eigenschaften polarisationsabhängig durchgeführte feldinduzierte Frequenzverdopplung (EFISH) und Hyper-Rayleigh-Streuung (HRS) eingesetzt. Durch Kombination der Methoden gelingt die Ermittlung aller signifikanten Komponenten des Polarisierbarkeitstensors zweiter Ordnung. Grundvoraussetzung für die Bestimmung molekularer Größen aus der Kombination verschiedener Meßmethoden ist die konsistente Formulierung der Einflüsse lokaler Felder. Nur dann ist die Vergleichbarkeit der aus verschiedenen Methoden gewonnenen molekularen Daten gewährleistet. Die Moleküle zeigen mit Ausnahme der mit kurzen Donoreinheiten substituierten Tricyanobenzole geringe sterische Hinderungen und bieten daher gute Voraussetzungen für die systematische Untersuchung ihrer Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Für die in dieser Arbeit vorgestellten Substanzen wird eine ausgeprägte Korrelation zwischen den Polarisierbarkeiten zweiter Ordnung von dipolaren einfach und zweifach donor-substituierten Chromophoren und nichtdipolaren dreifach donor-substituierten Chromophoren experimentell belegt. Mit dem vorliegenden Strukturkonzept gelingt die Ausdehnung der sehr guten nichtlinear-optischen Eigenschaften der eindimensionalen Chromophore auf dipolare und nicht-dipolare Chromophore mit zweidimensionaler Struktur des Polarisierbarkeitstensors zweiter Ordnung. Das dreifach diethylaminophenylethinyl-substituierte Tricyanobenzolderivat zeigt eine der größten für nichtdipolare Chromophore je ermittelten Polarisierbarkeiten zweiter Ordnung.
Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Etablierung und Validierung transgener und endogener Reporter zur Erfassung und Charakterisierung estrogenartiger Fremdstoffe. Für den Aufbau transgener Reportergensysteme sollten eigene Reportergenplasmide konstruiert werden. Als transgene Reporter wurden die sekretierbare Alkalische Phosphatase sowie das Luciferase Enzym ausgewählt. Die Expression der Reportergene sollte unter der Kontrolle des estrogenrezeptorinduzierbaren Wildtyp Promotors Vitellogenin A2, der im Gegensatz zu synthetischen Tandemkopien alle Vorteile eines natürlichen Promotors aufweist, stehen. Dazu wurde der Vitellogenin A2 Promotor in die Multiple Cloning Site des Reportergenvektors vor die codierende Sequenz des Reportergens kloniert. Es gelang die Konstruktion beider Reportergenplasmide mit Hilfe zweier unterschiedlicher Verfahren. Die Zwischenschritte der Konstruktion wurden jeweils überprüft. Die abschließende Funktionsprüfung der Plasmide nach Transfektion in geeignete estrogenrezeptorpositive Zellinien durch entsprechende Inkubation der Zellen und Nachweis der Reportergene mittels spezifischer enzymatischer Reaktion war erfolgreich. Für den Aufbau eines neuen Reportergensystems wurde die humane Mammacarcinomzellinie MCF-7 mit dem Reportergenkonstrukt pSEAP2/VITA2 transfiziert. Die Etablierung und Validierung erfolgte mit bekannten Estrogenrezeptoragonisten und Antagonisten. Exemplarisch wurden zwei Estrogenrezeptoragonisten, Diethylstilbestrol (DES) und b-Sitosterol geprüft. Der nach DES-Inkubation aus den erhaltenen Kurven berechnete RE-Wert (RE=Relative Effektivität) lag, wie in der Literatur beschrieben, in der gleichen Größenordnung wie der von Estradiol. Zusätzlich gelang die Cotransfektion der Plasmide pSEAP2/VITA2 und pSV2neo in MCF-7 Zellen und die Selektion der transfizierten Zellen mit Geneticinsulfat (G418). Untersuchungen der Alkalischen Phosphatase Aktivität der Zellen nach entsprechender Substanzinkubation ergaben, daß die Zellen bis zu einem halben Jahr beide Plasmide integriert haben und zur Charakterisierung potentiell hormonaktiver Verbindungen verwendet werden können. Danach ist eine erneute Transfektion erforderlich. Die Entdeckung eines zweiten Estrogenrezeptors, ERb, in Ratte, Maus und Mensch verdeutlicht, daß estrogenrezeptorvermittelte Mechanismen sehr komplex sind. Da beide Subtypen eine unterschiedliche Gewebeverteilung aufweisen, wird ein Zusammenhang mit den selektiven Wirkungen der Estrogene auf deren Zielgewebe diskutiert. Durch den Einsatz spezifischer Primer für ERa und ERb