Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Mechanismen hormoninduzierter Ca2+-oszillationen, und wie diese von Konzentrationsschwankungen des Ca2+-freisetzenden Botenstoffes Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) beinflusst werden. Wir konnten zeigen, dass IP3-Oszillationen die Frequenzkodierung des äußeren Stimulus durch Ca2+-Ozillationen deutlich verstärken. Zwei Mechanismen für das Entstehen der IP3-Oszillationen wurden untersucht: es zeigte sich, dass die Aktivierung der Phospholipase C durch Ca2+ der wahrscheinlichste Mechanismus ist. Um die Rolle der IP3-Oszillationen genauer zu verstehen, wurde ein Modell für den Stoffwechsel des IP3-Vorläufers Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) entwickelt. Es zeigt sich, dass die scheinbar nutzlosen Phosphorylierungs/Dephosphorylierungszyklen eine wichtige Rolle für den PIP2-Haushalt spielen. Durch Nachliefern von PIP2 während der Stimulierung ermöglichen sie anhaltende Ca2+-signale. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem DNS-Reparaturweg, der Reparatur mittels Entfernung von Nukleotiden (NER). Dieser Reparaturmechanismus ist äußerst vielseitig und entfernt Pyrimidinpaare, die durch UV-Strahlung erzeugt wurden, oder Schäden, die durch chemische Agentien erzeugt wurden. Es wurde ein mathematisches Model erarbeitet, das die Grundeigenschaften der NER beschreiben soll. Erstens wurde untersucht, wie die Bindungs- und Freisetzungskinetik der Reparaturfaktoren mit den strukturellen Eigenschaften des Systems, beispielsweise der Bindungsreihenfolge, zusammenhängt. Zweitens wurden anhand von in vivo gemessenen Rekrutierungskinetiken dreier Proteinfaktoren die Modellparameter bestimmt. Das so angepasste Modell sagt unter anderem eine Sättigung der NER durch den Verbrauch des Erkennungsfaktors vorher. Die theoretischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass ein sequentieller Anlagerungsmechanismus im Hinblick auf Effizienz und auf Spezifität gegenüber den beschädigten Substrat große Vorteile bringen kann. / The first part of this thesis focuses on the mechanisms of hormone induced Ca2+ oscillations and how these depend on fluctuations in the concentration of the Ca2+-releasing messenger, inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3). We were able to show that IP3 oscillations greatly enhances the ability to frequency encode the hormone stimulus by Ca2+ oscillations. Two mechanisms for the generation of IP3-oscillations have been investigated, we could show that Ca2+-activation of phospholipase C is the most probable mechanism. To better understand the role of IP3-oscillations a detailed model for the phosphoinositide pathway has been developed. The model illustrates the importance of futile (de)phosphorylation cycles for regenerating phosphatidylinositol-4,5-bisphophat during stimulation, an essential property to support long-lasting Ca2+ signals. The second part of the thesis is devoted to nucleotide excision repair (NER). It is a versatile DNA repair mechanism that can remove lesions such as UV light induced pyrimidine dimers and bulky adducts caused by chemical agents. To understand the mechanisms underlying the protein assembly during NER and the performance of repair, a mathematical model, delineating hallmarks and general characteristics of NER, has been developed. First, the binding and dissociation kinetics of repair factors are related to the structural properties of the system, such as the sequential order in which the factors enter repair. Second, using in vivo kinetic data for the recruitment of three different proteins at local damaged nuclei, the model parameters are determined and the dynamic behavior of the repair process is scrutinized in detail. The observed saturation of NER is predicted to rely on the high engagement of the recognition factor in repair. The theoretical analysis of repair performance indicates that a sequential assembly process is remarkably advantageous in terms of repair efficiency and can show a marked selectivity for the damaged substrate.

