TY  - THES
A1  - Sczech, Ronny
T1  - Haftvermittlung von Polyelektrolyten zwischen Celluloseoberflächen
T1  - Adhesion of polyelectrolytes between cellulose surfaces
N2  - Der Adhäsionsprozess an Cellulosefasern sollte bis hin zur molekularen Ebene aufgeklärt werden. Zuerst wurde eine definierte Celluloseoberfläche durch Aufschleudern hergestellt und eingehend charakterisiert wurde. Die Beschaffenheit der Oberfläche ist stark abhängig von der Konzentration Celluloselösung, die für das Aufschleudern benutzt wurde. Für geringe Konzentrationen bildete sich ein Netzwerk von Cellulosefibrillen über die Siliziumoberfläche aus. In einem mittleren Bereich wurden geschlossene Filme mit Dicken zwischen 1,5 und ca. 10 nm erhalten. Diese Filme wiesen eine Rauhigkeit unter 2 nm auf, was der Größe eines Cellulosemoleküls entspräche. Mit höheren Konzentrationen wurden die Filme dicker und auch rauer.  Die molekular glatten Cellulosefilme wurden zur Untersuchung der Adhäsionseigenschaften zwischen Celluloseoberflächen und ihrer Modifikation durch den Einfluss von Haftvermittlern (Polyelektrolyte) eingesetzt. Dafür wurde das Haftungsvermögen von Celluloseperlen auf der glatten Celluloseoberfläche analysiert. Die Adhäsion der Celluloseperlen hängt dabei von der Menge und von der Art des adsorbierten Polyelektrolyts ab. Geringe Polyelektrolytkonzentrationen ermöglichen wegen der teilweisen Bedeckung der Celluloseoberflächen eine Verstärkung der Haftvermittlung (Adhäsion). Höhere Konzentrationen an Polyelektrolyten bedecken die Celluloseoberfläche komplett, so dass die Symmetrie der Polyelektrolytadsorption entscheidend wird. Wenn Celluloseperlen und glatte Celluloseoberfläche gleichzeitig mit Polyelektrolyten beschichtet werden verringert sich bei hohen Konzentrationen die Adhäsion erheblich. Ein hohes Maß an Adhäsion wird dagegen erreicht, wenn nur eine der beiden gegenüberliegende Celluloseoberflächen separat beschichtet und dann in Kontakt mit der anderen gebracht Oberfläche wurde.  Der Einfluss einer äußeren Kraft auf die haftenden Celluloseperlen wurde untersucht, um eine Aussage über die auftretenden Adhäsionskräfte machen zu können. Dafür wurde eine spezielle Strömungszelle entwickelt, mit der die Bewegung von Celluloseperlen beobachtet werden kann. Je nach Ausrichtung der Strömungszelle bewegten sich die Celluloseperlen unterschiedlich schnell. War die Strömungszelle horizontal ausgerichtet, wirkte zusätzlich zur Adhäsionskraft noch die Gravitation auf die Oberfläche, so dass hier eine wesentlich langsamere Durchschnittsgeschwindigkeit ermittelt wurde als für die Messungen in vertikaler Ausrichtung.  Die Zugabe von verschiedenen Polyelektrolyten bei den Messungen mit der Strömungszelle hatte einen erheblichen Einfluss auf die Beweglichkeit der haftenden Celluloseperlen. Bei geringen Polyelektrolytkonzentrationen wurde das Potential der einzelnen Polyelektrolyten zur effektiven Haftvermittlung durch eine signifikant geringere Durchschnittsgeschwindigkeit der rollenden Celluloseperlen sichtbar. Aus der kritischen Anfangsgeschwindigkeit der rollenden Celluloseperlen wurde die Adhäsionsarbeit errechnet, die für die Bewegung nötig ist.