konnte mittels RT-PCR gezeigt werden, daß in der humanen Mammacarcinomzellinie MCF-7 beide Subtypen exprimiert werden, was mit den Literaturergebnissen übereinstimmt. Aus diesem Grund sollten Reportergensysteme mit dem jeweiligen Estrogenrezeptorsubtyp in geeigneten Zellinien etabliert werden, um potentielle estrogenaktive Fremdstoffe am entsprechenden Subtyp getrennt zu untersuchen und so mögliche Unterschiede bezüglich der Genaktivierung zu erkennen. Es wurden verschiedene Zellinien, die endogen keinen Estrogenrezeptor exprimieren, mit den Rezeptorexpressionsplasmiden und den Reportergenplasmiden mit Hilfe unterschiedlicher Transfektionsmethoden transfiziert. Als geeignetste Zellinie erwies sich hierbei die embryonale Nierenzellinie HEK 293, als effektive und daneben auch kostengünstigste Transfektionsmethode wurde die Elektroporation gewählt. Die Etablierung und Validierung dieser Systeme konnte sowohl für Alkalische Phosphatase als auch für Luciferase erfolgreich abgeschlossen werden. Erste Substanzen wurden an beiden Subtypen durch Nachweis des Luciferasereportergens getestet. Signifikante Unterschiede wie von Kuiper et al [Kuiper et al, 1997] für die Phytoestrogene Coumestrol und Genistein beschrieben, konnte für die untersuchten Verbindungen (DES, Resveratrol und o,p'-DDT) nicht beobachtet werden. Neben transgenen Nachweismethoden sollte ein Verfahren zur Detektion eines endogenen Reporters etabliert und validiert werden. Dafür wurde das in der MCF-7 Zellinie estrogenabhängig exprimierte pS2 Protein als geeigneter Parameter ausgewählt. Zur Detektion des pS2-Proteins wurden zwei Nachweisverfahren eingesetzt. Auf Protein-Ebene ein immunradiometrischer Assay, auf mRNA-Ebene die RT-PCR. Der Nachweis des pS2-Proteins mittels immunradiometrischem Assay zeigte eine gute Sensitivität, der EC50-Wert von Estradiol lag im Vergleich zur stabilen MCF-7-Luc Zellinie eine Zehnerpotenz niedriger. Ergänzend wurden die Substanzen Bisphenol A, o,p'-DDT, Daidzein sowie p-tert.-Octyl- bzw. Nonylphenol untersucht. Der durch die jeweilige Verbindung hervorgerufene Verlauf der Proteininduktion ist mit den Ergebnissen des MCF-7-Luc-Systems vergleichbar. Im Vergleich zum MCF-7-Luc System konnte eine höhere intrinsische Potenz beobachtet werden. Die Etablierung der RT-PCR-Methode zum Nachweis der mRNA mit pS2 spezifischen Primern war erfolgreich. Weiterführende Untersuchungen zur Quantifizierung der pS2 mRNA mittels nicht-genomischem Standard wurden von Gensler durchgeführt. [Gensler, 1999] Verbindungen unterschiedlichster Herkunft wurden mit dem stabilen MCF-7-Luc System auf ein eventuell hormonelles Potential untersucht. Das Phytosterol b-Sitosterol (aus Soja und technisch erzeugtes) zeigte eine signifikante estrogene Wirkung, das als Negativkontrolle mitgeführte Cholesterol führte nicht zur Reportergeninduktion. Verschiedene Parabene wurden aufgrund der in der Literatur beschriebenen estrogenen Wirkung untersucht. Eine Expression der Luciferase durch die Parabene konnte im Transaktivierungsassay nicht nachgewiesen werden. Die Untersuchung verschiedener natürlich vorkommender Zimtsäureanaloga ergab, im Gegensatz zu Zimtsäuremethylester, keine Hinweise auf eine estrogene Aktivität. Neben der Prüfung von Einzelverbindungen kann dieses etablierte System auch zur Prüfung von Kombinationseffekten herangezogen werden. Kombinationen von Bisphenol A, o,p'-DDT, Daidzein, p-tert.-Octyl- oder Nonylphenol unterschiedlicher Konzentrationen mit Estradiol 1 nM ergaben hohe Reportergeninduktionen, die maximal bis zum Wirkungsplateau von Estradiol reichten. Zusätzliche Kombination mit ICI 182 780 1 microM führte zur Antagonisierung der beobachteten Effekte, was darauf hinweist, daß diese estrogenrezeptorvermittelt ablaufen. Es konnten neue funktionelle Testsysteme und Methoden zur effektiven Prüfung potentiell hormonell aktiver Verbindungen etabliert und validiert werden, die auf der Detektion transgener oder endogener Reporter beruhen. Diese können sowohl zur Wirkstofffindung als auch zur Erkennung und Charakterisierung möglicher toxikologisch relevanter Wirkungen dienen.
