Characterization of cellulose by its molecular weight distribution is afforded after polymeranalogeous dissolution. Additionally, a molecular dispersion of the polymer is a prerequisite. Common processes are dissolution of cellulose in dimethylacetamide-lithiumchloride, nitration and carbanilation. Degradation of the polysaccharide chains can occur in each of the mentioned processes. It is shown that degradation in pyridine occurs via beta-elimination at carbonyl groups along the cellulose chains. Carbanilierung in DMSO is much more pronounced. It comprises oxidation along the Pfitzner-Moffatt-mechanism and subsequent beta-elimination at the thus formed carbonyl-groups. This was elucidated with model systems and by investigation of the carbanilation in different media. Carbonyl groups of cellulose are masked through reaction with phenylisocyanate. This was shown with model. Therefore, the determination of carbonyl groups in cellulose-tricarbanilates is not possible. The separation of low-molecular weight byproducts was optimised. The influence of pretreatment and preactivation of cellulose-samples on the completeness of the conversion was studied. A standard protocol for the carbanilation of cellulose is provided. / Cellulose wird u.a. durch ihre Molmassenverteilung charakterisiert, deren Ermittlung ein polymeranaloges Verfahren zur molekulardispersen Auflösung des Polymers erfordert. Hierfür sind die Direktlösung, die Nitrierung und die Carbanilierung in Gebrauch. Bei allen Prozessen kann es zum Abbau der Polysaccharidketten kommen, wobei diesen Prozessen wenig Beachtung geschenkt wurde. In der Arbeit wird gezeigt, daß der Abbau bei der Carbanilierung in Pyridin durch Beta-Eliminierung an vorhandenen Carbonylgruppen erfolgt. Die Carbanilierung in DMSO fällt stets stärker aus als bei Einsatz von Pyridin und umfasst die Prozesse Oxidation nach dem Pfitzner-Moffatt-Mechanismus und anschließende Beta-Eliminierung an den neu gebildeten Carbonylgruppen. Dies wird durch Untersuchungen an Modellsystemen und am Polymer herausgearbeitet. Carbonylgruppen an Cellulose werden durch die Umsetzung mit Phenylisocyanat maskiert, was an Modellverbindungen gezeigt wurde (Bildung von Endioldicarbanilaten und carbanilierten Halbacetalen). Ihre Bestimmung in Cellulosecarbanilaten ist daher nicht möglich. Die Abtrennung von niedermolekularen Nebenprodukten der Umsetzung wurde optimiert. Der Einfluss der Vorbehandlung und Voraktivierung von Celluloseproben auf die Vollständigkeit der Umsetzung wurde eingehend untersucht. Es wird ein Standardverfahren zur Carbanilierung von Cellulose angegeben.

Many active processes in cells are driven by highly specialised motor proteins, which interact with the cytoskeleton: a network of filamentous structures, e.~g.~ actin filaments and microtubules, which organises intracellular transport and largely determines the cell shape. These motor proteins are able to transduce the chemical energy, stored in ATP molecules, to do mechanical work while interacting with a filament. Certain motor proteins, e.~g.~members of the KIN-13 kinesin subfamily, are able to interact specifically with filament ends and induce depolymerisation of the filament ends. One important role for KIN-13 family members is in the mitotic spindle, a microtubule structure that is formed in the process of cell division and is responsible for separation and distribution of the duplicated genetic material to the forming daughter cells. The aim of this work is to develop a theoretical framework capable of describing experimentally observed behaviour and shed light on underlying principles of motor induced filament depolymerisation. We use two different theoretical approaches to describe motor dynamics in this non- equilibrium situation: On the one hand we use phenomenological continuum equations which themselves are to a large extent independent of the underlying molecular details of the system. Molecular details of the system are incorporated in the equations through the specific values of macroscopic parameters which are determined by the underlying details. On the other hand, we use one- and two-dimensional discrete stochastic descriptions of motors on a filament. These kind of descriptions enable us to investigate the effects of different microscopic mechanisms of filament depolymerisation, and to investigate the role of fluctuations on the dynamic behaviour of motor proteins. We additionally discuss filament depolymerisation in the case where motors are not free to move but are fixed to a common anchoring point and depolymerise filaments under the influence of applied forces, mimicking the situation in the mitotic spindle. Our results can be related to recent experiments on members of the KIN-13 subfamily and predictions made in our theory can be tested by further experiments. Although motivated by experiments involving members of the KIN-13 subfamily, our theory is not restricted to these motors but applies in general to associated proteins which regulate dynamics of filament ends.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Dresden.

