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Moderne Mobilfunksysteme, die nach dem zellularen Konzept arbeiten, sind interferenzbegrenzte Systeme. Ein wesentliches Ziel beim Entwurf zukünftiger Mobilfunkkonzepte ist daher die Reduktion der auftretenden Interferenz. Nur so läßt sich die spektrale Effizienz künftiger Mobilfunksysteme noch signifikant gegenüber dem Stand der Technik steigern. Die Elimination der Intrazellinterferenz, das heißt der auftretenden Wechselwirkungen zwischen Signalen mehrerer von der gleichen Zelle bedienter Teilnehmer, durch gemeinsame Detektion (engl. Joint Detection, JD) ist bereits ein wesentliches Merkmal des Luftschnittstellenkonzepts TD-CDMA. Ein bislang noch weitgehend unbeachtetes Potential zum Steigern von spektraler Effizienz und Kapazität hingegen ist die Reduktion der Interzellinterferenz, das heißt der durch Teilnehmer verschiedener Zellen wechselseitig verursachten Interferenz. Insbesondere in Systemen mit niedrigen Clustergrößen verspricht eine Reduktion der in diesem Fall sehr starken Interzellinterferenz erhebliche Gewinne. Die Interzellinterferenzreduktion ist daher der logische nächste Schritt nach der Intrazellinterferenzreduktion. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Entwickeln gewinnbringender Verfahren zur Reduktion der Interzellinterferenz in zukünftigen Mobilfunksystemen durch entsprechende Berücksichtigung und Elimination des Einflusses der Interzellinterferenzsignale in der empfängerseitigen Signalverarbeitung. Ziel ist eine verbesserte Schätzung der übertragenen Teilnehmerdaten zu erhalten, dazu werden Signale von Interzellinterferenzquellen beim Datenschätzen berücksichtigt. Die dabei benötigten Informationen werden mit den ebenfalls erläuterten Verfahren zur Identifikation und Selektion starker Interzellinterferenzquellen sowie einer gegenüber dem bisherigen Systementwurf erweiterten Kanalschätzung gewonnen. Es wird gezeigt, daß sich mit einem aufwandsgünstigen Detektor die relevanten Interzellinterferenzquellen zuverlässig identifizieren lassen. Mit einem auf kurze Mobilfunkkanäle, die in Hotspots vermehrt zu erwarten sind, optimierten Kanalschätzverfahren werden die aktuellen Mobilfunkkanalimpulsantworten für alle relevanten Teilnehmer bestimmt. Um die Datenschätzung für viele Teilnehmer durchführen zu können, wird das Schätzverfahren Multi-Step Joint Detection entworfen, das die von der herkömmlichen gemeinsamen Detektion bekannte SNR-Degradation verringert. Die Simulationsergebnisse zeigen die Leistungsfähigkeit des entworfenen Systemkonzeptes. Die Interzellinterferenzreduktionsverfahren können sowohl zum Erhöhen der spektralen Effizienz des Systems, als auch zu einer Verbesserung der Dienstgüte bei gleichbleibender spektraler Effizienz gewinnbringend eingesetzt werden.
Das europäische Mobilfunksystem der dritten Generation heißt UMTS. UTRA - der terrestrische Funkzugang von UMTS - stellt zwei harmonisierte Luftschnittstellen zur Verfügung: Das TDD-basierte TD-CDMA und das FDD-basierte WCDMA. Das Duplexverfahren TDD bietet gegenüber FDD erhebliche Vorteile, z.B. können TDD-basierte Luftschnittstellen unterschiedliche Datenraten in der Aufwärts- und Abwärtsstrecke i.a. effizienter bereitstellen als FDD-basierte Luftschnittstellen. TD-CDMA ist Gegenstand dieser Arbeit. Die wichtigsten Details dieser Luftschnittstelle werden vorgestellt. Laufzeit und Interferenz sind wesentliche Gesichtspunkte beim Verwenden von TDD. Diese wesentlichen Gesichtspunkte werden eingehend für den Fall des betrachteten TD-CDMA untersucht. In UMTS spielen neben der Sprachübertragung insbesondere hochratige Datendienste und Multimediadienste eine wichtige Rolle. Die unterschiedlichen Qualitätsanforderungen dieser Dienste sind eine große Herausforderung für UMTS, insbesondere auf der physikalischen Ebene. Um den Qualitätsanforderungen verschiedener Dienste gerecht zu werden, definiert UTRA die L1/L2-Schnittstelle durch unterschiedliche Transportkanäle. Jeder Transportkanal garantiert durch die vorgegebene Datenrate, Verzögerung und maximal zulässige Bitfehlerrate eine bestimmte Qualität der Übertragung. Hieraus ergibt sich das Problem der Realisierung dieser Transportkanäle auf physikalischer Ebene. Dieses Problem wird in der vorliegenden Arbeit eingehend für TD-CDMA untersucht. Der UTRA-Standard bezeichnet die Realisierung eines Transportkanals als Transportformat. Wichtige Parameter des Transportformats sind das verwendete Pooling-Konzept, das eingesetzte FEC-Verfahren und die zugehörige Coderate. Um die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Transportformate quantitativ zu vergleichen, wird ein geeignetes Bewertungsmaß angegeben. Die zur Bewertung erforderlichen Meßwerte können nur durch Simulation auf Verbindungsebene ermittelt werden. Deshalb wird ein Programm für die Simulation von Transportformaten in TD-CDMA entwickelt. Bei der Entwicklung dieses Programms wird auf Konzepte, Techniken, Methoden und Prinzipien der Informatik für die Software-Entwicklung zurückgegriffen, um die Wiederverwendbarkeit und Änderbarkeit des Programms zu unterstützen. Außerdem werden wichtige Verfahren zur Reduzierung der Bitfehlerrate - die schnelle Leistungsregelung und die Antennendiversität - implementiert. Die Leistungsfähigkeit einer exemplarischen Auswahl von Transportformaten wird durch Simulation ermittelt und unter Verwendung des Bewertungsmaßes verglichen. Als FEC-Verfahren werden Turbo-Codes und die Code-Verkettung aus innerem Faltungscode und äußerem RS-Code eingesetzt. Es wird gezeigt, daß die untersuchten Verfahren zur Reduzierung der Bitfehlerrate wesentlichen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der Transportformate haben. Des weiteren wird gezeigt, daß die Transportformate mit Turbo-Codes bessere Ergebnisse erzielen als die Transportformate mit Code-Verkettung.
Der Einsatz von Freisprecheinrichtungen bei der Sprachkommunikation in Fahrzeugen erfor- dert die Reduktion der mit dem Sprachsignal erfaßten Umgebungsgeräusche. Die akustischen Störungen beeinträchtigen in der Regel die Verständlichkeit des zu übertragenden Sprachsi- gnals. In der Literatur wurden zahlreiche Verfahren und Ansätze zur Geräuschreduktion vor- geschlagen und beschrieben. Prinzipiell können diese Ansätze in drei Kategorien unterteilt werden: Einkanalige Geräuschreduktionssysteme, wie zum Beispiel das Verfahren der Spek- tralen Subtraktion, mehrkanalige Geräuschkompensationsverfahren, die mindestens ein Stör- geräusch-Referenzsignal benötigen, und adaptive Mikrophonarrays, die zur Erfassung des Sprachsignals ein richtungsselektives Reduktionsverfahren (beam forming) einsetzen. Diese Arbeit fokussiert ausschließlich auf das Problem der einkanaligen Geräuschreduktions- systeme, wie sie häufig in Kraftfahrzeugen oder Telefonen aus Kosten- und konstruktiven Gründen zu finden sind. Mehrkanalige Verfahren werden nur der Vollständigkeit halber am Rande behandelt. Einkanalige Verfahren sind durch den Kompromiß zwischen der Dämpfung der störenden Geräusche und den unvermeidbaren Verzerrungen des Sprachsignals und der verbleibenden Reststörungen gekennzeichnet. Diese Verzerrungen sind als sporadisch auftretende tonartige Reststörungen (musical tones) bzw. als Verfärbungen des Sprachsignals wahrnehmbar. Solche Fehler im Ausgangssignal werden wegen ihrer tonalen Struktur als äußerst störend empfunden und verschlechtern den subjektiven Höreindruck. In letzter Zeit sind deshalb Verfahren mit dem Ziel entwickelt worden, möglichst alle auftre- tenden Verzerrungen zu unterdrücken. So wurden zum Beispiel nichtlineare Methoden, bekannt aus der Bildverarbeitung, oder spezielle Detektionsalgorithmen entworfen, um das Problem geschlossen zu lösen. Besonders neu sind Verfahren, die psychoakustische Eigenschaften des menschlichen Gehörs nutzen, um wenigstens einen Teil der auftretenden Verzerrungen zu verdecken. So kommen hier Methoden zum Einsatz, die durch Formulierung einer psychoakustischen Gewichtungsregel versuchen, einen optimalen Kompromiß zwischen Höhe der Geräuschdämpfung, der Reststörungen und der resultierenden Sprachverständlichkeit zu finden. In der vorliegenden Arbeit diente ein klassisches einkanaliges Geräuschreduktionsverfahren als Ausgangsbasis für die Entwicklung eines neuen psychoakustisch-parametrischen Verfah- rens. Dabei wurde von Modellen der Spracherzeugung und Wahrnehmung der menschlichen Sprache ausgegangen, um geeignete Methoden für die psychoakustische Geräuschreduktion und Signalverbesserung zu finden. Das Ergebnis sind drei neue Verfahren, die sich je nach Eingangssignal adaptiv auf die Charakteristik des Gehörs einstellen und dabei Verzerrungen des Sprachsignals und der Reststörung unterhalb der psychoakustischen Wahrnehmbarkeits- schwelle, der sogenannten Mithörschwelle, halten. Das führt zu einer spürbaren Verbesserung des subjektiven Höreindrucks und hat positiven Einfluß auf die Sprachverständlichkeit. In wesentlichen Bestandteilen dieser Arbeit werden Aspekte der psychologischen Wahrnehmung akustischer Signale und bekannte psychoakustische Eigenschaften des menschlichen Gehörs für die auditive Signalverbesserung, Geräuschreduktion und die Identifikation akustischer Systeme ausgenutzt. Dementsprechend wird im ersten Teil eine kurze Einführung in die Theorie der Signalverarbeitung und Psychoakustik gegeben. Daran anschließend folgt die Vorstellung eines Verfahrens zur auditiven Signalverbesserung und Geräuschreduktion unter Ausnutzung psychoakustischer Verdeckungseffekte. Dieser Abschnitt ist besonders ausführlich gestaltet, da er den Hauptbestandteil dieser Arbeit bildet. Der dritte Teil erläutert experimentelle Untersuchungen und die Bewertung der verschiedenen Verfahren. Abschließend folgen Zusammenfassung und ein wissenschaftlicher Ausblick.
