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Der Einfluss der Dynamik auf die stratosphärische Ozonvariabilität über der Arktis im Frühwinter
(2010)
Der frühwinterliche Ozongehalt ist ein Indikator für den Ozongehalt im Spätwinter/Frühjahr. Jedoch weist dieser aufgrund von Absinkprozessen, chemisch bedingten Ozonabbau und Wellenaktivität von Jahr zu Jahr starke Schwankungen auf. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Variabilität weitestgehend auf dynamische Prozesse während der Wirbelbildungsphase des arktischen Polarwirbels zurückgeht. Ferner wird der bisher noch ausstehende Zusammenhang zwischen dem früh- und spätwinterlichen Ozongehalt bezüglich Dynamik und Chemie aufgezeigt. Für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der im Polarwirbel eingeschlossenen Luftmassenzusammensetzung und Ozonmenge wurden Beobachtungsdaten von Satellitenmessinstrumenten und Ozonsonden sowie Modellsimulationen des Lagrangschen Chemie/Transportmodells ATLAS verwandt. Die über die Fläche (45–75°N) und Zeit (August-November) gemittelte Vertikalkomponente des Eliassen-Palm-Flussvektors durch die 100hPa-Fläche zeigt eine Verbindung zwischen der frühwinterlichen wirbelinneren Luftmassenzusammensetzung und der Wirbelbildungsphase auf. Diese ist jedoch nur für die untere Stratosphäre gültig, da die Vertikalkomponente die sich innerhalb der Stratosphäre ändernden Wellenausbreitungsbedingungen nicht erfasst. Für eine verbesserte Höhendarstellung des Signals wurde eine neue integrale auf der Wellenamplitude und dem Charney-Drazin-Kriterium basierende Größe definiert. Diese neue Größe verbindet die Wellenaktivität während der Wirbelbildungsphase sowohl mit der Luftmassenzusammensetzung im Polarwirbel als auch mit der Ozonverteilung über die Breite. Eine verstärkte Wellenaktivität führt zu mehr Luft aus niedrigeren ozonreichen Breiten im Polarwirbel. Aber im Herbst und Frühwinter zerstören chemische Prozesse, die das Ozon ins Gleichgewicht bringen, die interannuale wirbelinnere Ozonvariablität, die durch dynamische Prozesse während der arktischen Polarwirbelbildungsphase hervorgerufen wird. Eine Analyse in Hinblick auf den Fortbestand einer dynamisch induzierten Ozonanomalie bis in den Mittwinter ermöglicht eine Abschätzung des Einflusses dieser dynamischen Prozesse auf den arktischen Ozongehalt. Zu diesem Zweck wurden für den Winter 1999–2000 Modellläufe mit dem Lagrangesche Chemie/Transportmodell ATLAS gerechnet, die detaillierte Informationen über den Erhalt der künstlichen Ozonvariabilität hinsichtlich Zeit, Höhe und Breite liefern. Zusammengefasst, besteht die dynamisch induzierte Ozonvariabilität während der Wirbelbildungsphase länger im Inneren als im Äußeren des Polarwirbels und verliert oberhalb von 750K potentieller Temperatur ihre signifikante Wirkung auf die mittwinterliche Ozonvariabilität. In darunterliegenden Höhenbereichen ist der Anteil an der ursprünglichen Störung groß, bis zu 90% auf der 450K. Innerhalb dieses Höhenbereiches üben die dynamischen Prozesse während der Wirbelbildungsphase einen entscheidenden Einfluss auf den Ozongehalt im Mittwinter aus.