Circulardichroismus und Helical Twisting Power als Chiralitätsmessungen an anisotropen Systemen
(2000)
Die Ergebnisse von Messungen an chiralen anisotropen Systemen sind entweder nur oder gar nicht oder nur teilweise durch deren Chiralität bestimmt. Um Ergebnisse von Messungen an chiralen anisotropen Phasen so zu klassifizieren, daß sie entweder nur durch die Chiralität oder nicht durch sie bestimmt sind, bedarf es der Erweiterung der Definition des Begriffs "Chiralitätsmessung" auf anisotrope Systeme, die für isotrope Systeme erstmals von Ruch und Schönhofer gegeben wurde. Für optische Messungen ergibt sich dabei, daß mindestens eine C3-Symmetrie um die Richtung, entlang der die Messung durchgeführt wird, existieren muß oder durch mehrere unabhängige Messungen der um diese Richtung gedrehten Probe in die Auswertung der Messung eingebracht werden muß, um eine Chiralitätsmessung zu erhalten. Beispiele dafür sind der Circulardichroismus anisotroper Phasen (ACD) und chirale Induktion (Helical Twisting Power (HTP)). Für die Analyse des ACD's und der HTP von Binaphthylen stehen aus früheren Arbeiten Strukturdaten und Ordnungstensoren zur Verfügung, so daß für diese Verbindungen die Circulardichroismustensoren und die Chiralitätswechselwirkungstensoren bestimmt werden konnten. Wenn mindestens zwei Verbindungen zu Verfügung stehen, die den gleichen Chromophor besitzen, sich aber strukturell in anderen Bereichen unterscheiden und damit in einer flüssigkristallinen Phase andere Ordnungstensoren haben, dann sind die unterschiedlichen ACD-Spektren dieser Verbindungen auf die unterschiedliche Orientierung der Moleküle und damit der Chromophore im Flüssigkristall zurückzuführen. In diesem Fall kann dann die Bestimmung der Tensorkoordinaten des Circulardichroismustensors mit guter Genauigkeit erfolgen und mit den Strukturmerkmalen der Verbindungen in Beziehung gesetzt werden. Obwohl der ACD mit dem Circulardichroismustensor und die HTP mit dem Chiralitätswechselwirkungstensor mit der gleichen Gleichungsstruktur beschrieben werden können, sind bei der Auswertung und Behandlung der HTP der Binaphthyle mit dem Chiralitätswechselwirkungstensor Besonderheiten zu beachten. Dieser Tensor ist keine reine molekulare Größe, denn er enthält Wechselwirkungen des Gastmoleküls mit der Wirtsphase. Daher mußte der Chiralitätswechselwirkungstensor über zwei Näherungen bestimmt werden. Die Ergebnisse, die in einer der Näherungen erhalten werden, lassen sich hier ebenfalls mit der Molekülstruktur korrelieren. Aus der Auswertung innerhalb der anderen Näherung ergaben sich jedoch Ergebnisse, die widersprüchlich sind und im Rahmen der vorliegenden Arbeit physikalische nicht interpretiert werden konnten. Wichtig ist aber der Befund, daß der Circulardichroismustensor und der Chiralitäts-wechselwirkungstensor, die für die verbrückten Binaphthyle erhalten werden, auf die gleichen strukturellen Elemente der Verbindungen zurückgeführt werden können. Beide von der Art her sehr unterschiedlichen Phänomene - optische Messungen resp. Wechselwirkungen von Molekülen in einer Phase - können demnach auf ein gleiches Strukturelement zurückgeführt werden. Die unverbrückten Binaphthyle zeigen CD-Spektren, die in ihrer spektralen Lage und der Amplitude des Couplets zu denen der verbrückten Binaphthylen ähnlich sind, während bei der HTP ein grundsätzlicher Unterschied besteht. Dieser Unterschied zeigt, daß die flachen Potentialkurven der unverbrückten Binaphthyle bei der Drehung um die Naphthyl-Naphthyl-Bindung beim CD und ACD und bei der HTP zu sehr unterschiedlichen Effekten führen. Dieser Unterschied in den Effekten ist bisher nicht vollständig verstanden. Während bei der Messung des CD's über die Konformeren mit verschiedenen Diederwinkeln gemittelt wird, wird bei der chiralen Induktion über verschieden geordnete Konformere - verschiedene Ordnungstensoren - gemittelt. In diesem Fall sieht man die Meßgröße als eine über die Ordnung gewichtete molekulare Größe eines Konformerengemisches.