N2  - The process of adhesion of cellulose fibres should be revealed down to a molecular level. Therefore, a well defined cellulose surface was prepared and then characterized. Cellulose was deposited on silicon wafer surfaces via spin coating from a solution of cellulose in dimethylacetamide (including 7% (w/w) lithium chloride). The resulting cellulose layers were analyzed by ellipsometry, AFM, FTIR, ICP-MS, x-ray reflectivity, and contact angle measurements. The texture of the prepared cellulose surfaces depends strongly on the used cellulose solution for spin coating process. For cellulose concentrations below 0.07wt% the wafer surfaces are covered with a network of cellulose fibrils. For concentrations between 0.07 and 0.5 wt%, closed films with thicknesses between 1.5 and ca. 10 nm are obtained. These films are molecularly smooth (rms roughness < 2nm). Higher concentrations result in thicker films with significantly rougher surfaces (rms roughness >2nm). The cellulose layers were used to investigate cellulose/cellulose adhesion and their modification by polyelectrolytes. To this end the sticking behavior of cellulose beads was analyzed. It is demonstrated that the adhesion of the beads depends on the type, amount, and adsorption symmetry of adsorbed polyelectrolyte. Low, incomplete polyelectrolyte coverage always enhances adhesion, whereas for high coverage the symmetry of the polyelectrolyte coating is very important. In this case, adhesion is enhanced if only one surface is covered with polyelectrolyte prior to contact. If both surfaces were fully covered with polyelectrolytes before contact adhesion is decreased. Flexible and cationic polyelectrolytes are the most potent candidates for this usage.  The influence of an external force on the adhered cellulose beads was investigated to extimate the occurring adhesion forces. A special flow chamber was developed, in order to track the movements of cellulose beads rolling over a flat cellulose film. A constant water stream was applied as external force. The alignment of the flow chamber in reference to lab floor has an considerable influence on the speed of the rolling cellulose beads. If the flow chamber was aligned in the horizontal position, then gravity acts in addition to the adhesion force onto the surface. Thus, here were measured a substantial lower average speed of cellolude beads as it was measured for the vertical alignment of the flow chamber. The influence of gravity on the rolling friction of the cellulose beads could be prooved by modelling the rolling friction to HERTZ’s law and by evaluating statistically the movement vectors of the cellulose beads. As an another result of this findings one can estimate the occurring adhesion forces and energies.  The addition of different polyelectrolytes to the water stream used in measurements with the flow chamber had a substantial influence on the mobility of adhered cellulose beads. At high concentrations of polyelectrolyte sticked so many beads at the cellulose surface, that it was not possible to interpret the data reasonable. Low concentrations enables the potential of the invidual polyelectrolyte to be a effictive binding agent. Here, a significant lower average speed of cellulose beads rolling over a cellulose surface was observed by all used polyelectrolytes but most by a flexible and cationic one.
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Haftvermittler
KW  - Cellulose
KW  - Nassfestigkeit
KW  - Oberflächen
KW  - Adhäsion
KW  - surfaces
KW  - adhesion
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7338
ER  - 
TY  - THES
A1  - Elsner, Nils
T1  - Nanomechanik und Adhäsion von Polyelektrolytmultischicht-Hohlkapseln
T1  - Nanomechanics and adhesion of polyelectrolyte multilayer hollow capsules
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit zwei Themengebieten. Es ging zum einen um die mechanischen Eigenschaften von Polyelektrolythohlkapseln und zum anderen um die Adhäsion von Polyelektrolythohlkapseln. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit der AFM „colloidal probe” Technik untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Kraftdeformationskurven für kleine Deformationen den nach der Schalentheorie vorhergesagten linearen Verlauf haben. Ebenso wurde die quadratische Abhängigkeit der Federkonstanten von der Dicke bestätigt. Für PAH/PSS findet man einen E-Modul von 0.25 GPa. Zusammen mit der Tatsache, dass die Deformationskurven unabhängig von der Geschwindigkeit sind und praktisch keine Hysterese zeigen, sowie der Möglichkeit die Kapseln plastisch zu deformieren, kann man schließen, dass das System in einem glasartigen Zustand vorliegt. <pt>Erwartungsgemäß zeigte der pH einen starken Einfluss auf die PEM. Während in einem pH-Bereich zwischen 2 und 11.5 keine morphologischen Änderungen festgestellt werden konnten, vergrößerte sich der Radius bei pH = 12 um bis zu 50 %. Diese Radienänderung war reversibel und ging einher mit einem sichtbaren Weicherwerden der Kapseln. Eine Abnahme des E-Moduls um mindestens drei Größenordungen wurde durch Kraftdeformationsmessungen bestätigt. Die Kraftdeformationskurven zeigen eine starke Hysterese. Das System befindet sich nun nicht mehr in einem glasartigen Zustand, sondern ist viskos bis gummiartig geworden. Messungen an Kapseln, die mit Glutardialdehyd behandelt wurden, zeigten, dass die Behandlung das pH-abhängige Verhalten verändert. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass das PAH durch den Glutardialdehyd quervernetzt wird. Bei einem hohen Quervernetzungsgrad, zeigen die Kapseln keine Änderung des mechanischen Verhaltens bei pH = 12. Schwach quervernetzte Kapseln werden immer noch signifikant weicher bei pH = 12, jedoch ändert sich der Radius nicht. Außerdem wurden Multilagenkapseln untersucht, deren Stabilität nicht auf elektrostatischen Wechselwirkungen sondern auf Wasserstoffbrückenbindungen beruhte. Diese Kapseln zeigten eine deutlich höhere Steifigkeit mit E-Modulen bis zu 1 GPa. Es wurde gefunden, dass auch dieses System für kleine Deformationen ein lineares Kraft-Deformationsverhalten zeigt, und dass die Federkonstante quadratisch von der Dicke abhängt. Die Kapseln lösen sich praktisch sofort bei pH = 6.5 auf. In der Nähe dieses pHs konnte das Abnehmen der Federkonstanten verfolgt werden. Außerdem wurde das Adhäsionsverhalten von PAH/PSS Kapseln auf mit PEI-beschichtetem Glas untersucht. Die Adhäsionsflächen waren zu einem großen Teil rund und ließen sich quantitativ auswerten. Der Adhäsionsradius nimmt mit dem Kapselradius zu und mit der Dicke ab. Das Verhalten konnte mit zwei Modellen, einem für die große und einem für die kleine Deformation beschrieben werden. Das große Deformationsmodell liefert um eine Größenordung niedrigere Adhäsionsenergien als das kleine Deformationsmodell, welches mit Werten von ‑0.2 mJ/m<sup>2 Werte in einem plausiblen Bereich liefert. Es wurde gefunden, dass bei einem Verhältnis von Dicke zu Deformation von etwa eins "buckling" auftritt. Dieser Punkt markierte zugleich den Übergang von der großen zur kleinen Deformation.
N2  - This work had two objectives. The first was to study the mechanical properties of polyelectrolyte hollow capsules depending on the pH and the wall composition utilizing the AFM colloidal probe technique. The second objective was to study the adhesion of these capsules varying the radius and thickness. It was found that the AFM colloidal probe technique can be utilized to measure the shells spring constant. The acquired deformation curves for small deformations showed the linear force deformation relation predicted by the shell theory. The stiffness of capsules composed of polyallylamine and polystyrenesulfonate scales quadratically with the thickness giving Young’s modulus of 0.25 GPa. Changing the pH had no effect concerning the morphology and the elastic properties of the afore mentioned capsules up to pH = 11.5. At pH = 12 the capsules’ radius increased between 30 % and 50 % and the elastic modulus decreased by more than one order of magnitude. This pH-change can be viewed as the glass transition of the material, being in a glassy state below pH = 11.5 and becoming rubbery at pH = 12. Introducing crosslinking into the capsule wall inhibited any morphological changes at pH = 12, while leaving the capsule stiffness sensitive for small degrees of crosslinking. It was possible to prove the quadratic thickness dependency of the stiffness for a system where the internal forces keeping together the multilayer were hydrogen bonds (poly(methacrylic acid) / poly-4-vinylpyrrolidone). These apsules are significantly stiffer than the afore mentioned ones (Young’s modulus 0.6 to 1 GPa) and show a strong reaction towards increasing the pH by dissolving within seconds. Close to the dissolution pH these capsules also exhibit a transition from a glassy to a rubbery state. Capsules composed of polyallylamine / polystyrene sulfonate adhered to polyethylene imine coated glass. The radius of the adhesion disc increased with the radius of the capsule and decreased with increasing thickness. This behaviour could be semi quantitatively described with a strong and a weak deformation model giving a value for the adhesion energy of ‑0.02 mJ/m<sup>2 for the small deformation model. At deformations of the order of the thickness, the theoretically predicted buckling was observed.