Die typische Aufgabe eines Nahbereichsradarnetzes ist es, Fahrzeuge in einem definierten Überwachungsbereich, beispielsweise dem Rollfeld eines Flughafens, zu detektieren, zu orten und ihre Spur zu verfolgen. Wegen der stark unterschiedlichen Radarrückstreuquerschnitte der Radarziele sind die Anforderungen an den verfügbaren Dynamikbereich der einzelnen eingesetzten Radarempfänger sehr hoch. Bei niedriger Radarsignalleistung ist daher die Verwendung eines Impulskompressionsverfahrens notwendig. Beim Nahbereichsnetz NRN, im Rahmen dessen Entwicklung auch die vorliegende Arbeit entstand, wird zudem ein neuartiges Ortungsprinzip eingesetzt, weshalb die Radarstationen mit feststehenden, d. h. nicht-rotierenden Antennen mit breiter Antennencharakteristik ausgestattet werden können. Radarsignale setzen sich aus den Echosignalen von den Radarsendeimpuls reflektierenden Objekten, sowie dem Rauschen zusammen. Bei den reflektierenden Objekten handelt es nicht nur um die interessierenden Radarziele, d. h. die zu detektierenden Fahrzeuge. Wegen der Bodennähe, in der ein Nahbereichsradarnetz betrieben wird, sowie der zumindest beim NRN breiten Antennencharakteristiken erfaßt der Radastrahl eine Vielzahl weiterer Radarreflektoren, deren Echosignal, Cluttersignal genannt, das eigentliche Nutzsignalüberlagert. Darüberhinaus verursacht der Einsatz eines Impulskompressionsverfahrens i. a. eine künstliche störende Signalkomponente, die sogenannten Impulskompressionsnebenmaxima, die auch Eigenclutter genannt werden. Durch den Einsatz eines erwartungstreuen Impulskompressionsverfahrens beim NRN wird theoretisch keine Eigenclutterkomponente erzeugt. Es existieren jedoch Effekte, die die Eigenclutterfreiheit zerstören. Diese werden im ersten Teil der Arbeit untersucht. Es wird gezeigt, wie die Eigenclutterfreiheit wiederhergestellt werden kann. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Cluttersignal von reflektierenden Objekten anhand von mit dem NRN gemessenen Signalzeitreihen analysiert. Ein Modell zur Beschreibung des Cluttersignals wird entwickelt. Mit den Methoden der Detektionstheorie wird ein optimales Filter- und Detektionsverfahren für ein vollständig unbekanntes Nutzsignal in einem durch dieses Modell beschreibbaren Störsignal abgeleitet. Um dieses Verfahren einzusetzen, ist die Kenntnis der Modellparameter erforderlich. Prinzipiell existieren verschiedene Methoden, die sich im Laufe der Zeit verändernden Modellparameter zu schätzen. Das Filter- und Detektionsverfahren kann dann stetig an die aktuellen Schätzungen der Parameter des Cluttersignalmodells adaptiert werden. Die Schätzung liefert jedoch im Falle des Vorhandenseins von Nutzsignalkomponenten verfälschte Parameterwerte. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Adaptionskontrolle vorgeschlagen, die den Einfluß dieser verfälschten Parameterschätzungen auf die Nutzsignaldetektion minimieren. Damit existiert ein Algorithmus, der adaptiv aus dem Echosignal cluttersignalbeschreibende Parameter bestimmt, die ihrerseits von einem Filter- und Detektionsalgorithmus verwendet werden, um ein eventuell im Echosignal vorhandenes Nutzsignal optimal zu detektieren. Anhand von Radarechosignalen, die mit dem NRN bei Meßkampagnen aufgezeichnet wurden, sowie anhand von Simulationen wurde schließlich die Leistungsfähigkeit des entwickelten adaptiven Filter- und Detektionsverfahrens mit Adaptionskontrolle beim Einsatz in einem Nahbereichsradarnetz gezeigt.
Demizellisierung Die isotherme Titrationskalorimetrie ist eine leistungsfähige, schnelle und einfache Methode, die den großen Vorteil bietet, aus ein und demselben Experiment die CMC und die Demizellisierungsenthalpie eines Tensids in einem weiten Temperaturbereich zu bestimmen [48,51,102,103]. Die in dieser Arbeit verwandten Detergentien Octylglucosid und Dodecylmaltosid zeichnen sich durch ihre milden Eigenschaften beim Herauslösen von Proteinen aus bakteriellen Membranen und bei deren Rekonstitution in definierten Lipidmatrizen aus [104-106]. Diese nichtionischen Tenside besitzen eine relativ hohe Aggregationszahl, woraufhin die Näherungen des Phasenseparationsmodells gemacht werden können. Die CMC ist eine Funktion der Temperatur, der Neutralsalzkonzentration und der Alkylkettenlänge. Bei Prozessen, die durch den hydrophoben Effekt bedingt sind kehrt sich mit steigender Temperatur das Vorzeichen der Enthalpie um; dort besitzt DHDemiz eine Nullstelle. Die entsprechende Temperatur wird TH genannt. Ebenso weist die Entropie eine Nullstelle bei TS auf. Im Bereich von TH ist es schwierig wenn nicht sogar unmöglich die CMC und die Demizellisierungsenthalpie auf titrationskalorimetrischem Wege genau zu bestimmen. Mit Hilfe der van t Hoff schen Reaktionsisobare lassen sich DHDemiz und die CMC aus den experimentell zugänglichen Werten mathematisch anpassen [51,55]. Die starke Temperaturabhängigkeit der Enthalpie und Entropie kompensieren sich weitgehend und es resultiert nach Gibbs-Helmholtz eine nur schwache Temperaturabhängigkeit der freien Enthalpie. Die Ableitung der Enthalpie nach der Temperatur ergibt die Wärmekapazität. Diese ist ein Maß inwieweit hydrophobe Oberfläche durch die Mizellbildung vom Einfluß des Wassers abgeschirmt wird. Solubilisierung Mit Hilfe der ITC lassen sich, für den Prozeß der Solubilisierung, die Phasengrenzen des Koexistenzbereichs einfach bestimmen. Sie sind aus den Kalorigrammen zugänglich als Wendepunkte des intermediären Extremwertes. Als Erste setzten Heerklotz et al. die Titrationkalorimetrie im Zusammenhang mit dieser Problemstellung ein [66]. Desweiteren läßt sich aus dieser Art von Experiment die Solubilisierungskraft verschiedener Tenside bestimmen. So besitzt Dodecylmaltosid eine deutlich höhere Solubilisierungskraft als Octylglucosid. Dies ist zu ersehen aus den für DM niedrigeren Re sol -Werten. Die Solubilisierung der synthetischen Lezithine in pH 6 Phosphatpuffer bei 70 °C zeigen einen linear ansteigenden Verlauf mit Zunahme der Acylkettenlänge des Lipids. Im Gegensatz dazu zeigt OG eine sprunghafte Änderung zwischen DPPC und DSPC. Dies deutet darauf hin, daß die Form und oder Größe der entstehenden Aggregate in der gemischtmizellaren Phase differieren. Die Werte in Pufferlösung liegen leicht unter denen in reinem Wasser. Dies wird verursacht durch die Verringerung der Hydratation der Kopfgruppen in den Aggragaten. Die Reihenfolge der Solubilisierung in Abhängigkeit der Kopfgruppe des Lipids nimmt sowohl für DM als auch für OG in der Richtung PA>PC>PG ab. Ursache hierfür sind die in dieser Richtung abnehmenden intermolekularen H-Brückenbindungen. Gleichzeitig nehmen in dieser Richtung die intramolekularen H-Brückenbindungen zu. Deshalb läßt sich PG leichter als die anderen Lipide solubilisieren. Die temperaturabhängigkeit des Gesamtverhältnisses Rt # des Beispiels OG/P90g in Wasser zeigt analog der temperaturabhänigigkeit der Demizellisierung ein Minimum zwischen 42 und 46 °C (quadratisch angepaßt). Die typische, auf den hydrophoben Effekt basierende Umkehr der Reaktionsenthalpie findet hier bei 42 °C statt. Das effektive Molverhältnis Re # zeigt für die Solubilisierung einen leichten und für die Saturierung einen stärkeren Anstieg mit steigender Temperatur. Der Einfluß der Größe der ursprünglich eingesetzten Vesikel wurde bei dem System OG/DMPC in Wasser bei 27 °C untersucht. Es konnte kein Einfluß der Vesikelgröße festgestellt werden. Die Solubilisierung des Gemisches DMPC/DMPG mit OG wurde in pH 6 Phosphatpuffer bei 70 °C untersucht. Die Solubilisierungsgrenze der DMPC-Membran wird durch beimischung von DMPG bis zu einem Molenbruch XMG = 0,4 erhöht. Die DMPG-Membran wird durch den DMPC-Anteil bis XMC = 0,2 destabilisert. Verteilungsexperimente Die Experimente, bei denen Lipid zu einer Detergensvorlage titriert wurde, wurden mit konstantem Verteilungskoeffizienten P angepaßt. Der Verteilungskoeffizient und die Transferenthalpie nehmen mit zunehmendem OG-Gehalt in der DMPC-Membran bei 30 °C ab. Es scheinen anfängliche Fehlstellen abgesättigt zu werden. Gleiches Verhalten zeigt sich bei 70 °C. Lediglich die Transferenthalpie nimmt betragsmäßig leicht zu. Die Abhängigkeit von der Kopfgruppe des Lipids zeigt eine Zunahme des Verteilungskoeffizienten von DPPA<DPPC<DPPG bei 70 °C in pH 6 Phosphatpuffer. Dies läßt sich verstehen durch die bereits vorher erwähnte Abnahme der intermolekularen H-Brückenbindungen. Dadurch wird die Membran flexibler und der Detergenseinbau erleichtert. Die Konstanz des Verteilungskoeffizient P war zu erwarten, da der Vorgang sich innerhalb eines kleinen Konzentrationsbereichs abgespielt hat und immer derselbe Prozeß stattgefunden hat, nämlich der Einbau von wenig Detergens in die reine Lipidmembran. Die Experimente, bei denen Detergens zu einer Lipidvorlage titriert wurde, konnten, wegen des nichtidealen Mischungsverhaltens, nicht mehr mit einem konstanten Verteilungs-koeffizienten P angepaßt werden. Die Anpassung wurde mit dem athermischen Mischungsmodell von Guggenheim realisiert. Dabei enthält die Gibbs sche freie Mischungs-enthalpie einen Exzeßterm. Der Verteilungskoeffizient P0 nimmt mit steigendem Vesikeldurchmesser ab. Die