In den letzten Jahren konnte ein beachtlicher Fortschritt bei der Entwicklung kostengünstiger, hoch effektiver Si-Solarzellen mit kristalliner Basis und einem Emitter aus amorphem Silizium (a-Si:H) beobachtet werden. Für die Herstellung dieser Emitter wird zur Zeit ausschliesslich die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)verwendet, die jedoch aufgrund ihrer Hochfrequenztechnik sehr aufwendig ist. Die Hot-wire CVD, das heisst die Abscheidung durch Zersetzung eines Gases an einem heissen Draht, ist in dieser Hinsicht eine viel versprechende Alternative. Ziel dieser Arbeit ist es, das Hot-wire Wachstum auf Si-Wafern zu charakterisieren, um auf diese Weise eine systematische Optimierung von Solarzellen mit kristalliner Basis zu erreichen. Daher wurden sowohl grundlegende materialwissenschaftliche als auch bauelementspezifische Fragen diskutiert. Mittels kinetischer in-situ Ellipsometrie wurde erstmals die Hot-wire CVD von Silizium auf poliertem HF-geätztem (100)-Silizium untersucht und die zeitliche Entwicklung eines epitaktischen Wachstums beobachtet. Im Verlauf der Deposition kann die Epitaxie abbrechen und sich eine Mischphase aus kristallinem und amorphem Silizium bilden, wobei der c-Si-Volumenanteil nahezu linear mit der Zeit abnimmt und anschließend reines a-Si:H-Wachstum stattfindet. Die Dicken der rein epitaktischen Schicht als auch der Mischphase nehmen mit ansteigender Substrattemperatur Ts und sinkender Depositionsrate R zu. Bei Ts=300 °C und R=1.4 A/s konnte eine epitaktische Schichtdicke grösser 200 nm abgeschieden werden. Untersuchungen zur Hot-wire CVD von Germanium auf poliertem HF-geätztem (100)-Silizium zeigten erstmals, dass ein über 170 nm dickes heteroepitaktisches Wachstum bei Ts= 350°C und R=2.8 A/s möglich ist. Daher besitzt die Hot-wire CVD viel versprechende Perspektiven hinsichtlich der industriellen Herstellung (opto-)elektronischer Bauelemente auf der Nanometerskala. Verschiedenartige Si-Schichten (amorph/nanokristallin/einkristallin, n/p-dotiert) wurden mittels Hot-wire CVD hergestellt und als Emitter von Solarzellen mit kristalliner Si-Basis aufgebracht. Mit (n)a-Si:H-Emittern auf texturierten Wafer wurde ein intrinsischer Wirkungsgrad von 15.2% erreicht. Ausserdem ermöglicht die Hot-wire Deposition epitaktischer Emitter die Verwendung von SiO2 oder SiN als Antireflexionsschicht anstelle von transparenten leitfähigen Oxiden (TCO) und damit eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten. Die Leerlaufspannung und der Füllfaktor der hergestellten Solarzellen hängen stark von der Passivierung der Waferoberlfäche ab, wobei beide Hellkennlinienparameter durch eine optimierte Hot-wire Wasserstoffbehandlung des Substrats vor der Emitterdeposition hohe stabile Werte erreichen. Abschliessend wird festgestellt, dass die in-situ Ellipsometrie hervorragend zur zerstörungsfreien und oberflächensensitiven Untersuchung des Schichtwachstum mittels Hot-wire CVD geeignet ist. Ausserdem ist die Hot-wire CVD sehr gut für die Herstellung von Si-Solarzellen mit kristalliner Basis geeignet und besitzt viel versprechende Perspektiven bezüglich (opto-)elektronischer Bauelemente auf der Nanometerskala.