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Gewässer sind Lebensgrundlage, jedoch gleichzeitig Schadstoffsenken für eine Vielzahl von Kontaminanten. Biologische Wirkungstests und das Biomonitoring aquatischer Proben sind daher besonders wichtig, um Umwelt-Gefahrenpotenziale erkennen zu können. Der "Comet Assay" (Einzelzell-Gelelektrophorese) ist ein Indikator von DNA-Strangbrüchen und wurde hier als Test auf gentoxische Wirkungen erprobt und angewandt. Mit bekannten, gentoxischen Substanzen wurden Nachweisgrenzen und Dosis-Wirkungs-Beziehungen für die Zelllinien RTG-2 und RTL-W1 (aus der Regenbogenforelle, Oncorhynchus mykiss) in vitro ermittelt und methodische Parameter an die Zellen angepasst. Der Test reagierte sehr sensitiv auf 4-Nitrochinolin-1-oxid. Die Substanz war daher geeignet, um in weiteren Versuchen als Positivkontrolle zu dienen. Zur Bewertung der Messdaten wurde ein geeignetes statistisches Verfahren gefunden, das auch historische Kontrollen mit einbezog. Der zeitliche Verlauf der DNA-Schädigung des Testsystems mit RTG-2-Zellen wurde ermittelt, und durch Inhibition der DNA-Reparatur mit Aphidicolin wurden Zusammenhänge zwischen der Entstehung von DNA-Strangbrüchen, der DNA-Reparaturkapazität sowie der Metabolisierungskapazität untersucht. In einer zweiten Phase wurden unbehandelte Wasserproben aus Rhein, Elbe sowie weitere Oberflächenwasserproben mit dem Comet Assay an RTG-2-Zellen getestet. Bei 15 von 49 Proben zeigten sich gentoxische Effekte. In einer dritten Phase wurden Erythrozyten von freilebenden Döbeln, Leuciscus cephalus, aus der Mosel mit dem Comet Assay untersucht. Die Fische von drei Messstellen zeigten erhöhte Werte von DNA-Schädigungen, gegenüber einer vierten, stromabwärts gelegenen Messstation. Korrelationen mit den Ergebnissen zusätzlicher Biomarker ergaben sich nur teilweise. Chemische Analysen von Wasser- oder Gewebeproben ließen keine Rückschlüsse auf verursachende Kontaminanten zu - gerade dies unterstreicht jedoch die Wichtigkeit biologischer Tests bei komplexen Proben. / Bodies of Water are both vital resources and pollutant sinks for a multitude of contaminants. Therefore, biological effect tests and biomonitoring of aquatic samples are of particular importance to detect potential environmental hazards. The "comet assay" (single cell gel electrophoresis) is an indicator for DNA strand breaks and was explored and applied as a genotoxicity test in the present study. Known genotoxic substances were used to determine the detection limits and dose-response relationships for the cell lines RTG-2 and RTL-W1 (from rainbow trout, Oncorhynchus mykiss) in vitro, and to adapt methodological parameters to the cells. The test was very sensitive to 4-Nitroquinoline-1-oxide. This substance was therefore well-suited to serve as positive control in further experiments. In order to evaluate the measurement data, an appropriate statistical procedure was developed, which also took "historical" controls into account. The time course of DNA damage in the test system using RTG-2 cells was determined, and relationships between the origin of DNA strand breaks, DNA repair capacity and the metabolizing capacity of the cells was investigated by means of inhibition of DNA repair with Aphidicoline. In the second stage, native water samples from the rivers Rhine and Elbe and further surface waters were tested with the comet assay, using RTG-2 cells. 15 out of 49 samples showed genotoxic effects. In a third stage, erythrocytes of feral chub, Leuciscus cephalus, from the Moselle river were examined with the comet assay. The fish from three measuring stations showed elevated values of DNA damage compared to fish sampled from a downstream station. There were only partly correlations with the results from additional biomarkers. Chemical analyses of water and tissue samples did not permit conclusions on effect-causing substances.However, this emphasizes the importance of biological tests in dealing with complex environmental samples.