Krümmung der Vesikel hat somit großen Einfluß auf die Fehlstellen in der Membran. Die Werte der Fit-Parameter schwanken leider sehr stark mit dem Intervall der Schrittweite für die Anpassung. Die Ursache hierfür liegt an der Qualität der experimentellen Werte. Bei der in dieser Arbeit durchgeführten Verteilungsexperimenten ist das Signal/Rausch Verhältnis recht klein und am Rande der Auflösung des Kalorimeters. Es ergeben sich somit schon bei der Integration und Basislinienkorrektur grobe Toleranzen. Für die mathematische Anpassung stehen desweiteren nur eine relativ geringe Datenmenge von ca. 20 - 40 Meßpunkten zur Verfügung. Es lassen sich somit bei Experimenten in diesem meßtechnischen Grenzbereich eher nur eine Abschätzung als genaue Absolutwerte bestimmen. Die Signale dieser Art von Experimenten sind deshalb so gering weil zu der geringen Verdünnungsenthalpie nur noch die Transferenthalpie weniger Detergensmoleküle beiträgt. Das nichtideale Mischungsverhalten dieses Verteilungsexperimentes ist zu verstehen, aus der Unteschiedlichkeit beider Amphiphile hinsichtlich Ihrer Strukturformel und ihrem physikalischen Verhalten. DSC Die Solubilisierung wurde auch mit der DSC-Methode untersucht. Der Einbau von OG in DPPC zeigt schon bei geringen Detergensmengen ein Verschwinden der Vorumwandlung (Lb' -> Pb' ). Die Hauptumwandlung verschiebt sich mit steigender Detergenskonzentration zu niedrigeren Temperaturen. Beim Überschreiten der Saturierungsphasengrenze geht die Kooperativität der Umwandlung zunehmends verloren und die anfänglichen Umwandlungspeaks werden zu Umwandlungsbereichen. Sogar noch in der mizellaren Phase sind Umwandlungsbereiche zu erkennen, was darauf hindeutet, daß selbst dort noch Domänen mit kooperativem Umwandlungsverhalten existieren müssen, da in reinen OG-Mizellen keine Umwandlung detektiert werden konnte. Die Verschiebung der Umwandlung und die Schärfe der Bereiche ist reversibel. Der Einfluß von 150 mM NaCl-Puffer bewirkt lediglich eine Verschiebung der Umwandlungstemperaturen um ca. 5 °C zu niedrigeren Werten, was sicherlich auf die Änderung der Hydratation im Kopfgruppenbereich der Aggregate zurückzuführen ist. Lichtstreuung Mit Hilfe der dynamischen und statischen Lichtstreuung lassen sich die Grenzen des kalorimetrisch bestimmten Koexistenzbereichs bestätigen. Außerdem konnte ein kleiner lokaler Extremwert im Titrationskalorigramm als Ende der makroskopischen Phasenseparation identifiziert werden. Beim synthetischen Lipid DMPC reicht diese Mischungslücke vom Koexistenzbereich bis in den mizellaren Bereich. Bei dem natürlich vorkommenden SojaPC liegt diese Mischungslücke innerhalb des kalorimetrisch bestimmten Koexistenzbereich. Das anionische DMPG weist keine Mischungslücke auf. Rheologie Das Anionische Lipid DMPG weist beim titrieren mit OG in pH 6 Phosphatpuffer bei 30 °C eine starke Basislinienverschiebung auf. Die Ursache hierfür ist eine sprungartige Zunahme der Viskosität beim Überschreiten der Saturierungsphasengrenze. Diese Basislinienverschiebung nimmt mit steigender Temperatur ab bedingt durch die Zunahme der thermischen Energie. Die rheologischen Eigenschaften des Systems OG/DMPG wurden mit einem Rotationsviskosimeter näher untersucht. Im Koexistenzbereich zeigt sich scherverdünnendes, anti-thixotropes Verhalten. Dies läßt sich erklären durch die Bildung von würmchenähnlichen Mizellen. Vor Beginn der Scherung sind die Würmchenmizellen durch die Brown sche Molekularbewegung völlig ungeordnet. Mit eintretender Scherung findet eine Orientierung der Mizellfäden statt. Durch besseres aneinander Vorbeigleiten tritt eine Viskositätserniedrigung ein. Bei weiterer Erhöhung von & g kommt es verstärkt zu Rheo-destruktion und die Moleküle müssen sich neu assoziieren. Erniedrigt man die Scherrate wieder, kommt es durch die Reassoziation zu verstärkten Wechselwirkungen zwischen den verzweigten, fadenförmigen Mizellen. Dadurch ist die Viskosität beim Reduzieren der Scherrate höher und die Kurve verläuft linksherum (anti-thixotrop).
Photolysiert man [{Cp R Ru(CO)2}2] (Cp R = Cp", Cp*) (1a,b), in Gegenwart von weißem Phosphor, so können keine phosphorhaltigen Produkte isoliert werden. Setzt man [{Cp"Ru(CO)2}2] (1a) mit weißem Phosphor bei 190 °C in Dekalin um, dann lassen sich als einzige Verbindungen das Pentaphospharuthenocen-Derivat [Cp"Ru(h 5 -P5)] (3a, 6 % Ausbeute) und [Cp"2Ru2P4] (4a, 17 % Ausbeute) säulenchromatographisch abtrennen. Für 4a wird auf Grund seiner spektroskopischen Eigenschaften eine den röntgenstruktur-analytisch charakterisierten pseudo-Tripeldecker-Komplexen [{Cp R Fe}2(micro-h 4:4 -P4)] (Cp R = Cp" [35] , Cp"' [11] ) analoge Struktur mit s-cis-Tetraphosphabutadiendiyl-"Mitteldeck" vorgeschlagen; es sind jedoch auch zwei micro-h 2:2 -P2-Liganden denkbar. Die Cothermolyse von [{Cp"Ru(CO)2}2] (1a) und [Cp*Fe(h 5 -P5)] (2b) ergibt ein breites Produktbild. Während [Cp"Ru(h 5 -P5)] (3a), das chromatographisch nicht von 2b abgetrennt werden konnte, und [Cp"2Ru2P4] (4a, 6 % Ausbeute) in vergleichsweise geringen Mengen entstehen, können [{Cp"Ru}3P5] (6) in 17 % Ausbeute, [{Cp"Ru}2{Cp*Fe}P5] (7) in 7 % Ausbeute, [{Cp*Fe}2{Cp"Ru}P5] (8) in 22 % Ausbeute und [{Cp"Ru}3{Cp*Fe}(P2)2] (9) in 14 % Ausbeute isoliert werden. Für 9 wird, basierend auf den NMR-spektroskopischen Befunden, eine zu [{CpFe}4(P2)2] (10) [24] analoge Struktur mit einem hier verzerrten Dreiecksdodekaedergerüst vorge-schlagen, dessen vier Ecken der Konnektivität fünf von drei Rutheniumatomen und einem Eisenatom besetzt sind und dessen vier Ecken der Konnektivität vier zwei micro-h 2:2:1:1 -P2-Einheiten einnehmen. Es handelt sich bei 9 wie bei 10 um Cluster vom hypercloso-Typ (n+1 = 8 GEP). [30,31] Röntgenstrukturanalysen zeigen, daß 6, 7 und 8 ebenfalls verzerrt dreiecksdodekaedrische Gerüststrukturen besitzen. Damit ist auch die Struktur der bereits früher synthetisierten und spektroskopisch charakterisierten Komplexe [{Cp R Fe}3P5] (Cp R = Cp*, Cp*') (11b,c) [8] geklärt, deren NMR-Daten auf eine enge Verwandtschaft insbesondere mit 6 hinweisen. Gegenüber 9 bzw. 10 [24] mit einem M4P4-Gerüst (M = allgem. Übergangsmetallatom) ist in den Clustern 6, 7, 8 und 11b,c [8] mit M3P5-Gerüst formal ein 13 VE-Metallkomplex-fragment (Konnektivität fünf; 1 GE) durch ein Phosphoratom (3 GE) ersetzt, wodurch der Übergang zum closo-Strukturtyp des Dreiecksdodekaeders (n+1 = 9 GEP) [30,31] vollzogen wird. Die Cluster 6, 7, 8 und 11b,c [8] enthalten eine bisher unbekannte Koordinationsform der P5-Einheit. Bei der thermischen Umsetzung von [{Cp*Ru(CO)2}2] (1b) mit [Cp*Ru(h 5 -P5)] (3b) erhält man als Hauptprodukt den Dreikernkomplex [{Cp*Ru}3(P4)(P)] (17b, 62 % Ausbeute). Als einziges Nebenprodukt kann [Cp*2Ru2P4] (4b, 5 % Ausbeute) säulen-chromatographisch isoliert werden. Die NMR-Daten von 17b lassen in Analogie zum röntgenstrukturanalytisch charakterisierten [{Cp*'Fe}3(P4)(P){Mo(CO)5}] (18c) [8] auf eine cubanartige Struktur schließen, in der die fünf Phosphoratome in Form einer Isotetraphosphid-Einheit und eines einzelnen Phosphoratoms vorliegen. Die Gesamtzahl von 64 Valenzelektronen ist im Einklang mit drei Metall-Metall-Bindungen [31] . Für 4b ist wie für das voranstehend besprochene Cp"-Derivat 4a eine Pseudo- Tripeldecker-Struktur mit s-cis-Tetraphosphabutadiendiyl-"Mitteldeck" oder mit zwei micro-h 2:2 -P2-Liganden zu diskutieren. Thermolysiert man [{Cp* Ru(CO)2}2] (1c) mit 3b, so erhält man die Komplexe [Cp*'nCp*2-nRu2P4] (n = 0,1,2) (4b,d,c) und [{Cp*'Ru}n{Cp*Ru}3-n(P4)(P)] (n = 1,2,3) (17e,d,c) jeweils als nicht auftrennbare Gemische von analog aufgebauten Verbindungen, die sich nur im Zahlenverhältnis der verschiedenen Cyclopentadienyl-Liganden Cp*' und Cp* unterscheiden. In geringem Umfang beobachtet man dabei auch eine cyclo-P5-Übertragung unter Bildung des literaturbekannten [Cp*'Ru(h 5 -P5)] [7,10] , das im Gemisch mit nicht abreagiertem 3b anfällt. Durch Umsetzung mit [W(CO)5(thf)] gelingt die Komplexierung des dreiecks-dodekaedrischen Clusters [{Cp*Fe}2{Cp"Ru}P5] (8) zum Monoaddukt [{Cp*Fe}2{Cp"Ru}P5{W(CO)5}] (19), während beim Komplexierungsversuch des ebenfalls dreiecksdodekaedrischen Clusters [{Cp*'Fe}3P5] (11c) mit [Mo(CO)5(thf)] [8] eine Gerüstumlagerung zur cubanartig aufgebauten Verbindung [{Cp*'Fe}3(P4)(P){Mo(CO)5}] (18c) erfolgt. Der Strukturvorschlag für 19 basiert auf dem 31 P-NMR-Spektrum. Versuche zur Oxidation von 8 mit gelbem Schwefel bei Raumtemperatur führen zu unspezifischer Zersetzung bzw. Folgereaktionen von 8. Orientierende Versuche mit grauem Selen als milderem Oxidationsmittel deuten darauf hin, daß unter geeigneten Reaktionsbedingungen eine einfache Selenierung am endständigen Phosphoratom des P5-Liganden von 8 erfolgt. Bei der Umsetzung von [{Cp"Ru}3{Cp*Fe}(P2)2] (9) mit gelbem Schwefel können je nach Reaktionsbedingungen bis zu drei Phosphoratome oxidiert werden. Vollständige Sulfurierung wie im Falle von [{CpFe}4(P2S2)2] [24] wird nicht beobachtet. Die Sulfurierung ist regioselektiv. Für einen bestimmten Sulfurierungsgrad wird jeweils nur ein Produkt erhalten. Die Strukturvorschläge für die Cluster 21 23 werden anhand ihrer 31 P-NMR-spektroskopischen Daten abgeleitet.