Rutheniumkomplexe mit N-heterocyclischen Carbenliganden stellen aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften eine interessante Verbindungsklasse dar. Obwohl in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von Untersuchungen auf diesem Gebiet der Chemie durchgeführt wurden, fanden die Imidazol-2-ylidene vom "Kuhn-Typ" nur wenig Beachtung. Ein thematischer Schwerpunkt meiner Dissertation ist deshalb die Darstellung und Charakterisierung von Rutheniumkomplexen mit "Kuhn-Carbenen" als Liganden. Dabei steht auch die katalytische Aktivität dieser neuen Verbindungen im Mittelpunkt des Interesses. Anhand ausgewählter Reaktionen kann gezeigt werden, daß mehrere Vertreter als Katalysatoren für die Knüpfung von C/C-Bindungen fungieren können. So können mit Hilfe von Rutheniumalkyliden-Komplexen mit einem oder zwei nucleophilen Carbenen als Liganden bestimmte Diene einer Ringschlußmetathese unterzogen werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt meiner Arbeit basiert auf einer von Polifka in der Arbeitsgruppe Binger entdeckten Darstellung eines 1H-Phosphols durch Umsetzung von tert-Butylphosphaacetylen mit einem Rutheniumvinylcarben-Komplex. Nach erfolgreicher Optimierung kann die Phospholsynthese auf eine breite Basis gestellt werden, wobei sowohl eine Variation am Phosphaalkin als auch am Rutheniumvinylcarben-Komplex möglich ist. Durch Modifikation der Reaktionsbedingungen wird ein neuer Zugang zur Substanzklasse der 1H-Phosphirene eröffnet. Die beiden Phosphaheterocyclen, sowohl die Drei- als auch die Fünfringe, werden durch analytische und spektroskopische Methoden charakterisiert und auf ihre Reaktivität hin überprüft. Abschließend wird das Reaktionsverhalten von Carbonylkomplexen der 8. Gruppe mit Phosphaalkinen untersucht. In diesem Zusammenhang gelingt erstmals die Darstellung von 1,3-Diphosphet-Komplexen der Metalle Ruthenium und Osmium. Daneben lassen sich teilweise Dreikerncluster mit Ketenylphosphiniden-Liganden isolieren.
Aus Lösungen von Bismuttrichlorid in 1,2,3-Trimethylbenzol bzw. 1,2,4-Trimethylbenzol können die gelben Aren-Komplexe Trichloro(1,2,3-trimethylbenzol)- bismut (16) und Trichloro(1,2,4-trimethylbenzol)bismut (17) isoliert und kristallstrukturanalytisch charakterisiert werden. Während 16 im festen Zustand als Schichtpolymer vorliegt, bilden die Bausteine von 17 eindimensionale polymere Ketten. Die Umsetzung von Bismut(III)-oxid mit Trifluoressigsäureanhydrid führt nicht wie frühere Arbeiten suggerieren zu Bi(O2CCF3)3 (4), sondern in der Regel zu einem Produktgemisch, bestehend aus 4, Bi(O2CCF3)3.(F3CCO)2O (22) und Bi3O(O2CCF3)7 (23). 22 konnte in Substanz isoliert und kristallstruktur- analytisch charakterisiert werden. Die Charakterisierung von 23 gelang indirekt über den dreikernigen Aren-Komplex 24, der aus hexamethylbenzol- haltigen Toluollösungen der Substanz isoliert werden kann. Ebenfalls indirekt konnte 4 über Adduktbildung mit Hexamethylbenzol und die kristallstrukturanalytische Charakterisierung des auf diesem Weg erhaltenen Aren-Komplexes 25 bestätigt werden. Bei der Thermolyse von Bismut(III)-trifluoracetat (4) in Gegenwart von Hexamethylbenzol wird zunächst die hellgelbe Verbindung 25 erhalten. Bei weiterer thermische Belastung bilden sich daraus im Verlauf mehrerer Wochen dunkelrote nadelige Kristalle von catena-Poly[tetrakis(trifluoracetato)dibismut- (Bi-Bi)-hexamethylbenzol (27). Sowohl 25 als auch 27 konnte kristallstrukturanalytisch charakterisiert werden. Das Aren-Addukt 27 enthält als Bestandteil eines Stapelverbandes mit Hexamethylbenzol das erste reduzierte Hauptgruppenelementcarboxylat. Bei Verwendung von Penta- statt Hexamethylbenzol sind die zu 25 und 27 analogen Verbindungen 28 und 29 zugänglich. Die in dieser Arbeit vorgestellten Bi(II)- und Bi(III)-trifluoracetatverbindungen besitzen unterschiedlich koordinierte Trifluoracetatliganden, woraus eine Vielfalt der Koordinationsfiguren der Bismutatome resultiert. Die Umsetzung von Bismuttrichlorid mit Trifluormethansulfonsäure liefert als Produkte das Bismut(III)-trifluormethansulfonat (30) und "BiCl(O3SCF3)2", das in Form des THF-Komplexes 31 isoliert und charakterisiert werden konnte.