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Mehrschichtsystem
KW  - Mikroskopie
KW  - Kraftmikroskopie
KW  - Mechanische Eigenschaft
KW  - Adhäsion
KW  - Wasserstoffionenkonzentration
KW  - polyelectrolyte multilayer
KW  - microscopy
KW  - atomic force microscopy
KW  - mechanical properties
KW  - adhesion
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5555
ER  - 
TY  - THES
A1  - Beissenhirtz, Moritz Karl
T1  - Proteinmultischichten und Proteinmutanten für neuartige empfindliche Superoxidbiosensoren
T1  - Protein Multilayers and Protein Mutants for novel sensitive Superoxide Biosensors
N2  - Das Superoxidradikal kann mit fast allen Bestandteilen von Zellen reagieren und diese schädigen. Die medizinische Forschung stellte eine Beteiligung des Radikals an Krebs, Herzinfarkten und neuraler Degeneration fest. Ein empfindlicher Superoxidnachweis ist daher zum besseren Verständnis von Krankheitsverläufen wichtig. Dabei stellen die geringen typischen Konzentrationen und seine kurze Lebensdauer große Anforderungen. Ziel dieser Arbeit war es zum einen, zwei neuartige Proteinarchitekturen auf Metallelektroden zu entwickeln und deren elektrochemisches Ansprechverhalten zu charakterisieren. Zum anderen waren diese Elektroden zur empfindlichen quantitativen Superoxiddetektion einzusetzen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Protein-Multischichtelektrode aus Cytochrom c und dem Polyelektrolyten Poly(anilinsulfonsäure) nach dem Layer-by-layer-Verfahren aufgebaut. Für zwei bis 15 Schichten an Protein wurde eine deutliche Zunahme an elektrodenaktivem Cytochrom c mit jedem zusätzlichen Aufbringungsschritt nachgewiesen. Die Zunahme verlief linear und ergab bei 15 Schichten eine Zunahme der redoxaktiven Proteinmenge um deutlich mehr als eine Größenordnung. Während das formale Potential im Multischichtsystem sich im Vergleich zur Monoschichtelektrode nicht veränderte, wurde für die Kinetik eine Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Elektronentransfers von der Zahl der Proteinschichten beobachtet. Mit zunehmender Scangeschwindigkeit trat ein reversibler Kontaktverlust zu den äußeren Schichten auf. Die lineare Zunahme an elektroaktivem Protein mit steigender Zahl an Depositionsschritten unterscheidet sich deutlich von in der Literatur beschriebenen Protein/Polyelektrolyt-Multischichtelektroden, bei denen ab etwa 6-8 Schichten keine Zunahme an elektroaktivem Protein mehr festgestelltwurde. Auch ist bei diesen die Zunahme an kontaktierbaren Proteinmolekülen auf das Zwei- bis Fünffache limitiert.  Diese Unterschiede des neu vorgestellten Systems zu bisherigen Multischichtassemblaten erklärt sich aus einem in dieser Arbeit für derartige Systeme erstmals beschriebenen Elektronentransfermechanismus. Der Transport von Elektronen zwischen der Elektrodenoberfläche und den Proteinmolekülen in den Schichten verläuft über einen Protein-Protein-Elektronenaustausch. Dieser Mechanismus beruht auf dem schnellen Selbstaustausch von Cytochrom c-Molekülen und einer verbleibenden Rotationsflexibilität des Proteins im Multischichtsystem. Die Reduzierung des Proteins durch das Superoxidradikal und eine anschließende Reoxidation durch die Elektrode konnten nachgewiesen werden. In einem amperometrischen Messansatz wurde das durch Superoxidradikale hervorgerufene elektrochemische Signal in Abhängigkeit von der Zahl an Proteinschichten gemessen. Ein maximales Ansprechverhalten auf das Radikal wurde mit 6-Schichtelektroden erzielt. Die Empfindlichkeit der 6-Schichtelektroden wurde im Vergleich zum Literaturwert der Monoschichtelektrode um Faktor 14, also mehr als eine Größenordnung, verbessert.  Somit konnte eine Elektrode mit 6 Schichten aus Cytochrom c und Poly(anilinsulfonsäure) als neuartiger Superoxidsensor mit einer 14-fachen Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zum bislang benutzten System entwickelt werden.  Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Auswahl, Gewinnung und Charakterisierung von Mutanten des Proteins Cu,Zn-Superoxiddismutase zur elektrochemischen Quantifizierung von Superoxidradikalen. Monomere Mutanten des humanen dimeren Enzyms wurden entworfen, die durch Austausch von Aminosäuren ein oder zwei zusätzliche Cysteinreste besaßen, mit welchem sie direkt auf der Goldelektrodenoberfläche chemisorbieren sollten. 6 derartige Mutanten konnten in ausreichender Menge und Reinheit in aktiver Form gewonnen werden. Die Bindung der Superoxiddismutase-Mutanten an Goldoberflächen konnte durch Oberflächen-plasmonresonanz und Impedanzspektroskopie nachgewiesen werden. Alle Mutanten wiesen einen quasi-reversiblen Elektronentransfer zwischen SOD und Elektrode auf. Durch Untersuchung von kupferfreien SOD-Mutanten sowie des Wildtyps konnte nachgewiesen werden, das die Mutanten über die eingefügten Cysteinreste auf der Elektrode chemisorptiv gebunden wurden und der Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem Kupfer im aktiven Zentrum der SOD erfolgte.  Die Superoxiddismutase katalysiert die Zersetzung von Superoxidmolekülen durch Oxidation und durch Reduktion der Radikale. Somit sind beide Teilreaktionen von analytischem Interesse. Zyklovoltammetrisch konnte sowohl die Oxidation als auch die Reduktion des Radikals durch die immobilisierten Superoxiddismutase-Mutanten nachgewiesen werden. In amperometrischen Messanordnungen konnten beide Teilreaktionen zur analytischen Quantifizierung von Superoxidradikalen genutzt werden. Im positiven Potentialfenster wurde die Empfindlichkeit um einen Faktor von etwa 10 gegenüber der Cytochrom c–Monoschichtelektrode verbessert.
N2  - The superoxide radical can react with almost all components of a cell and thus damage them. Enzymatic and non-enzymatic scavengers remove it from the body. An implication of the radical in cancer, heart disease, and neuronal degredation has been found in medical research. Therefore, a sensitive quantification of superoxide is necessary for a better understanding of diseases as well as for the study of biological degradation processes.  The aim of this work was to develop two new protein architectures on metal electrodes and to characterize their electrochemical behavior. Secondly, both electrodes were to be applied as superoxide biosensors.  In the first part of the work, a protein multilayer electrode consisting of cytochrome c and the polyelectrolyte poly(aniline sulfonated acid) was built up by the layer-by-layer procedure. SPR experiments proved the formation of multilayers. For 2 to 15 protein layers, a significant increase in electroactive protein was found with every deposition step in a linear fashion. For 15 layers, this increase was found to be more than one order of magnitude. While the formal potential did not change for the proteins in the layers, the rate of electron transfer was found to be dependent on the number of layers deposited. With increased scanning speed, a reversible loss of contact to the outer layers was noted. The linear increase in electroactive protein loading differed significantly from protein/polyelectrolyte electrodes described in the literature, where after 6-8 layers no further increase was found. Additionally, these systems increase the number of electroactive protein molecules only by a factor of 2 to 5.  These differences can be explained by an electron transfer mechanism which was demonstrated in this work for the first time. The transport of electrons between the electrode surface and the proteins in the layers takes place by a protein-protein electron transfer. This mechanism relies on the fast self-exchange of cytochrome c and a residual rotational flexibility of the protein molecules inside the structure. The reduction of the protein by the radical and its subsequent reoxidation by the electrode could be shown. In the amperometric mode, the sensor signal was determined for 2 to 15 layer electrodes. A maximum signal was found for 6 layers, where the sensitivity was improved by a factor of 14, compared to monolayer sensors.  