In Anlehnung an die konventionelle SSP-PCR-Methode wurde ein Low-Resolution-Panel mittels des TaqMan-Prinzips entwickelt und es wurde exemplarisch für DR4 und DR15/16 gezeigt, daß die auf dem 5 Nuklease-Assay beruhende Methode fähig ist, auch einzelne Punktmutationen voneinander zu unterscheiden. Das Grundprinzip dieser Methode basiert ähnlich dem der PCR-SSP auf dem Verfahren der PCR und auf dem Ausnutzen genetischer Unterschiede. So kommt es nur zu einer Amplifizierung wenn beide Primer spezifisch binden. Die Detektion einer erfolgreichen Amplifizierung erfolgt bei der TaqMan-Methode über eine Fluoreszenzmessung im gleichen Reaktionsgefäß. So entfallen jegliche Post-PCR-Schritte, d.h. es müssen weder weitere Pipettierschritte noch Gelelektrophorese eingesetzt werden. Das automatisch generierte Datenfile muß nur am Rechner ausgewertet werden. Mit Hilfe einer optimierten Schnell-DNA-Isolierungsmethode, die auf dem Binden an ein Säulenmaterial und Verdau etwaiger Proteine beruht, läßt sich eine DRB1-Typisierung nunmehr in etwas mehr als 2 Stunden durchführen, im Gegensatz zu den bisher 3-3.5 Stunden bei der konventionellen SSP-PCR. Durch den höheren Automatisierungsgrad, werden nicht nur Zeit und Arbeitsaufwand minimiert, sondern auch die potentiellen Fehlerquellen eingeschränkt, wie z.B. Kontaminationen durch PCR-Produkte, fehlerhaftes Auftragen der PCR-Produkte auf das Gel und die falsche Zuordnung von Banden. Bei Validierungsuntersuchungen dieses Tests ergab sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit der konventionellen SSP-Typisierung und mit anderen molekularbiologischen Methoden wie RFLP. Die TaqMan-Methode stellt eine sehr nützliche Alternative zu herkömmlichen Typisierungsverfahren dar. Sie kann sowohl für Einzel- und Notfalltypisierungen, als auch für eine größere Zahl gleichzeitig durchzuführender Tests eingesetzt werden. Sie ist sehr zuverlässig, weniger zeit- und arbeitsintensiv als andere Methoden (SSP, SSO), besitzt ein höheres Automatisierungspotential und einen höheren Durchsatz. Sie ist erweiterbar für die Detektion neuer Allele und Subtypen. Die Technik ist in ihren Einsatzmöglichkeiten nicht begrenzt, im Gegensatz zu RFLP oder RSCA, die durch Enzyme bzw. ihre Schnittstellen limitiert sind. TaqMan-Assays sind weniger aufwendig und die Interpretation übersichtlicher als z.B. die einer Sequenzierung. Eine Ausdehnung der HLA-Typisierung mittels TaqMan-Verfahren auf andere HLA-Loci ist durchaus sinnvoll.
Der Variantenreichtum der Pentaphosphaferrocene konnte unter Verwendung von trimethylsilyl-substituierten CpR-Liganden erweitert werden. Neben den einfach und zweifach Tms-substituierten Cp- und Cp= Liganden kommt auch der gemischt substituierte Cp-'-Ligand zum Einsatz. Bei der Cothermolyse von [CpRFe(5-P5)] und [CpRCo(CO)2] entstehen eine Reihe von neuartigen und bekannten Cobalt und Eisen Mehrkernclustern mit unsubstituierten Pn-Liganden. Die Verbindungen [{Cp=Co}4P10], [{Cp=Co}4P4] und [{Cp-Co}4P4] fungierten ebenfalls in ausgewählten Reaktionen als Phosphorquelle mit einer erstaunlichen Produktpalette.
Das Ziel der vorliegender Arbeit war es, nähere Informationen über den Zusammenhang zwischen den Konformationsänderungen des Chaperonin-GroEL/ES-Systems und den einzelnen Schritten im Faltungsprozess zu erhalten. Dabei wurde die ESR-Spektroskopie als kon-formationssensitive Methode eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Doppelmutant GroEL C138S/C519S, der nur noch in Position 458 jeder Untereinheit ein einzelnes Cystein enthält, mit drei verschiedenen thiol-spezifischen Spin-Labeln, nämlich 4-(3-Iodo-acetamido)-2,2,6,6- tetramethyl-piperidin-1-oxyl (IAAT), 4-Maleimido-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinoxyl (MAL) und 4-(3?Iodo-2? oxopropyliden-1)?2,2,3,5,5? pentamethyl-[d15]? imidazolidin-1-oxyl (IOPI) modifiziert und untersucht. Um genaue Aussagen für die nun modifizierten Mutanten dmEL-IAAT, dmEL-MAL und dmEL-IOPI zu machen, wurden diese biochemisch charakterisiert und mit dem nicht spin-gelabeltem Doppelmutant GroEL (dmEL) und dem Wildtyp GroEL (wtEL) verglichen. Die biochemische Charakterisierung des nicht spingelabeltem dmEL und der modifizierten Mutanten erfolgte durch die Bestimmung von ATPase-Aktivität und Rückfaltungsaktivität. Zusätzlich wurde die Umgebung der kovalent eingebrachten Spin-Labeln (IAAT, MAL, IOPI) in Gegenwart und Abwesenheit von GroES und Substratproteins untersucht. Die verschiedenen Untersuchungen am dmEL und die entsprechenden experimentell erhalte-nen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die ATPase-Aktivität des nicht spingelabelten dmEL leicht höher als die des wtEL ist, allerdings hat die Vorinkubation des dmEL mit ES in Anwesenheit von Nukleotiden keine Inhibierung der ATP-Hydrolyse im Falle des dmEL verursacht. Im Gegensatz dazu wurde im Falle des wtEL eine Inhibierung von etwa 25 % der ATP-Hydrolyse in Anwesenheit von ES im Vergleich zum wtEL-Wert in Abwesenheit von ES und Nukleotiden (wie auch in der Literatur [Viitanen et al., 1990; Langer et al., 1992; Chandrasekhar et al., 1986; Gray & Fersht, 1991; Jackson et al., 1993] beschrieben) bemerkt. Bei der Untersuchung der durch Chaperonin-GroEL unterstützten Rückfaltung von denaturierter LDH wurde eine deutliche Erhöhung der Ausbeute an zurückgefalteter LDH im vergleich zu der ?spontanen? nicht Chaperonin-abhängigen Rückfaltung von LDH bemerkt. Die ?spontane? nicht Chaperonin-abhängige Rückfaltung von LDH bei 25 °C zeigt eine Ausbeute an aktiven LDH von 23 %. In Gegenwart von dmEL und ATP wurden etwa 20 % der denaturierten LDH rückgefaltet. Die Zugabe von ES an dmEL in Anwesenheit von ATP hat die Ausbeute an Teil rückgefalteter LDH auf 42 % erhöht. Dies deutet auf eine direkte Interaktion zwischen GroES und GroEL hin. Die Experimente am wtEL unter gleichen Bedingungen wie beim dmEL haben eine deutliche Erhöhung der Ausbeute an rückgefalteter LDH in Anwesenheit von wtEL und ATP auf 52 % gezeigt (wie auch schon bei [Guhr, 2000] beschrieben). Die Anwesenheit von ES hat die Ausbeute auf 65 % erhöht. Betrachtet man sich in diesem Zusammenhang den Unterschied zwischen den Ausbeuten an rückgefalteter LDH durch dmEL und wtEL, so ist anzunehmen, dass die gerin-gere Rückfaltungsaktivität des dmEL an der eingeführten Doppelmutation C138S/C519S liegt. Es liegt nahe, dass eine für die Rückfaltung eines Substratproteins benötigte Konformationsübertragung von der Doppelmutation beeinflusst wird. Das GroEL:GroES-Verhältnis war bei allen verschiedenen Untersuchungen 1:2. In unserem Arbeitskreis wurde schon bereits von P. Guhr (2000) gezeigt, dass unterschiedliche GroEL:GroES-Verhältnisse von entweder 1:1 oder 1:2 weder bei LDH noch bei MDH-Rückfaltung einen Einfluss auf die Ausbeute rückgefalteten Substratprotein hat. Diese Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass unter den verwendeten Reaktionsbedingungen nur die asymmetrischen GroEL/GroES-Komplexe ?bullet? als aktive Komponenten auftraten. Die Bestimmung von zugänglichen Nukleotidbindungsstellen am GroEL wurde mit Hilfe der ESR-Spektroskopie und C8-SL-ATP durchgeführt. Sowohl bei dmEL als auch bei wtEL konnten alle Nukleotidbindungsstellen besetzt werden. Im Gegensatz zum wtEL zeigt der dmEL eine sigmoidale Bindungskurve. Die Bestimmung von Nukleotidbindungstellen in Anwesenheit von ES zeigte kein sigmoidales Verhalten. Die Bildung des GroEL/ES-Komplexes in Gegenwart von C8-SL-ATP konnte von P. Guhr (2000) nicht erfolgreich nachgewiesen werden, da Versuche zum Nachweis des Komplexes mit Hilfe der nativen Gelelektrophorese scheiterten. Die chemische Modifizierung des dmEL mit IAAT-SL und die durchgeführten Untersuchun-gen zur biochemischen Charakterisierung des dmEL-IAAT-SL und deren Vergleich mit dem nicht spingelabelten dmEL haben die folgenden Schlüsse gelassen: Der IAAT-SL beeinflusst die