Characterization of cellulose by its molecular weight distribution is afforded after polymeranalogeous dissolution. Additionally, a molecular dispersion of the polymer is a prerequisite. Common processes are dissolution of cellulose in dimethylacetamide-lithiumchloride, nitration and carbanilation. Degradation of the polysaccharide chains can occur in each of the mentioned processes. It is shown that degradation in pyridine occurs via beta-elimination at carbonyl groups along the cellulose chains. Carbanilierung in DMSO is much more pronounced. It comprises oxidation along the Pfitzner-Moffatt-mechanism and subsequent beta-elimination at the thus formed carbonyl-groups. This was elucidated with model systems and by investigation of the carbanilation in different media. Carbonyl groups of cellulose are masked through reaction with phenylisocyanate. This was shown with model. Therefore, the determination of carbonyl groups in cellulose-tricarbanilates is not possible. The separation of low-molecular weight byproducts was optimised. The influence of pretreatment and preactivation of cellulose-samples on the completeness of the conversion was studied. A standard protocol for the carbanilation of cellulose is provided. / Cellulose wird u.a. durch ihre Molmassenverteilung charakterisiert, deren Ermittlung ein polymeranaloges Verfahren zur molekulardispersen Auflösung des Polymers erfordert. Hierfür sind die Direktlösung, die Nitrierung und die Carbanilierung in Gebrauch. Bei allen Prozessen kann es zum Abbau der Polysaccharidketten kommen, wobei diesen Prozessen wenig Beachtung geschenkt wurde. In der Arbeit wird gezeigt, daß der Abbau bei der Carbanilierung in Pyridin durch Beta-Eliminierung an vorhandenen Carbonylgruppen erfolgt. Die Carbanilierung in DMSO fällt stets stärker aus als bei Einsatz von Pyridin und umfasst die Prozesse Oxidation nach dem Pfitzner-Moffatt-Mechanismus und anschließende Beta-Eliminierung an den neu gebildeten Carbonylgruppen. Dies wird durch Untersuchungen an Modellsystemen und am Polymer herausgearbeitet. Carbonylgruppen an Cellulose werden durch die Umsetzung mit Phenylisocyanat maskiert, was an Modellverbindungen gezeigt wurde (Bildung von Endioldicarbanilaten und carbanilierten Halbacetalen). Ihre Bestimmung in Cellulosecarbanilaten ist daher nicht möglich. Die Abtrennung von niedermolekularen Nebenprodukten der Umsetzung wurde optimiert. Der Einfluss der Vorbehandlung und Voraktivierung von Celluloseproben auf die Vollständigkeit der Umsetzung wurde eingehend untersucht. Es wird ein Standardverfahren zur Carbanilierung von Cellulose angegeben.

Many active processes in cells are driven by highly specialised motor proteins, which interact with the cytoskeleton: a network of filamentous structures, e.~g.~ actin filaments and microtubules, which organises intracellular transport and largely determines the cell shape. These motor proteins are able to transduce the chemical energy, stored in ATP molecules, to do mechanical work while interacting with a filament. Certain motor proteins, e.~g.~members of the KIN-13 kinesin subfamily, are able to interact specifically with filament ends and induce depolymerisation of the filament ends. One important role for KIN-13 family members is in the mitotic spindle, a microtubule structure that is formed in the process of cell division and is responsible for separation and distribution of the duplicated genetic material to the forming daughter cells. The aim of this work is to develop a theoretical framework capable of describing experimentally observed behaviour and shed light on underlying principles of motor induced filament depolymerisation. We use two different theoretical approaches to describe motor dynamics in this non- equilibrium situation: On the one hand we use phenomenological continuum equations which themselves are to a large extent independent of the underlying molecular details of the system. Molecular details of the system are incorporated in the equations through the specific values of macroscopic parameters which are determined by the underlying details. On the other hand, we use one- and two-dimensional discrete stochastic descriptions of motors on a filament. These kind of descriptions enable us to investigate the effects of different microscopic mechanisms of filament depolymerisation, and to investigate the role of fluctuations on the dynamic behaviour of motor proteins. We additionally discuss filament depolymerisation in the case where motors are not free to move but are fixed to a common anchoring point and depolymerise filaments under the influence of applied forces, mimicking the situation in the mitotic spindle. Our results can be related to recent experiments on members of the KIN-13 subfamily and predictions made in our theory can be tested by further experiments. Although motivated by experiments involving members of the KIN-13 subfamily, our theory is not restricted to these motors but applies in general to associated proteins which regulate dynamics of filament ends.