Coarse-grained molecular model for the Glycosylphosphatidylinositol anchor with and without protein
(2020)
Glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchors are a unique class of complex glycolipids that anchor a great variety of proteins to the extracellular leaflet of plasma membranes of eukaryotic cells. These anchors can exist either with or without an attached protein called GPI-anchored protein (GPI-AP) both in vitro and in vivo. Although GPIs are known to participate in a broad range of cellular functions, it is to a large extent unknown how these are related to GPI structure and composition. Their conformational flexibility and microheterogeneity make it difficult to study them experimentally. Simplified atomistic models are amenable to all-atom computer simulations in small lipid bilayer patches but not suitable for studying their partitioning and trafficking in complex and heterogeneous membranes. Here, we present a coarse-grained model of the GPI anchor constructed with a modified version of the MARTINI force field that is suited for modeling carbohydrates, proteins, and lipids in an aqueous environment using MARTINI's polarizable water. The nonbonded interactions for sugars were reparametrized by calculating their partitioning free energies between polar and apolar phases. In addition, sugar-sugar interactions were optimized by adjusting the second virial coefficients of osmotic pressures for solutions of glucose, sucrose, and trehalose to match with experimental data. With respect to the conformational dynamics of GPI-anchored green fluorescent protein, the accessible time scales are now at least an order of magnitude larger than for the all-atom system. This is particularly important for fine-tuning the mutual interactions of lipids, carbohydrates, and amino acids when comparing to experimental results. We discuss the prospective use of the coarse-grained GPI model for studying protein-sorting and trafficking in membrane models.
Coarse-grained molecular model for the Glycosylphosphatidylinositol anchor with and without protein
(2020)
Glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchors are a unique class of complex glycolipids that anchor a great variety of proteins to the extracellular leaflet of plasma membranes of eukaryotic cells. These anchors can exist either with or without an attached protein called GPI-anchored protein (GPI-AP) both in vitro and in vivo. Although GPIs are known to participate in a broad range of cellular functions, it is to a large extent unknown how these are related to GPI structure and composition. Their conformational flexibility and microheterogeneity make it difficult to study them experimentally. Simplified atomistic models are amenable to all-atom computer simulations in small lipid bilayer patches but not suitable for studying their partitioning and trafficking in complex and heterogeneous membranes. Here, we present a coarse-grained model of the GPI anchor constructed with a modified version of the MARTINI force field that is suited for modeling carbohydrates, proteins, and lipids in an aqueous environment using MARTINI's polarizable water. The nonbonded interactions for sugars were reparametrized by calculating their partitioning free energies between polar and apolar phases. In addition, sugar-sugar interactions were optimized by adjusting the second virial coefficients of osmotic pressures for solutions of glucose, sucrose, and trehalose to match with experimental data. With respect to the conformational dynamics of GPI-anchored green fluorescent protein, the accessible time scales are now at least an order of magnitude larger than for the all-atom system. This is particularly important for fine-tuning the mutual interactions of lipids, carbohydrates, and amino acids when comparing to experimental results. We discuss the prospective use of the coarse-grained GPI model for studying protein-sorting and trafficking in membrane models.
Spin precession in magnetic materials is commonly modelled with the classical phenomenological Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. Based on a quantized three-dimensional spin + environment Hamiltonian, we here derive a spin operator equation of motion that describes precession and includes a general form of damping that consistently accounts for memory, coloured noise and quantum statistics. The LLG equation is recovered as its classical, Ohmic approximation. We further introduce resonant Lorentzian system-reservoir couplings that allow a systematic comparison of dynamics between Ohmic and non-Ohmic regimes. Finally, we simulate the full non-Markovian dynamics of a spin in the semi-classical limit. At low temperatures, our numerical results demonstrate a characteristic reduction and flattening of the steady state spin alignment with an external field, caused by the quantum statistics of the environment. The results provide a powerful framework to explore general three-dimensional dissipation in quantum thermodynamics.
Modeling random crawling, membrane deformation and intracellular polarity of motile amoeboid cells
(2018)
Amoeboid movement is one of the most widespread forms of cell motility that plays a key role in numerous biological contexts. While many aspects of this process are well investigated, the large cell-to-cell variability in the motile characteristics of an otherwise uniform population remains an open question that was largely ignored by previous models. In this article, we present a mathematical model of amoeboid motility that combines noisy bistable kinetics with a dynamic phase field for the cell shape. To capture cell-to-cell variability, we introduce a single parameter for tuning the balance between polarity formation and intracellular noise. We compare numerical simulations of our model to experiments with the social amoeba Dictyostelium discoideum. Despite the simple structure of our model, we found close agreement with the experimental results for the center-of-mass motion as well as for the evolution of the cell shape and the overall intracellular patterns. We thus conjecture that the building blocks of our model capture essential features of amoeboid motility and may serve as a starting point for more detailed descriptions of cell motion in chemical gradients and confined environments.