ATPase-Aktivität des dmEL relativ wenig im Vergleich zum dmEL-Wert. Ebenso wurde die Nukleotidbindung an dmEL-IAAT-SL relativ wenig beeinflusst, allerdings zeigt die Nukleotidbindungskurve des dmEL-IAAT-SL kein sigmoidales Verhalten im Gegensatz zum dmEL. Auch bei der Bestimmung der Nukleotidbindungsstellen in Anwesenheit von ES wurden alle Nukleotidbindungsstellen besetzt. Die experimentell beobachtete Rückfaltungsaktivität des dmEL nach Modifizierung mit IAAT-SL wurde stark beeinflusst. Während etwa 20 % der denaturierter LDH durch dmEL in Anwesenheit von ATP rückgefaltet wurden, wurden nur etwa 5 % der denaturierten LDH durch dmEL-IAAT in Anwesenheit von ATP rückgefaltet. Allerdings hat die Anwesenheit von ES die Ausbeute an Teil rückgefalteter LDH im Falle des dmEL-IAAT-SL in Anwesenheit von ATP auf 8 % erhöht. Die beobachtete normale ATPase-Aktivität und die niedrige Rückfaltungsaktivität des dmEL-IAAT-SL deuten darauf hin, dass diese von einander abgekoppelt erfolgen. Die ESR-Untersuchungen am dmEL-IAAT-SL haben in Anwesenheit von verschiedenen Nukleotiden, GroES, und Substratprotein keine Konformationsänderungen in der Umgebung des modifizierten mit IAAT-SL C458 nachgewiesen. Es wurde nur in einem Fall in Abwesenheit von Substratprotein aber in Gegenwart von ATP und ES ein Effekt der ES-Bindung auf die ESR-Spektren gezeigt. Dies deutet darauf hin, dass die Bindung von ES die Übertragung von strukturellen Änderung im Bereich des C458 beeinflusst hat. Im Gegensatz zum IAAT-SL hat der MAL-SL die ATPase-Aktivität des dmEL relativ stark beeinflusst, so dass die ATPase-Aktivität des dmEL-MAL nur 50 % der des dmEL-Wertes erreicht hat. Es besteht die Möglichkeit, dass durch eine Störung der Struktur der Nukleotid-bindungsstellen eine gestörte Konformationsübertragung verursacht wurde, so dass die ATPase-Aktivität zu tief abgefallen ist. Die Rückfaltungs-Untersuchungen am dmEL-MAL haben gezeigt, dass etwa 15 % der denaturierten LDH in Anwesenheit von dmEL-MAL und ATP seiner Ausgangs-Aktivität zurückgewinnt. Dieser Anteil an rückgefalteter LDH steigt auf etwa 25 % in Anwesenheit von dmEL-MAL, ATP und ES. Diese Erhöhung der Ausbeute deutet auf eine direkte Interaktion zwischen GroES und GroEL hin. Die ESR-Untersuchungen an dmEL-MAL haben keine strukturellen Veränderungen im Bereich des mit MAL-SL modifizierten C458 des Proteins nachgewiesen. Der IOPI-SL hat bei der ATPase-Aktivität-Unteruschungen ein unterschiedliches Verhältnis im Vergleich zu IAAT-SL bzw. MAL-SL gezeigt. Bei Bestimmung der ATPase-Aktivität des dmEL-IOPI bei 30 °C wurde eine ATPase-Aktivität im selben Bereich wie beim dmEL gefunden. Bei 37 °C hat der dmEL-IOPI eine außergewöhnliche hohe ATPase-Aktivität mit fast 100 %iger Steigerung der des dmEL-Wertes gezeigt. Auch die ATPase-Aktivität des dmEL-IOPI nach Vorinkubation mit ATP oder ADP und in Anwesenheit von ES ist um etwa 166 % der des dmEL-Wertes gesteigert, anstatt abzufallen. Es konnten jedoch nur 4,8 % denaturierter LDH durch dmEL-IOPI in Anwesenheit von ATP rückfalten. Die Zugabe von ES hat diesen Anteil auf 21 % erhöht, jedoch liegt der Wert unterhalb der spontanen Rückfaltung (22 %). Wie in allen Fällen, wurde auch im Falle des dmEL-IOPI gezeigt, dass eine direkte Interaktion zwischen GroES und GroEL besteht. Auch die ATPase läuft zu schnell ab und kann den Faltungsprozess von Substratprotein nicht unter-stützen. Wenn man das Verhalten der drei modifizierten Mutanten in Bezug auf die ATPase-Aktivität und Rückfaltung betrachtet, deuten die Ergebnisse darauf, dass die ATPase-Aktivität und die Rückfaltungsaktivität von einander abgekoppelt erfolgen. Auch im Falle des dmEL-IOPI haben die ESR-Spektren keine strukturellen Änderungen im Bereich des C458 nachgewiesen. Ein weiterer Ansatzpunkt zur Untersuchung des Chaperonins GroEL wären die folgenden Doppelmutationen einzuführen: C138S/C458S bzw. C458S/C519S und die gleichen Unter-suchungen der vorliegender Arbeit durchzuführen. Anderer Vorschlag wäre die chemische Modifizierung des Substratproteins oder auch des Co-Chaperonin-GroES innerhalb des ?mobile loop? nach einer entsprechenden Cysteinmutation und mit Hilfe der ESR-Spektroskopie könnten noch genauen Aussagen über den Funktions-mechanismus gemacht werden. Einführung von Cysteinmutation innerhalb der apikalen Domäne des GroEL und mit Hilfe der ESR-Spektroskopie könnte auch ermöglichen, nähere Informationen über die GroES- bzw. Substratproteinbindung zu gewinnen.
Die Ausschaltung autoantigener Immunzellen ist das Prinzip der antigenspezifischen Immunsuppression, einer erfolgversprechenden Methode zur Therapie von Autoimmunerkrankungen. Im Fall der Myasthenia gravis, bei der die Autoimmunreaktion gegen den nikotinischen Acetylcholinrezeptor (AChR) gerichtet ist, wurden Konjugate aus dem kompletten AChR und dem ribosomen-inaktivierenden Toxin Gelonin in in vivo Versuchen eingesetzt [Urbatsch et al., 1993; Brust et al., 1987]. Urbatsch und Brust gelang die Therapie von Ratten, bei denen sie die experimentelle autoimmune Myasthenia gravis (EAMG) ausgelöst hatten, durch Applikation dieser Konjugate. Zur Vermeidung unerwünschter Immunreaktionen gegen pathologisch irrelevante Teile des AChR, wurde die humane +- -Untereinheit, sowie der extrazelluläre Teil, in dessen Bereich die hauptantigene Determinante liegt, in E. coli exprimiert [Rousselle, 1996]. Allerdings konnten diese Peptide nur in denaturierter, unlöslicher Konformation als inclusion bodies erhalten werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Isolierung von AChR-Gelonin-Konjugaten aus nativen, gefalteten Rezeptor-Fragmenten und deren in vivo Einsatz zur Therapie der EAMG in Lewis-Ratten. Zur Induzierung der EAMG wurde der nikotinische AChR aus dem elektrischen Organ des Zitterrochens, Torpedo californica (T-AChR) isoliert und in fünf Lewis-Ratten eingesetzt. Der Verlauf der EAMG, wie auch die spätere Therapie mit den Konjugaten, sollte elektrophysiologisch mit Hilfe der repetitiven Serienstimulation verfolgt werden. Bei den Ratten konnte durch diese Methode eine pathologische Reduzierung der funktionstüchtigen AChR nachgewiesen werden. Zur Isolierung nativ gefalteter AChR-Fragmente wurde die Koexpression des Chaperoninsystems GroEL/GroES mit verschiedenen AChR-Fragmenten durchgeführt. Nur mit dem Plasmid polsi HE706 gelang es das AChR-Fragment zu exprimieren. Da das Fragment +- HE706 aber ausschließlich in Form von inclusion bodies detektiert wurde, muß die Koexpression mit dem Chaperonin-Komplex GroEL/GroES zur nativen Faltung des Proteins, als gescheitert angesehen werden. Da keine nativ gefalteten AChR-Fragmente isoliert werden konnten, stellte Prof. Dr. A. Maelicke (Institut für Physiologische Chemie und Pathobiochemie, Mainz) freundlicherweise das rekombinante T-AChR1-209-Fragment zur Verfügung. Die hohe Aggregationsbereitschaft, die negative Reaktion mit konformellen Antikörpern und Schwierigkeiten das Protein aufzukonzentrieren, wiesen auf die unvollständige Faltung des T-AChR1-209 hin. Die Synthese des T-AChR1-209-Gelonin-Konjugates sollte mit dem Kopplungsreagenz BMME (Bis-( maleimido)-methylether) unter Ausbildung einer Thioetherbrücke erfolgen. Dabei ist es notwendig in beide Proteine, durch Modifikation mit 2-Iminothiolan, Thiolgruppen einzuführen. Da die Modifizierung des T-AChR1-209 scheiterte, sollte die Thioetherbrücke mit dem Kopplungsreagenz SMCC (Succinimidyl-4-(N-maleimido)-cyclohexan-1-carboxylat) eingeführt werden. Bei dieser Methode ist es nicht notwendig, den T-AChR1-209 mit Thiolgruppen zu modifizieren. Nach der Synthese des T-AChR1- 209-Gelonin-Konjugates konnte der freie T-AChR1-209 vollständig abgetrennt werden, während das Konjugat mit nicht umgesetztem Gelonin verunreinigt war. Da kein T-AChR1-209-Fragment mehr zur Verfügung stand, mußten Versuche zur Optimierung der Konjugatsynthese aufgegeben werden.
