Apoptosis, or programmed cell death, is an essential process in all multi-cellular organisms. It is indispensable to an organism's survival, preventing the malicious propagation of DNA damage and pathogenic alterations, through the clean disposal of afflicted cells. The BAD/tBID/BAK pathway is a portion of the apoptosis molecular pathway, albeit an important pathway since it is known to be deregulated and lead to pathological ailments such as cancer. Using chemical kinetics the BAD/tBID/BAK signaling pathway is modeled as a set of (nonlinear) ordinary differential equations. A first-cut numerical analysis reveals a mechanism where BAD sensitizes a switch from tBID activation to BAK activation. The phosphorylation of BAD is shown to inhibit this sensitizing effect. All behaviors are supported by experimental data, thereby validating the model of the BAD/tBID/BAK pathway. Moreover, modeling the phosphorylation of BAD as one of two modes, some conflicting experimental data about BAD's phosphorylation can be disentangled. Parameter values (in this case the kinetic rate constants) are prone to error or missing altogether. Chemical reaction network theory, however, provides a theoretical approach to complement the initial numerical analysis without having to specify rate constant values. We extend the global asymptotic stability and robustness results in [92] to include any complex-balanced mass-action network. This enables us to study the BAD/tBID/BAK signaling network by breaking it into two sub-networks: one with BAD and tBID, and the other with tBID and BAK. The complex-balanced BAD/tBID sub-network is shown to possess a unique steady state which is globally asymptotically stable. This verifies the simple and dynamically well-behaved exchange of BAD for Bcl-2 proteins which guard against tBID activation. The second sub-network, tBID/BAK, is formulated as a complex-balanced network with a perturbation representing the reaction of tBID catalyzing the activation of BAK. Our theoretical results produce a non-conservative, though state-dependent, condition which can be used to prove global convergence to a neighborhood of the unperturbed steady state. We then illustrate the biological importance of the result for tBID/BAK sub-network with an example design for a drug delivery system. / Ph. D.

This paper proposes and compares some statistical methods for the analysis of chemical reaction rate data. / Master of Science

Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.

Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.

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This thesis is concerned with the synthesis and characterisation of novel TCNQ (7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane), TMTCNQ (2,3,5,6-tetramethyl-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane) and TCNQF4 (2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane) based zwitterionic D-1t-A materials (where D and A are electron donors and acceptors respectively) of which the methylated Z-~-(N-methyl-4-quinolinium)-a-cyano-4( 2,3,5,6-tetrafluoro)styryldicyanomethanide [CH3(4)Q3CNQF4] is a typical example. Synthetic modification of the donor moiety was also undertaken, resulting in a diverse range of pyridinium, quinolinium and benzothiazolium-based materials, which may have use in nonlinear optical research. For the quinolinium system an extensive range of both 2- and 4-substituted analogues have been prepared and their properties compared and contrasted. The solvatochromic behaviour of these zwitterions was investigated in detail by dissolution in a range of organic solvents and measurement of their longest wavelength charge-transfer absorption bands using UV/Visible spectroscopy, which revealed that the substituents have a marked effect upon their solvatochromic properties. Most of the adducts studied display highly negative solvatochromism as the solvent polarity increases, in which their absorption maxima are linearly related with the normalised ENT values for the Reichardt dye. However the fluorinated quinolinium and pyridinium derivatives exhibit an unusual aggregation-induced reverse solvatochromism effect. The negative halochromic behaviour of selected zwitterions has also been investigated, with a hypsochromic shift of the longest wavelength CT absorption band being observed upon addition of electrolytes. Increased polarisation within the fluorinated R(4)Q3CNQF4 and R(2)Q3CNQF4 adducts has been indicated by solution state dipole moment measurements indicating greater nonlinear optical potential. However this increased polarisation has also been shown to be a major cause of the limited stability of these materials to photo-oxidation. The behaviour of the R(4)Q3CNQF4 and R(2)Q3CNQF4 zwitterions on the subphase and their resultant Langmuir-Blodgett film forming ability was also studied. However unlike the TCNQ-based materials the fluorinated adducts have been shown to be poor LB film forming materials.

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