The second part of this work describes the selection, production and characterization of mutants of the protein Cu,Zn-superoxide dismutase and their application as superoxide sensors. Monomeric mutants of the human dimeric enzyme were designed, which contained one ore two additional cysteines in order to chemisorb directly onto gold surfaces. 6 such mutants were gained in sufficient amount and purity. The binding to gold was characterized by surface plasmon resonance studies. All mutants showed quasi-reversible electrochemistry on gold electrodes. Experiments with copper-free mutants and the wildtype enzyme proved that the mutants bind to gold via the additional cysteines, while the electron transfer takes place between the electrode and the active site copper. Superoxide dismutases catalyze the removal of superoxide by both oxidation and reduction. Thus, both partial reactions are of analytical interest. In cyclic voltammetry, both oxidation and reduction of the radical could be proved. In amperometric experiments, both reactions were used for a quantification of superoxide concentrations. In the positive potential window, the sensitivity was found to be increased by about one order of magnitude, as compared to the cytochrome c monolayer electrode. ----------- <b>Hinweis zum Copyright:</b>Einige Abbildungen dieser Arbeit sind in Artikeln des Verfassers in den Zeitschriften Angewandte Chemie, Angewandte Chemie International Edition, Analytical Chemisty und Elektroanalysis erschienen. Ihre Darstellung im Rahmen dieser Arbeit erfolgt auch online mit ausdrücklicher Genehmigung der Verlage.
KW  - Biosensor
KW  - Superoxiddismutasen
KW  - Hyperoxide
KW  - Mutation
KW  - Cytochrom c
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Biosensor
KW  - Cytochome c
KW  - Superoxide Dismutase
KW  - Mutations
KW  - Multilayers
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5661
ER  - 
TY  - THES
A1  - Boroudjerdi, Hoda
T1  - Charged polymer-macroion complexes
T1  - Geladene Polymer-Makroionen Komplexe
N2  - This work explores the equilibrium structure and thermodynamic phase behavior of complexes formed by charged polymer chains (polyelectrolytes) and oppositely charged spheres (macroions). Polyelectrolyte-macroion complexes form a common pattern in soft-matter physics, chemistry and biology, and enter in numerous technological applications as well. From a fundamental point of view, such complexes are interesting in that they combine the subtle interplay between electrostatic interactions and elastic as well as entropic effects due to conformational changes of the polymer chain, giving rise to a wide range of structural properties. This forms the central theme of theoretical studies presented in this thesis, which concentrate on a number of different problems involving strongly coupled complexes, i.e. complexes that are characterized by a large adsorption energy and small chain fluctuations.  In the first part, a global analysis of the structural phase behavior of a single polyelectrolyte-macroion complex is presented based on a dimensionless representation, yielding results that cover a wide range of realistic system parameters. Emphasize is made on the interplay between the effects due to the polyelectrolytes chain length, salt concentration and the macroion charge as well as the mechanical chain persistence length. The results are summarized into generic phase diagrams characterizing the wrapping-dewrapping behavior of a polyelectrolyte chain on a macroion. A fully wrapped chain state is typically obtained at intermediate salt concentrations and chain lengths, where the amount of polyelectrolyte charge adsorbed on the macroion typically exceeds the bare macroion charge leading thus to a highly overcharged complex.  