Untersucht wurden eine Reihe von alpha,beta-ungesättigten Carbonylverbindungen, die im Hinblick auf ihr Vorkommen in Lebensmitteln, ihrer zum Teil noch nicht hinreichend bekannten toxikologischen Wirkungen und Hinsichtlich möglicher Struktur-Wirkungsbeziehungen ausgewählt wurden: (E)-2-Hexenal (HEX), (E)-2-Octenal (OCTE), (E)-2-Nonenal (NONE), (2E,4E)-2,4-Hexadienal (HEXDI), (2E,6Z)-2,6-Nonadienal (NONDI), (E)-2-Zimtaldehyd (CA) und 2-Cyclohexen-1-on (CHX). Mit Hilfe der gewonnen Daten sollte eine Abschätzung des toxischen (gentoxischen) Potentials der Verbindungen ermöglicht werden. Neben Cytotoxizität und Wachstumshemmung wurde vor allem auf Induktion von DNA-Schäden mittels Comet-Assay geprüft, für einige Substanzen auch auf Induktion von Mutationen mittels HPRT-Test. Weiterhin wurden Veränderungen des zellulären Glutathionspiegels und oxidative DNA-Modifikationen mittels modifiziertem Comet-Assay erfaßt. In orientierenden Versuchen wurde auf Induktion von Apoptose mittels Durchflußcytometrie geprüft. Die Untersuchungen wurden an V79 Zellen, einer Lungenfibroblastenzellinie des Chinesischen Hamsters, Caco-2 Zellen, einer humane Adenocarcinomzellinie, und an primären humanen Colonzellen durchgeführt. Ergänzend wurde auf Gentoxizität an Bakterien im UMU-Test geprüft. Die Ergebnisse zeigen, daß alle untersuchten alpha,beta-ungesättigten Carbonylverbindungen außer NONE in nicht cytotoxischen Konzentrationen konzentrationsabhängig DNA-Schäden in den verschiedenen Säugerzellen induzieren. Eine DNA-schädigende Wirkung von NONE konnte aufgrund der starken cytotoxischen Wirkung der Verbindung nicht beobachtet werden. Induktion von Apoptose, die für HEX in V79 Zellen untersucht wurde, konnte nicht nachgewiesen werden. Somit kann für die beobachteten DNA-Schäden eine gentoxische Wirkung angenommen werden. Mutagenität war für HEX, nur in der Nähe des cytotoxischen Grenzbereichs nachweisbar. Im Vergleich zur DNA-Schädigung in geringeren Konzentrationen depletierten alle untersuchten Verbindungen den Glutathionspiegel. Erstmals konnte unter diesen Bedingungen eine erhöhte Empfindlichkeit der Zellen gegenüber induziertem oxidativem Streß (H2O2) nachgewiesen werden. Weiterhin wurde erstmals für HEX eine erhöhte oxidative DNA-Schädigung im Verlauf einer mehrstündigen Postinkubation (ohne Zugabe eines Oxidans) gezeigt. Die Bedeutung dieser oxidativen DNA-Schäden für die gentoxische Wirkung der 2-Alkenale/CHX ist derzeit noch nicht abschätzbar. Für den UMU-Test wurde belegt, daß er zum Nachweis gentoxischer Wirkungen von 2-Alkenalen ungeeignet ist, aufgrund einer durch die Substanz bedingte Beeinflussung der beta-Galactosidase-Aktivität. Am wirksamsten waren NONDI und NONE in den verwendeten Testsystemen. Das geringe Vorkommen dieser Verbindungen in der Umwelt/Nahrung und ihre starke Cytotoxizität relativieren jedoch das gentoxische Gefährdungspotential. HEX war in der Regel entweder gleich stark (GSH-Depletion; Induktion oxidativer Schäden) oder leicht schwächer (Induktion von DNA-Schäden) wirksam als NONDI/NONE. Die Verbindungen (OCTE, HEXDI und CHX) sind schwächer wirksam und/oder kommen in deutlich geringeren Mengen vor, so daß für sie von einem zu vernachlässigenden Gefährdungspotential ausgegangen werden kann. CA besitzt ebenfalls eine geringere gentoxische Wirkung als HEX, da aber keine Daten zur täglichen Aufnahme vorliegen, ist eine Riskoabschätzung nicht möglich. Aufgrund der deutlich geringeren cytotoxischen Wirkung von HEX im Vergleich zu NONE/NONDI (Faktor 14) und des relativ hohen Vorkommens (geschätzte mittlere tägliche Aufnahme pro Person: ca. 6 mg) ist das mögliche Gefährdungspotential durch HEX höher einzuschätzen.
Die Cothermolyse von [CpR(CO)Mo(P2)2FeCpR] und Phosphaalkin sowie Tolan ergibt in befriedigenden Ausbeuten die heterobimetallischen, tripeldeckerartigen Zweikerncluster [(Cp"'Mo)(Cp*'Fe)(P3CtBu)(P2)], Cp"' = C5H2tBu3-1,2,4, Cp*' = C5Me4Et, und [(Cp*Mo)(Cp*Fe)(P2C2Ph2)(P2)] mit einem verbrückenden Tri-und Diphosphabutadiendiyl-Liganden. Ein überraschendes Ergebnis liefert die Syntheseoptimierung von [Cp"'Mo(CO)(P2)2FeCp*]. Hier wird u.a. [{Cp"' Mo(CO)(P3){Cp*Fe(CO){Cp*Fe(-P7Me)}] erhalten, das röntgenographisch untersucht werden konnte. Durch die Umsetzung von [Cp*'(CO)Mo(P2)2FeCp*] mit cyclo-(PhAs)6 kann eine ganze Serie von Arsaphospholen erhalten werden, die die allgemeine Zusammensetzung PnAsm (m = 5 - n; n = 4,3,2,1) haben. Eine Trennung des Gemisches ist jedoch nicht möglich. Dennoch gelingt eine röntgenographische Charakterisierung dieser Verbindungsklasse.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein Beitrag zu der Frage geleistet werden, welche Bedeutung etheno-DNA-Addukte in der Karzinogenese und bei chronisch degenerativen Erkrankungen haben könnten. Zu diesem Zweck wurden etheno-DNA-Addukte mittels 2-Chloracetaldehyd (CAA), einem von zwei Metaboliten von Vinylchlorid und dem Krebstherapeutikum Ifosfamid, in einem humanen B-lymphoiden Zellsystem (Raji Zellen) induziert. Der subtoxische Konzentrationsbereich von CAA wurde mittels Wachstumskurven auf unter 100 microM eingegrenzt. Weiterhin wurde gezeigt, daß CAA in den in dieser Arbeit verwendeten Konzentrationen einen relativ großen Einfluß auf das Wachstumsverhalten von Raji Zellen hatte. Dieser Einfluß beruhte unter anderem auf der Hemmung der DNA-Replikation und damit indirekt auch auf die DNA-Reparatur, der CAA-abhängigen Kondensation der zellulären DNA aufgrund von DNA-DNA-Quervernetzungen und einem geringen Einfluß auf die Atmungskette in Mitochondrien aufgrund einer Hemmung des NADH-Dehydrogenase-Komplexes. Die weitere Arbeit verteilte sich daraufhin auf drei Teilprojekte : - Die Detektion und Quantifizierung von etheno-Desoxyadenosin-Addukten (edA) wurde unter Anwendung einer einfachen, nicht-radioaktiven Alternative zu der IPPA-Postlabeling-Methode auf HPLC-Basis mit Fluoreszenzdetektion durchgeführt, die im Rahmen dieser Arbeit etabliert wurde. Dabei konnte gezeigt werden, daß CAA bei Konzentrationen zwischen 30 und 100 microM eine Erhöhung von edA um den Faktor 3-4 in Raji Zell-DNA zur Folge hatte. Ferner konnte mit Hilfe dieser HPLC-Methode zum ersten Mal die Induktion von edA als Folge von Zigarettenrauch in diesem Zellsystem gezeigt werden, wobei es offen bleibt, ob diese DNA-Addukte direkt oder durch Induktion von Lipidperoxidation gebildet wurden. - Der Nachweis der genspezifischen Induktion von etheno-DNA-Addukten in einer "Hot-Spot"-Region der mitochondrialen DNA wurde auf Basis einer in unserer Abteilung von Yang und Hergenhahn entwickelten Methode zum genspezifischen Nachweis von DNA-Schäden durchgeführt. Dazu wurde diese Methode auf die in dieser Arbeit gestellten Anforderungen hin weiterentwickelt. Es konnte unter Zuhilfenahme dieser Methode eine signifikante Zunahme von edA in der mitochondrialen Zielregion, bei CAA-behandelten Proben gegenüber den Kontrollen, nachgewiesen werden. - Der Einfluß von CAA auf die Mutationsraten in mitochondrialer DNA aus Raji Zellen wurde mit Hilfe des RSM- und DPD-Tests untersucht. Der DPD-Test wurde im Laufe dieser Arbeit zu einem Festphasen-DPD-Test weiterentwickelt um den Hintergrund an nicht mutierten Sequenzen und die Gefahr von Kreuzkontaminationen zu minimieren. Im Rahmen dieser Experimente konnte eine Zunahme von Mutationen zwischen 10,5 und 14,5 % der CAA-behandelten Proben gegenüber den unbehandelten Kontrollen gezeigt werden. Die Art der Mutationen wurde durch Sequenzierung ermittelt und waren in allen CAA-behandelten Proben A G und T C Transitionen. Weiterhin wurde überprüft, ob CAA, als bifunktionelles Agens, neben Punktmutationen auch Deletionen auslösen könnte. Dabei wurde eine nahezu signifikante Zunahme an Deletionen in den CAA-behandelten Proben gegenüber den unbehandelten Kontrollen festgestellt. Die in dieser Arbeit angewendeten und weiterentwickelten Methoden könnten durchaus weitere praktische Anwendungen finden. So könnte die Bestimmung von edA mittels HPLC aus Blut von Krebspatienten, bei Behandlung mit dem Krebstherapeutikum Ifosfamid, ein nützliches Hilfsmittel für die Expositionskontrolle werden. Hierbei könnte edA als Marker für die interne Belastung des Patienten mit, dem Metabolit von Ifosfamid, CAA dienen. Die in dieser Arbeit entwickelte Festphasen-DPD-Methode ebnet den Weg, unselektierte durch edA-ausgelöste Mutationen in nukleären Genen wie z.B. p53 zu bestimmen, die aufgrund von erhöhter Lipidperoxidation unter pathologischen, präkarzinogenen Bedingungen wie Wilsons Syndrom oder Hämochromatose gebildet werden könnten. Da bisher keine mitochondrialen etheno-DNA-Addukt-spezifischen Reparaturenzyme beschrieben wurden, muß man davon ausgehen, daß etheno-DNA-Addukte auch einen Beitrag zu Mutationen im mitochondrialen Genom leisten und damit eine Rolle im Prozeß des Alterns bzw. in der Entwicklung von degenerativen Erkrankungen spielen könnten.