Ein Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung von in vitro Testsystemen zur Erfassung androgener und vor allem antiandrogener Aktivität. Es gelang, drei in der Gruppe neue, unterschiedliche in vitro Testsysteme zu etablieren und mittels der bekannten Antiandrogene zu validieren. Zunächst konnte ein transienter Transaktivierungsassay unter Verwendung des Androgenrezeptor-Expressionsplasmids pSG5AR, des Reportergenplasmids pMamneoLuc und des Kontrollplasmids pSV in COS-7 Affennierenzellen aufgebaut werden. Dadurch wurde eine erste Untersuchung potentieller Androgene/Antiandrogene ermöglicht. Ein für ein effizienteres Screening benötigtes stabil transfiziertes Testsystem konnte gleichzeitig in T47D Brustkrebszellen nach stabiler Transfektion des Reportergenplasmids pMamneoLuc und entsprechender Selektion gewonnen werden. Dagegen war ein nach Transfektion von CV-1 Affennierenzellen mit pMamneoLuc und pSG5AR gewonnenes Testsystem nicht über einen längeren Zeitraum stabil. Das Plasmid pSG5AR enthält keinen Selektionsmarker und wurde daher vermutlich im Laufe der Selektionsphase von den Zellen wieder ausgeschleust. Ein transgenes Reportergentestsystem in den Osteosarkomazellen SaOS-2, wie von Wiren et al. 1997 entwickelt, konnte aufgrund des mittels RT-PCR nachgewiesenen zu geringen Androgenrezeptorgehaltes nicht nachvollzogen werden. Die beiden etablierten transgenen Reportergenassays (transienter Transaktivierungsassay in COS-7 Zellen; Transaktivierungsassay in stabilen T47D- Luc Zellen) wiesen in etwa vergleichbare Sensitivität und Präzision auf. Der zum Vergleich erfolgreich etablierte und validierte nicht transgene Reportergenassay auf Basis des endogenen Reporters PSA war dagegen deutlich sensitiver und präziser. Ein Proliferationsassay konnte weder in MFM-223 Brustkrebszellen noch in SaOS-2 Zellen etabliert werden. Dies ist im Falle der SaOS-2 Zellen auf eine veränderte Steroidhormonrezeptorausstattung zurückzuführen. In den drei etablierten in vitro Testsystemen wurden mittels online Strukturdatenbank-Recherche ausgehend von zwei vorselektierten Leitstrukturen identifizierte Verbindungen untersucht. Bei den Benzophenon-Analoga wurden Oxybenzon, p,p'-Dihydroxybenzophenon, p,p'-Dichlorbenzophenon, p,p'-Dibrom- benzophenon, p,p'-Dimethoxybenzophenon, Benzophenon und Xanthon stellvertretend herausgegriffen, bei den Phenylharnstoff-Analoga Linuron, Monolinuron, Metobromuron, Diuron, Fluometuron und Phenylharnstoff. Die Benzophenon-Analoga wurden im transienten Transaktivierungsassay und im PSA Assay, die Phenylharnstoff-Analoga im stabilen T47D-Luc Transaktivierungsassay und im PSA Assay untersucht. Im transienten Transaktivierungsassay zeigten alle untersuchten Benzophenone eindeutig antiandrogene Aktivität. Dies bestätigte sich im PSA Assay mit einer Ausnahme. Für das unsubstituierte Benzophenon konnte in diesem Testsystem auch bei hoher Konzentration (10 microM) keine antiandrogene Aktivität nachgewiesen werden. Die untersuchten Phenylharnstoff-Analoga zeigten ebenfalls in den eingesetzten Testsystemen, PSA Assay und stabiler Transaktivierungsassay, eindeutig antiandrogene Wirkung, die aber im Vergleich zu den etablierten Verbindungen Hydroxyflutamid und Vinclozolin M2 schwächer ausfiel. Der unsubstituierte Phenylharnstoff war in beiden Testsystemen auch bei 10 microM nicht antiandrogen aktiv. Androgene Effekte wurden im transienten Transaktivierungsassay in COS-7 Zellen untersucht. Anhand einer Signifikanzschwelle wurden lediglich Vinclozolin M2, p,p'- DDE und Hydroxyflutamid als eindeutig androgen aktiv identifiziert. Die erhaltenen Ergebnisse wurden zum Aufstellen von dreidimensionalen Struktur- Aktivitätsbeziehungen (3D-QSAR) herangezogen. Zur Generierung des dazu benötigten einzelnen Zahlenwertes wurden die IC50 R bzw. IC30 RWerte der gemessenen Dosis-Wirkungskurven errechnet. Dabei mußte ein erheblicher Fehler in Kauf genommen werden. Unter Verwendung der Daten aus dem PSA Assay konnte für die Phenylharnstoff-Analoga dennoch ein signifikantes Modell mit einem kreuzvalidierten q 2 -Wert von 0,36 erhalten werden. Für die Benzophenon-Analoga dagegen war aufgrund eines negativen q 2 -Wertes das erhaltene Modell nicht zuverlässig. In diesem Fall ergaben die Daten aus dem transienten Transaktivierungsassay aber ein aussagefähiges Modell mit einem q 2 -Wert von 0,47. Die beiden signifikanten Modelle können zur Vorhersage der antiandrogenen Aktivität von bisher nicht getesteten, strukturell ähnlichen Verbindungen herangezogen werden. Insgesamt konnte in dieser Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Identifizierung endokriner Disruptoren geleistet werden. Mit Hilfe der validierten in vitro Testsysteme konnten die ausgewählten Leitstrukturen bestätigt und ein QSAR Ansatz zur schnellen theoretischen Prüfung von Antiandrogenen entwickelt werden.