Perhaps the most striking features occur when a single long polyelectrolyte chain is complexed with many oppositely charged spheres. In biology, such complexes form between DNA (which carries the cell's genetic information) and small oppositely charged histone proteins serving as an efficient mechanism for packing a huge amount of DNA into the micron-size cell nucleus in eucaryotic cells. The resultant complex fiber, known as the chromatin fiber, appears with a diameter of 30~nm under physiological conditions. Recent experiments indicate a zig-zag spatial arrangement for individual DNA-histone complexes (nucleosome core particles) along the chromatin fiber. A numerical method is introduced in this thesis based on a simple generic chain-sphere cell model that enables one to investigate the mechanism of fiber formation on a systematic level by incorporating electrostatic and elastic contributions. As will be shown, stable complex fibers exhibit an impressive variety of structures including zig-zag, solenoidal and beads-on-a-string patterns, depending on system parameters such as salt concentration, sphere charge as well as the chain contour length (per sphere). The present results predict fibers of compact zig-zag structure within the physiologically relevant regime with a diameter of about 30~nm, when DNA-histone parameters are adopted.  In the next part, a numerical method is developed in order to investigate the role of thermal fluctuations on the structure and thermodynamic phase behavior of polyelectrolyte-macroion complexes. This is based on a saddle-point approximation, which allows to describe the experimentally observed reaction (or complexation) equilibrium in a dilute solution of polyelectrolytes and macroions on a systematic level. This equilibrium is determined by the entropy loss a single polyelectrolyte chain suffers as it binds to an oppositely charged macroion. This latter quantity can be calculated from the spectrum of polyelectrolyte fluctuations around a macroion, which is determined by means of a normal-mode analysis. Thereby, a stability phase diagram is obtained, which exhibits qualitative agreement with experimental findings.  At elevated complex concentrations, one needs to account for the inter-complex interactions as well. It will be shown that at small separations, complexes undergo structural changes in such a way that positive patches from one complex match up with negative patches on the other. Furthermore, one of the polyelectrolyte chains may bridge between the two complexes. These mechanisms lead to a strong inter-complex attraction. As a result, the second virial coefficient associated with the inter-complex interaction becomes negative at intermediate salt concentrations in qualitative agreement with recent experiments on solutions of nucleosome core particles.
N2  - In dieser Arbeit werden Gleichgewichtsstrukturen und die thermodynamischen Phasen von Komplexen aus geladenen Polymeren (Polyelektrolyten) und entgegengesetzt geladenen Kugeln (Makroionen) untersucht. Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe bilden ein grundlegendes und wiederkehrendes Prinzip in der Physik weicher Materie sowie in Chemie und Biologie. In zahlreichen technologischen Prozessen finden sich ebenfalls Anwendungsbeispiele für derartige Komplexe. Zusätzlich zu ihrem häufigen Auftreten sind sie aufgrund ihrer Vielfalt von strukturellen Eigenschaften von grundlegendem Interesse. Diese Vielfalt wird durch ein Zusammenspiel von elektrostatischen Wechselwirkungen sowie elastischen und entropischen Effekten aufgrund von Konformationsänderungen in der Polymerkette bedingt und bildet das zentrale Thema der theoretischen Studien, die mit dieser Arbeit vorgelegt werden. Verschiedene Strukturen und Prozesse, die stark gekoppelte Komplexe beinhalten - das sind solche, für die eine hohe Adsorptionsenergie und geringe Fluktuationen in den Polymerketten charakteristisch sind -, bilden das Hauptthema der Arbeit.  