In der vorliegenden Arbeit werden die Synthesen neuer Imidovanadium(V)-Verbindungen vorgestellt. Die analytischen Daten werden diskutiert und die Komplexe charakterisiert. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch Reaktivitätsstudien, die wiederum die Charakterisierung der Produkte erfordert. Die Umsetzung von Phosphaalkinen mit Imidovanadium-Komplexen stellt einen Schwerpunkt der Arbeit dar. Die erhaltenen organischen bzw. anorganischen Produkte werden isoliert und charakterisiert. Mögliche Reaktionsmechanismen werden diskutiert und anhand nachgewiesener Neben- bzw. Zwischenprodukte untermauert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist das Studium des Reaktionsverhaltens der Imidovanadium(IV)-Verbindung tBuNVCl2 DME. Das Disproportionierungsverhalten bei den Substitutionsreaktionen mit Nukleophilen der 14., 15., und 16. Gruppe wird untersucht; neue Komplexe werden isoliert und charakterisiert.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines Enzyme linked immuno sorbant Assay zur Untersuchung der Protein-Tyrosinkinase-Aktivität des Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR). Um die Beeinflussung der Signaltransduktionskaskade downstream des EGFRs durch antineoplastische Substanzen weiter in intakten Zellen untersuchen zu können, wurde ein Mitogen-aktivierte-Proteinkinase (MAPK)-Reportergen-Assay entwickelt. Tyrphostin AG 1478, ein bekannter EGFR-Inhibitor, erwies sich im neu etablierten Test-system als potenter Hemmstoff der Protein-Tyrosinkinase (PTK) des EGFRs mit einem IC50-Wert von 2,4 microM. Das Wachstum von A 431-Zellen wird durch Tyrphostin AG 1478 signifikant stärker inhibiert, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Die Behandlung von A 431- Zellen mit Tyrphostin AG 1478 induziert eine Arretierung der Zellen in G0/G1-Phase des Zellzyklus, bei gleichzeitiger Abnahme der Zellzahl in der Synthesephase. Neuartige Bisindolylmaleimide und Indolocarbazole zeigten in tumorzellwachstumshemmenden Konzentrationen keine bzw. nur eine geringe Hemmung der PTK-Aktivität des EGFRs. Aus der Gruppe der substituierten Pteridine hemmte die Leitsubstanz 7a (DC-TA-46) die PTK-Aktivität des EGFRs mit einem IC50-Wert von 48 +- 3,5 microM. Modifikationen in Position 2 spielen eine wesentliche Rolle bei der Hemmung der EGFR assoziierten PTK. Modifikationen der Leitsubstanz in Position 6, wie z.B. Austausch des Chlors gegen Wasserstoff oder eine Methylgruppe, führten zum Verlust der Hemmwirkung auf die PTK-Aktivität. Die untersuchten Substanzen 7a, 7k, 7o, E272, E273 und E276 hemmten das Wachstum der A 431- Zellen in niedrigeren Konzentrationen, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Im MAPK-Reportergen- Assay zeigten 7a und das Glycin-Derivat E272 als einzige dieser Substanzen in Konzentrationen, in denen Wachstumshemmung und PTK-Hemmung vorliegt, eine fast vollständige Inhibierung der Elk1-Phosphorylierung. Hingegen zeigte das Lysin-Derivat E273, das die höchste Hemmwirkung der Pteridinderivate im PTK-Assay aufwies, in wachstumshemmenden Konzentrationen im MAPK-Reportergen-Assay keine Hemmung der Luciferase-Aktivität. Ferner wurden unterschiedliche Klassen von Flavonoiden untersucht. Aus den Gruppen der untersuchten Chalcone und Isoflavone erwies sich keine Substanz als potenter PTK-Hemmstoff. Die untersuchten Flavone aus Scutellaria baicalensis hemmten das Wachstum von A 431- Zellen in niedrigeren Konzentrationen, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Aus dieser Gruppe hemmte Baicalein als einzige die PTK-Aktivität des EGFRs in wachstumshemmenden Konzentrationen mit einem IC50-Wert von 1,1 microM. Neben Baicalein zeigte Wogonin eine Hemmung der Elk1-Phosphorylierung, wobei nur Baicalein in wachstumshemmenden Konzentrationen die Luciferase-Aktivität inhibierte. Des weiteren erwiesen sich die Anthocyanidine Delphinidin und Cyanidin in wachstumshemmenden Konzentrationen als Hemmstoffe der EGFR assoziierten Tyrosinkinase und Elk1-Phosphorylierung. Beide Substanzen hemmten das Wachstum von A 431-Zellen in niedrigeren Konzentrationen, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Abschließend ist festzuhalten, daß neue molekulare Untersuchungsmethoden erfolgreich etabliert wurden, die Einblick in Mechanismen ermöglichen, die für eine tumorzellwachstumsinhibierende Wirkung relevant sind. Hierbei stand im Vordergrund die Aufklärung von Interaktionen in zellulären Signalketten, die wesentliche Bedeutung für die Zellproliferation besitzen. Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit war vor allem der Wachstumsfaktor getriggerte Signalweg Rezeptor-Tyrosinkinase/Ras/Raf/MAPK. Die so etablierten Testmethoden können dazu beitragen, neue Wirkprinzipien zur Tumorwachstumshemmung aufzufinden bzw. zu charakterisieren.
The goal of this thesis was to improve the surface quality of highly reinforced polymer
composites in order to make these materials applicable to the painted exterior of passenger
cars.
For the evaluation of the application sector of automotive exterior components, a catalogue of
requirements was drawn up from technical specifications, internal standards, and legal
requirements. Components in the horizontal decorative section of the outer skin, like front hood,
boot lid, and roof, have to fulfil the highest optical and structural requirements. A survey of the
automobile market concerning applications of fibre reinforced plastics in the exterior of cars
showed the state of the art and certain tendencies. So far, only non-reinforced, short-fiber- or
random-fiber-reinforced plastics have been able to fulfil the high suriace requirements. Up to
now, high material prices, the lack of mass production concepts, and insufficient suriace quality
have prohibited serial applications of CFRP in the outer skin of passenger cars. Therefore,
different manufacturing technologies for exterior components in composites were examined and
compared in an overview of processes. The process of resin transfer moulding (RTM) was
identified to have great potential for serial production:because of its achievable suriace quality
together with high specific mechanical properties of 1he composites.
The goal of the current research was to find optimized combinations of materials, processes,
and coatings, in order to realize a Class-A suriace quality for CFRP parts in the RTM process.
The main problem with the suriace quality is the print-through of the reinforcement caused by
the inhomogeneous distribution of the reinforcing fibres and the chemical and thermal shrinkage
of the matrix material during processing. In order to periom a systematic investigation of the
composite materials, the process parameters, and surtace treatments, an experimental RTM
tool with a plate cavity was designed and produced in the suriace quality standard of a serial
tool.
Within the material optimization the comparison of five epoxy resins showed that the system 82
was the most promising for further investigations with regard to surface quality and cycle time.
Within the comparison of the fibre reinforcements, the woven fabrics displayed a minor surface
quality compared to the non-woven and non-crimp fabrics. lt was found out that multiaxial
stitched fabrics with optimized placement technique, texturized, multifilament stitching yarns,
and trikot-franse stitching pattern currently provide the best combination of surface quality and
processability, Even better surface results were achieved with non-crimp fabrics that are fixed
by an adhesive to a polyester mesh. However, the difficult processing and infiltration with matrix
material still provide a hurdle to a possible serial application. As a result of the investigation, one
type of randomly oriented cut glass mat with minimal fibre diameter and even fibre distribution
was preferred as a core material to the commonly used continuous strand mats. Within the
great variety of different surface veils, a few types could be identified to offer an effective
reduction of long term waviness (from LW>20 to LW<20) and short term waviness (from SW>35 to SW<15). These selected surface veil types are mechanically or binder fixed and made of
glass or PAN fibres with an areal weight of 50 to so g/m2
.
Statistical methods for the design of experiments and the analysis of the results were used in
the process optimization with the epoxy system 82. After the identification of the main predictors
and responses a D-optimal experimental plan was designed and perfomed. The method of
multiple regression was used to create a process modell which describes the observed system
behaviour and deviation to a very high degree.
It was discovered that high pressures on the liquid matrix system right after injection contribute
to a high surface quality by compensating a great part of the reaction shrinkage. fn order to
achieve high pressures in the cavity exceeding 100 bar, the processing af)d tooling equipment
was modified beyond conventional RTM process capabilites. Optimal settings for vacuum and
temperature difference depend on tool temperature and post pressure levels. The simultaneous
analysis of curing temperature and demoulding time showed that the best surface quality can be
achieved if the part is demoulded from the tool as soon as the saturation T9, depending on the
current tool temperature, is reached. Longer curing times neither increase the T9 of the part nor
do they improve surface quality. From these results a first strategy for high suriace quality can
be derived with a high tool temperature and a short demoulding time. The second strategy with
a !ow tool temperature and a long demoulding time, however, is easier and safer to periom in
terms of process stability.
In order to compare highly reactive thermoset matrix materials and to measure the volume
shrinkage throughout the whole reaction, a novel shrinkage measurement cell, or dilatometer,
was designed. This created the new opportunity to determine the processing shrinkage in its
chemically and thermally induced proportions depending on matrix material, curing temperature,
and time. Because of the good correlation of the laboratory results with the previous RTM
experiments, a high experimental effort for hardware investigations to characterize new epoxy
systems can be saved in the future. Matrix system 82 displayed the lowest shrinkage values in
combination with a high reactivity. It could also be observed that a great proportion of the
reaction shrinkage takes place very quickly after the start of reaction. Therefore, the post
pressure on the matrix system must be applied as early as possible in order to compensate this
shrinkage. Curing at lower temperatures always leads to lower chemical and thermal shrinkage.
In comparison to literature the newly developed method presented in this thesis provides
plausible results with high accuracy, and for the first time also for highly reactive thermoset
systems.
Suriace coatings offer the opportunity to reduce or cover surface structures and defects in order
to achieve a high quality of the painted part surface. The exploration of in-process coatings lead
to thermoplastic films and gel-coats as technologies with a high potential for the improvement of
surface quality. In comparison, epoxy surfacing films and inmould-powder-coatings result in
more effort to adapt the materials and application methods0to the current RTM process. It was
shown that the post-process coating with a plastic paint system contributes to an improvement of the surface quality. In this study different priming coat materials and thicknesses were
identified that cover part of the surface texture with an acceptable structure of the coat itself. In
addition, two surface finishing methods with manual sanding were found to raise the surface
quality of the painted part up to the required standard if required.
The results of the different subsystems materials, RTM-process, and surface coatings can be
combined in different combinations of various emphasis to the overall system of the painted
ATM-part, complying with the requirements of the specific outer skin region.
Short-term solutions for outer skin parts with vertical surfaces {as A-, B-, C-pillars, sills, or rear
side wings) were found and proven with sample plates for the first time. In order to achieve the
high quality required for horizontal exterior components (as front hood, roof, and trunk lid) at the
current state of development, a higher performance of the subsystems is necessary. But even
for this Class-A suriace quality, sample parts could be produced for the first time with high effort
in the ATM-process. At the beginning of this investigation, sample plates produced in RTM
displayed surtace waviness values of LW>35 and strong fibre marking over the whole surtace.
With the combination of optimization results, sample plates with LW<5 could be produced. A
visual evaluation could not determine any regular, oriented surface texture.
The presented work showed solutions in material-process-coating-combinations and
development potential to reach the required Class-A surface quality of automobile exterior parts
with advanced composites. This provides the necessary foundation for further developments
with the aim of a serial application.
Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Korrelationen zwischen den optischen Eigenschaften und den laserspezifischen Parametern von laseraktiven Festkörpermaterialien. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Entwicklung von zweidimensionalen Meßverfahren zur Bestimmung der optischen und laserphysikalischen Eigenschaften von kristallinen Festkörpermaterialien mit einer räumlichen Auflösung zwischen 30 und 100 microm. Dazu wurden bekannte Methoden wie Messung der Absorption, Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer, die Schlierenmethode, das Polariskop und das Absorptionskalorimeter hinsichtlich Genauigkeit und räumlicher Auflösung verbessert, um für die zweidimensionalen Messungen eingesetzt werden zu können. Darüber hinaus müssen die Meßverfahren langzeitstabil sein, einen vollautomatischen Ablauf und eine quantitative Auswertung erlauben. Um die großen Datenmengen von maximal 2,8*10^6 Werten je Meßparameter und Probe handhaben zu können, wurde eine umfangreiche Softwarebibliothek zur Automatisierung der Messungen und zur Auswertung der Daten entwickelt. Die Auswertungsprogramme erlauben dabei beliebige Verknüpfungen zwischen den gemessenen Parametern. Voraussetzung hierfür war die Einführung eines kalibrierten Koordinatensystems für alle Meßverfahren. Mit den entwickelten Meßverfahren wurde eine Vielzahl verschiedener Proben und Materialien charakterisiert, um im ersten Schritt einen Überblick über mögliche Kristallfehler und deren Auswirkungen auf den Laserprozeß zu erhalten. Eine derart umfassende Charakterisierung von laseraktiven Materialien mit den dargestellten Genauigkeiten ist bisher noch nicht publiziert worden. Die präzise Charakterisierung der optischen Parameter und der laserphysikalischen Eigenschaften war in Verbindung mit der selbst entwickelten Software die Voraussetzung zur Untersuchung der Korrelationen zwischen diesen Parametern. Insbesondere die Untersuchung der Boulequerschnitte mit großem Durchmesser von bis zu 50 mm war sehr wichtig, da hier in derselben Probe Bereiche sehr unterschiedlicher Kristallqualität gemeinsam auftreten. Aus den Untersuchungen der Boulequerschnitte konnten Hinweise auf eine Korrelation zwischen den oben genannten Parametern abgeleitet werden, welche im Anschluß in einer quantitativen Analyse untersucht wurden. Daher war eine quantitative Bestimmung aller Parameter der Proben unabdingbar. Es konnte, wie theoretisch abgeleitet, ein linearer Zusammenhang zwischen den durch mechanische Spannungen induzierten Verlusten und den Laserparametern differentieller Wirkungsgrad und Schwelle nachgewiesen werden. Der Regressionskoeffizient der Korrelation zwischen diesen Parametern betrug für 3100 untersuchte Meßpunkte im Mittel r=0,76. Ebenso wurde der lineare Zusammenhang zwischen dem Betrag des Brechungsindexgradienten, der ein Maß für die optische Homogenität darstellt, und den gleichen Laserparametern gezeigt. Der mittlere Regressionskoeffizient ist mit r=0,65 etwas kleiner als im vorigen Fall, allerdings wurde der komplette Boulequerschnitt mit 265.000 Meßpunkten betrachtet, was kleinere Werte für r bei gleichstarker Korrelation erlaubt. In Einklang mit der Theorie wurde die Abhängigkeit der Korrelation der Parameter von der Transmission des Auskopplungsspiegels gezeigt. Eine Abhängigkeit des Brechungsindex von der Konzentration der Dotierung wurde qualitativ an einer ND:YAG Probe gezeigt. Die Verfahren wurden erfolgreich zur Charakterisierung von Czochralski-Nd:YAG, das erstmals mit einer Dotierungskonzentration von 2 at.% hergestellt werden konnte, angewandt. Der Vergleich mit dem sehr gut bekannten Nd:YAG mit einer Konzentration von 1 at.% zeigte keine Verschlechterung der Kristallqualität durch die Verdopplung der Dotierungskonzentration. Die Variationen im Betrag des Brechungsindexgradienten sind für beide Konzentrationen gleich groß. Diese Ergebnisse der optischen Charakterisierung konnten in Laserexperimenten auch bei hohen Ausgangsleistungen von 12 W bestätigt werden. Es wurde für das 2 at.% dotierte Material ein differentieller Wirkungsgrad von 56,6% und für 1 at.% dotiertes mit 53,8% nahezu der gleiche Wert bestimmt. Gegenüber einem Vergleichskristall aus Nd:YVO lieferte der 2 at.% Nd:YAG die höhere Ausgangsleistung, wobei zusätzlich berücksichtigt werden muß, daß der Nd:YVO Kristall bei 60% seiner Bruchgrenze und der 2 at.% Nd:YAG Kristall bei 39% seiner Bruchgrenze betrieben wurde. Mit der gleichen Systematik wurde die Qualitätskontrolle am Beispiel von Nd(0,9%):YAG Stäben aus der industriellen Fertigung demonstriert. Das Ausgangsmaterial wurde nach dem Zuchtvorgang einer Vorabprüfung unterzogen, um Defekte frühzeitig erkennen zu können. In Form einer Endkontrolle wurden die optischen Eigenschaften von fünf Stäben nach Durchlaufen des letzten Produktionsschrittes untersucht. Die Ergebnisse der Charakterisierung lieferten die kleinsten im Rahmen dieser Arbeit bestimmten Werte für den Betrag des Brechungsindexgradienten. Weiterhin demonstrierte die Untersuchung der Doppelbrechung, daß die vom Kern verursachten Spannungen, die sich über den ganzen Kristallboule ausbreiten, in den einzelnen Stäben nicht mehr vorhanden sind. Durch die hervorragenden Werte der optischen Homogenität und der Doppelbrechung sowie der sehr homogenen Verteilung der Dotierung konnte auf eine ausgezeichnete Kristallqualität geschlossen werden, was durch die Messung der Laserparameter bestätigt werden konnte. Es wurde im Multimodebetrieb ein differentieller Wirkungsgrad von maximal 68% erreicht, was sehr nahe an der theoretischen Obergrenze von 72% liegt. Mit der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, daß eine verläßliche Vorhersage der Lasereigenschaften aus optischen und spektroskopischen Daten möglich ist. Damit ist eine wichtige Vorbedingung zur Klassifizierung von laseraktiven Materialien nach bestimmten Qualitätsmerkmalen erfüllt. Eine Einführung von Qualitätsnormen mit definierten Prüfverfahren für laseraktive Materialien ist nun möglich. Die Umsetzung der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Verfahren kann für die Laserindustrie der entscheidende Durchbruch von der Einzelfertigung in den Massenmarkt bedeuten.
Die Evolution plastidärer und eubakterieller Nukleotid-Transporter, die man aufgrund biochemischer und molekularer Eigenschaften zur Familie der nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporter zusammenfasst, ist noch völlig ungeklärt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die evolutive Sequenzverwandtschaft dieser nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transportern aus Pflanzen und Eubakterien eingehender untersucht. So konnten folgende wichtige Fragestellungen beantwortet werden: 1. Ist der nicht-mitochondriale Nukleotid-Transporter ausschließlich auf intrazelluläre Bakterien und Plastiden beschränkt? Unter Anwendung molekularbiologischer Techniken sowie der Computer-gestützten Analyse laufender Genom- und EST-Projekte wurde im gesamten Organismenreich (Eu- und Prokaryoten) nach weiteren homologen nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transportern gesucht. Aufgrund der gewonnenen Daten konnte postuliert werden, dass die nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporter innerhalb der Eukaryoten ausschließlich auf Plastiden-haltige Organismen beschränkt und damit im gesamten Pflanzenreich verbreitet sind. Innerhalb der Prokaryoten wurden Mitglieder dieser Transporter-Familie bislang nur in einigen wenigen endosymbiontisch bzw. endoparasitisch lebenden Eubakterien identifiziert, die der Gattung Rickettsiales und Chlamydiales angehören. 2. Wie haben sich diese Transporter innerhalb der beiden Organismenreiche entwickelt? Aufgrund der molekularen Identifizierung eines nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporters aus Cyanophora paradoxa, konnte ein monophyletischer Ursprung aller homologen plastidären Transportproteine postuliert werden, da somit die älteste bzw. ursprünglichste Pflanze ein entsprechendes Transportsystem besitzt. Darüber hinaus wurde angenommen, dass im Verlauf der Pflanzenevolution zwischen niederen und höheren Pflanzen infolge der Ausbildung höherer Organisationsformen (Vielzeller) und der Differenzierung in Gewebe bzw. Organen Genduplikationen stattgefunden haben. Das eingeschränkte Vorkommen der nicht-mitochondrialen Nukleotid- Transporter innerhalb der Eubakterien wurde dadurch erklärt, dass die Chlamydien und Rickettsien als obligat intrazellulär lebende Eubakterien von der Außenwelt abgeschirmt sind und daher keine Möglichkeit zum Genaustausch mit weiteren Bakterienspezies besitzen. Dass Vorkommen eines solchen Transportsystems in Vertreter wurde in dieser Arbeit als mögliche Folge eines horizontaler Gentransfers diskutiert. 3. Woher stammt das Gen (Ursprung des Gens) und über welche möglichen evolutiven Wege könnte es auf die jeweiligen Organismen übertragen worden sein? Zahlreiche Indizien sprechen für eine de novo -Entstehung der pflanzlichen Nukleotid-Transporter im Zuge der primären Endosymbiose zwischen einem heterotrophen Eukaryoten und einem Cyanobakterium (Entstehung der ersten Pflanzenzelle). Bei dieser Neuentstehung wurde ein möglicher evolutiver Zusammenhang zwischen den mitochondrialen und nicht-mitochondrialen Nukleotid- Transportern indiziert, der für eine homologe Entwicklung der Sequenzmotive GLGANVALIF/V, MAYIPLD und GKSGGA in beiden Transporter-Familie sprechen könnte. Für den chlamydialen Nukleotid-Transporter wurde in der vorliegender Arbeit postuliert, dass Chlamydien dieses Gen sowie einige andere pflanzliche Gene mittels horizontalen Gentransfer aus einer frühen, einzelligen Pflanzenzelle erworben haben. Ferner wurde diskutiert, welche Wege für einen horizontaler Gentransfer zwischen Rickettsien und Chlamydien bzw. Rickettsien und Pflanzen möglich sein könnten, um das Vorkommen rickettsieller Nukleotid-Transporter zu erklären. 4. Inwiefern haben sich die Transporteigenschaften nicht-mitochondrialer Nukleotid- Transporter im Laufe ihrer divergenten Entwicklung verändert? Der nicht-mitochondriale Nukleotid-Transporters aus Holospora obtusa (NPTHo), einem obligaten Endosymbiont des Pantoffeltierchens, zeichnet sich im Vergleich zu den bisher charakterisierten Nukleotid-Transporter durch einzigartige Transporteigenschaften aus, die dem intrazellulären Eubakterium einen erheblichen Selektionsvorteil verleihen. Aus den kinetischen Daten des NPTHo- Protein wurde ein neuer Phosphat-gekoppelten Transportmechanismus postuliert, der auf die nichtmitochondrialen Nukleotid-Transporter übertragen ist, wodurch sich die generellen Probleme des bislang postulierten einfachen ATP/ADP-Antiports lösen lassen.
Molekulardynamische Simulation chiraler flüssigkristalliner Phasen Im Rahmen der Arbeit wird erstmals die Polymorphie chiraler flüssigkristalliner Phasen mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Am Beispiel des Modellsystems des chiralen Gay-Berne-Fluids, das bisher ausschließlich mittels Monte Carlo-Simulationen untersucht wurde, wird das Phasendiagramm in Abhängigkeit von Temperatur und Druck bestimmt. Ein Ziel ist insbesondere die Untersuchung der dynamischen Selbstdiffusionseigenschaften in chiralen Phasen in Abhängigkeit von Temperatur und Druck. Im Fall der im Mittelpunkt der Untersuchung stehenden cholesterischen Phase werden die Zusammenhänge zwischen Selbstdiffusionseigenschaften und Gleichgewichtshelixganghöhe beziehungsweise Ordnungsparameter bestimmt.