Rafts sind Mikrodomänen in der Zellmembran, die stark angereichert sind mit Sphingolipiden, Cholesterin, signaltransduzierenden Molekülen, GPI-geankerten Proteinen und einigen transmembranen Molekülen. Rafts spielen eine wichtige Rolle in der T-Zell-Funktionalität. In der vorliegenden Dissertation wurde die Rolle der Rafts bei der Regulation der Zelladhäsion untersucht. Ausgehend von der Integrinaktivierung über das GPI-geankerte Molekül CD24 wurde ein genereller Mechanismus zur Regulation der Aktivität des Leukozyten-Funktions-Antigens-1 (LFA-1) in T-Lymphozyten aufgeklärt. Es konnte gezeigt werden, daß Antikörper gegen das GPI-geankerte Molekül CD24 eine Aktivierung des LFA-1- Integrins zu induzieren vermögen. Diese Aktivierung hängt ab von der Kolokalisation des Integrins mit CD24 in den Rafts der Zellmembran und ist bedingt durch eine Vernetzung der Rafts, was zu einer Erhöhung der Avidität des Integrins führt. Das Vernetzen des Raft-Markers GM1 kann die Avidität in gleicher Weise erhöhen. In den o. g. Aktivierungsmechanismus sind die PI3-Kinase, Tyrosin-Kinasen und das Zytoskelett involviert. Cholesterin-Depletion inhibiert den Aktivierungsmechanismus des LFA-1 über Raft-Clustern. Eine physiologische Relevanz des vorgestellten Aktivierungsmechanismus konnte für aktivierte T-Zellen gezeigt werden. Durch Cholesterin-Depletion kann das basale Bindungsvermögen der Zellen reduziert werden. Die Rolle von CD24 als Raft-Molekül wurde bei der Regulation des alpha-4-Integrin in präB-Lymphozyten untersucht. In diesem System führte die Anwesenheit von CD24 auf der Zelloberfläche zur erhöhten Bindung an ein alpha-4-Integrin-Substrat. Auch in diesen Zellen ist CD24 und das alpha-4-Integrin z. T. in den Rafts lokalisiert. Der in T-Lymphozyten nachgewiesene Aktivierungsweg des Integrins durch Clustern der Rafts ist auch hier aktiv. Ein Einfluß von CD24 auf die Aktivität des alpha-4-Integrins konnte auch in der alpha-4-abhängigen Migration gezeigt werden. In CD24-negativen Zellen konnte durch externe Gabe von löslichem CD24 die alpha-4-vermittelte Bindung rekonstituiert werden. Der Effekt kann durch Cholesterin-Depletion wieder aufgehoben werden. Der gleiche Effekt gilt für die Inkubation der Zellen mit DIG-Fraktionen, die CD24 enthielten. Der Effekt war spezifisch für CD24 und wurde nicht mit GPI-geankerten Kontrollmolekülen beobachtet. PI-PLC-Behandlung von CD24-positiven Zellen reduziert die alpha-4-vermittelte Bindung. Die Ergebnisse werden im Sinne einer Funktion des CD24 bei der Stabilisierung von Raft-Clustern in der Membran diskutiert.