Basierend auf einer dimensionslosen Darstellung wird im ersten Teil der Arbeit in einer umfassenden Analyse das strukturelle Phasenverhalten einzelner Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe behandelt. Der Schwerpunkt wird hier auf das Wechselspiel zwischen Effekten aufgrund der Polyelektrolytkettenlänge, ihrer mechanischen Persistenzlänge, der Salzkonzentration und der Ladung des Makroions gelegt. Die Ergebnisse werden in allgemeinen Phasendiagrammen zusammengestellt, das das Aufwickeln-Abwickeln-Verhalten der Polyelektrolytkette auf einem Makroion beschreibt. Ein Zustand mit komplett aufgewickelter Kette tritt typischerweise bei mittleren Salzkonzentrationen und Kettenlängen auf; häufig ist hier die auf dem Makroion adsorbierte Gesamtladung des Polyelektrolyts größ er als die Ladung des nackten Makroions, d.h. es findet in hohem Grad Ladungsinversion statt.  Äußerst bemerkenswerte Eigenschaften treten auf, wenn eine einzelne lange Polyelektrolytkette viele, ihr entgegengesetzt geladene Kugeln komplexiert. In biologischen Systemen findet man solche Komplexe zwischen DNS, die die genetische Information einer Zelle trägt, und kleinen, entgegengesetzt geladenen Histonproteinen. Diese Komplexe dienen als effizienter Mechanismus, die groß e Menge an DNS im Mikrometer-groß en Zellkern eukaryotischer Zellen zu komprimieren. Die dadurch erhaltene komplexe Faser, eine Chromatinfaser, hat unter physiologischen Bedingungen einen Durchmesser von nur etwa 30~nm. Neue Experimente haben gezeigt, dass eine räumliche Zickzack-Anordnung einzelner DNA-Histon-Komplexe entlang der Chromatinfaser vorliegt. In der hier vorgelegten Arbeit wird eine numerische Methode vorgestellt, die auf einem einfachen Ketten-Kugel-Zell-Modell basiert und die die systematische Untersuchung des Mechnismus zur Faserbildung ermöglicht, wobei sowohl elektrostatische als auch elastische Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass stabile Komplexfasern in Abhängigkeit von der Salzkonzentration, der Kugelladung und der Kettenkonturlänge eine Vielfalt von Strukturen aufweisen, darunter Zickzack-, Solenoid- und Perlenkettenformen. Für physiologisch relevante Bedingungen werden mit dieser Methode für DNA-Histon-Komplexe Fasern kompakter Zickzack-Struktur mit einem Durchmesser von etwa 30~nm erhalten.  Im folgenden Teil wird eine numerische Methode entwickelt, um den Einfluss thermischer Fluktuationen auf Struktur und thermodynamisches Phasenverhalten der Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe zu untersuchen. Basierend auf der Sattelpunktsnäherung werden die experimentell beobachteten Reaktionsgleichgewichte in verdünnten Lösungen von Polyelektrolyten und Makroionen systematisch beschrieben. Das Gleichgewicht ist durch einen Verlust an Entropie für die einzelne Polyelektrolytkette durch die Bindung an das entgegengesetzt geladene Makroion gekennzeichnet. Diese Größ e wurde aus dem Spektrum der Polyelektrolytfluktuationen um das Makroion erhalten und mittels einer Analyse der Normalmoden berechnet. Hierüber wird ein Phasendiagramm zur Stabilität der Komplexe erhalten, das qualitativ gute Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen aufweist.  Bei höheren Komplexkonzentrationen müssen auch die Wechselwirkungen zwischen den Komplexen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass sich die Struktur der Komplexe bei kleinen Abständen so ändert, dass positiv geladene Bereiche eines Komplexes mit negativ geladenen auf einem Nachbarkomplex räumlich korrelieren. Weiterhin können einzelne Polyelektrolytketten als verbrückendes Element zwischen zwei Komplexen dienen. Dieser Mechanismus führt zu starker effektiver Anziehung zwischen den Komplexen. In Übereinstimmung mit kürzlich durchgeführten Experimenten ist als Folge davon der zweite Virialkoeffizient der Wechselwirkung zwischen Komplexen bei mittleren Salzkonzentrationen negativ.
KW  - Biopolymere
KW  - Histon-DNS-Komplex
KW  - DNS-Bindungsproteine
KW  - DNS
KW  - Chromatin
KW  - Kolloides System
KW  - Kolloidphysik
KW  - Polyelektrolyt
KW  - geladene Systeme
KW  - Theorie
KW  - Polyelektrolytkomplexe
KW  - Chromatin
KW  - Histone-DNA Complexes
KW  - Charged Systems
KW  - Polyelectrolyte Complexes
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6282
ER  -