Bilanzierungen über die Eintrags- und Austragswege von Schwermetallen in landwirtschaftlich genutzte Flächen deuten darauf hin, daß auch in Zukunft mit einer Erhöhung der Schwermetallbelastung, insbesondere durch die Verwendung von sogenannten Sekundärrohstoffdüngern wie z.B. Klärschlamm, zu rechnen ist. Die Gehalte an Schwermetallen, insbesondere von Cd, sollten aber möglichst gering sein, um Toxizitäten und Ertragseinbußen bei Pflanzen sowie Gesundheitsschäden von Mensch und Tier zu vermeiden. Deshalb ist es notwendig, neben einer Minimierung des Neueintrages von Schwermetallen in landwirtschaftlich genutzte Flächen auch nach Wegen zu suchen, die Schwermetallaufnahme in die Pflanzen zu senken. Da es große Unterschiede in der Schwermetallakkumulation zwischen Pflanzenarten und auch -sorten gibt, sollte es möglich sein, Sorten mit besonders niedriger Schwermetallaufnahme bzw. -akkumulation in den Ernteprodukten zu züchten. Daraus leitet sich die Zielstellung der vorliegenden Arbeit ab, Zusammenhänge zwischen wichtigen Parametern der Nährstoffaufnahme, die auch für die Schwermetalle von Bedeutung sind, und den Schwermetallgehalten in den Pflanzen herzustellen, um so mögliche Wege für eine gezielte Selektion auf niedrige Schwermetallgehalte zu finden. Insbesondere die Rolle von Wurzelexsudaten bei der Mobilisierung und Aufnahme der Schwermetalle Kupfer, Zink und Cadmium soll dabei näher untersucht werden da bekannt ist, daß Pflanzen, insbesondere unter Phosphatmangel, vermehrt organische Säuren über die Wurzeln in den Boden ausscheiden und damit die chemischen Eigenschaften im nahen Bodenraum (Rhizosphäre) meßbar verändern können. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß die Mechanismen der Schwermetallmobilisierung und Aufnahme durch Pflanzen sehr komplex sind. Neben physikochemischen Bodeneigenschaften spielen insbesondere morphologische und physiologische Pflanzeneigenschaften eine große Rolle. Die Bodeneigenschaften bilden dabei die Ausgangssituation, wobei neben den Schwermetall-Gesamtgehalten insbesondere der pH-Wert, der Gehalt an organischer Substanz und der Tongehalt, sowie die Bindungsformen der Schwermetalle im Boden über den Anteil der mobilen und pflanzenverfügbaren Fraktion entscheiden. Diese Ausgangssituation wird von den Pflanzen in unterschiedlicher Weise genutzt und beeinflußt. Pflanzen mit großen Wurzelsystemen stehen zu einer größeren Bodenmenge in Kontakt. Die Ergebnisse zeigen, daß es eine positive Beziehung zwischen den Kupfer-, Zink- und Cadmiumgehalten der Sprosse von 11 Spinatsorten und dem Wurzel-Sproß-Verhältnis gibt. Die insbesondere bei P-Mangel beobachtete verstärkte Exsudation von organischen Säuren erhöht die Löslichkeit von Cu, Zn und Cd in der Rhizosphäre bei Spinat deutlich. Wenn auch das WSV offenbar für hohe Schwermetallgehalte in den Spinatsorten eine große Bedeutung hat, so wirkt sich offenbar die genotypisch variierte Säureexsudation und damit veränderte Schwermetallöslichkeit in der Rhizosphäre klar auf die Schwermetallgehalte in den Sprossen aus. Diesen Schluß lassen jedenfalls die Differenzen zwischen den Sorten Monnopa (niedrige Schwermetallgehalte, niedrige Exsudationsraten) und Tabu (hohe Schwermetallgehalte, hohe Exsudationsraten) zu. Betrachtet man die Wirkung der organischen Säuren im Boden, so zeigt sich, daß diese die Löslichkeit von Cu, Zn und Cd erhöhen. Dabei gibt es allerdings große Unterschiede in der Effektivität der einzelnen Säuren sowie in den Wirkmechanismen. Die Löslichkeit von Cu ist vor allem auf die Komplexierung mit den Säureanionen zurückzuführen. Bei den Elementen Zn und Cd wird die Löslichkeit zum Teil durch Komplexierung der Ionen, in erster Linie aber durch Änderungen im pH-Wert beeinflußt. Erst bei hohen pH-Werten tritt der Anioneneffekt in den Vordergrund. Signifikante Unterschiede bei den Aufnahmeraten von Schwermetallen aus komplexierten und unkomplexieren Schwermetallösungen konnten im Versuch nicht festgestellt werden. Daraus ergibt sich der Schluß, daß Spinatsorten mit geringer Exsudationsrate organischer Säuren in Hinsicht auf geringe Schwermetallgehalte der Sprosse positiv zu bewerten sind. Die Eigenschaften "kleines WSV" und "niedrige Exsudationsraten organischer Säuren" könnten somit aufgrund der vorliegenden Ergebnisse als Selektionskriterium für Spinat auf niedrige Schwermetallgehalte geeignet sein.