Die selbständige, gerichtete Bewegung von biologischen Zellen ist eine der grundlegendsten und komplexesten Erscheinungen der Natur. In höher entwickelten Lebewesen spielt die Zellbewegung eine wichtige Rolle, z.B. bei der Entwicklung des Organismus, bei der Funktion des Immunsystems aber auch bei der Metastase von Krebszellen. Die physikalischen Prozesse die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, sind im Fokus dieser Arbeit. Um besser zu verstehen welche Prozesse im Einzelnen und in welcher Kombination den Zellen erlauben sich gerichtet fortzubewegen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein representatives Modellsystem von motilen Zellen untersucht. Fischkeratozyten bewegen sich in vitro regelmäßig und gleichförmig, relativ schnell über die Substratfläche, und stellen aus physikalischer Sicht eine optimierte, sich selbständig bewegende Polymermaschine dar. Um Kräfte in der Bewegungsebene der Zellen zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neuartige, auf dem Rasterkraftmikroskop (RKM) basierende Methode entwickelt. Zusätzlich wurden hochaufgelöste, mit dem Phasenkontrastmikroskop aufgenommene Bilderserien analysiert und die Geschwindigkeitsverteilung in der Zelle durch Korrelationsalgorithmen bestimmt. Die Struktur des Polymernetzwerkes wurde in mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Zellen untersucht, und elastische Eigenschaften wurden mit rheologischen RKM-Messungen bestimmt. Traktionskraftmessungen an elastischen Substraten runden das umfassende Bild ab. Durch Veränderung der molekularen Strukturen mit verschiedenen Chemikalien, die unterschiedliche Prozesse im Gesamtsystem stören, konnte nun ein Phasenraum der Kraftgenerierungsprozesse untersucht und unterschiedliche Effekte verschiedenen Prozessen eindeutig zugeordnet werden. Es wurde somit erstmalig experimentell bewiesen, dass die Polymerisation von Aktin die treibende Kraft am vorderen Rand der Zelle ist. Darüber hinaus wurde das Verhalten des Kraftaufbaus mit einem Model beschrieben, das Aufschluss über die Funktionsweise der darunterliegenden Aktinpolymerstrukturens gibt. Desweiteren wurde in der Mitte der Zelle, zwischen vorderem Rand und Zellkörper, erstmalig eine rückwärtsgerichtete Kraft gemessen, die wichtig ist um ein Kräftegleichgewicht zu erstellen. Ein Model das auf entropischen Kräften im Polymersystem basiert, beschreibt diese kontraktilen Kräfte und ordnet sie der Depolymerisation von Aktin zu. Die Bewegung des Zellkörpers wiederum basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Mechanismen, sowie der Kontraktion von Aktin und Aktinbündeln durch molekulare Motoren. Eine umfassendes Charakterisierung über verschiedene lokale Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen konnte somit erstellt werden, und damit das Verständnis der Kraftgenerierung zur Zellbewegung vertieft.

L’utilisation de la biomasse végétale, que ce soit à des fins énergétiques, papetières ou valorisation dans le domaine des biomatériaux via des filières de biorafineries, nécessite la séparation des différents copolymères qui la composent par des méthodes physique et/ou chimique. Par exemple, les méthodes classiques utilisées pour extraire la cellulose mettent en jeu des réactions acido-basiques et provoquent des modifications de la structure des lignines à cause des réactions de recondensation, de déalkylation et de déshydratation. L’exploitation des lignines dans le domaine des matériaux est limitée par plusieurs facteurs notamment leur faible solubilité dans les solvants usuels, leur poids moléculaire élevé et leur faible nombre de phénols libres à l’origine de leur réactivité chimique. Ce projet s’inscrit dans un contexte de valorisation des lignines industrielles en tenant compte la structure chimique spécifique de chaque type de lignine Son objectif consiste à développer de nouvelles stratégies permettant la rupture des liaisons les plus labiles sur la chaine propyle des sous unités phénylpropanoïdes puis leur fonctionnalisation en optimisant la formation d’éthers d’énols ou en permettant leur rupture directe en évitant au maximum les réactions de recondensation en utilisant les liquides ioniques comme milieu réactionnel. Un focus particulier sera fait sur la fonctionnalisation possible des éthers d’énols conduisant à une dépolymérisation sélective des lignines papetières qui en contiennent un taux non négligeable. Selon les lignines industrielles, ces méthodes devraient permettre d’obtenir des oligomères de plus faible masse, d’augmenter également la fraction phénolique et d’améliorer la solubilité des lignines transformées ainsi que leurs propriétés antioxydantes. / The ability to use plant biomass in energy, paper industry or valorization in the field of biomaterials via biorefineries, requires the separation of the various copolymers by physical or chemical methods. For exemple, the classic methods used to extract the cellulose involve acido-basic reactions and cause modifications of the structure of lignins because of recondensation, dealkylation and dehydration reactions. The exploitation of lignins in the field of materials is limited by several factors as their low solubility in usual solvents, their high molecular weight and low number of free phenol fonctions. This project joins in a context of valuation of the industrial lignins by taking into account the specific chemical structure of every type of lignin. Its obvective consists in developing new strategies to cleave weak bonds on the propyl chain of phenylpropan units, then their fonctionnalization by optimizing the formation of enol ethers or their direct cleavage by avoiding the reactions of recondensation by using ionic liquids as reaction medium. A particular focus will be made on the possible fonctionnalization of enol ethers for a selective depolymerization of industrial lignins who contain a not insignificant rate. According to the structur of lignins, these methods should allow to obtain oligomers with low molecular weight, to increase also the phenolic fraction and improve the solubility of the transformed lignins as well as their antioxidant properties.

The first part of this thesis describes my research towards the valorisation of lignin. Due to environmental and political pressures, there has been a drive to start the transition from a fossil fuel based economy to a renewable based one. This will require the development of novel routes to renewable chemicals, one source of which may be the biopolymer lignin. Through the synthesis of advanced lignin model compounds, the chemistry of real lignin is explored. This work culminates in the development of a novel method for the depolymerisation of real lignin to simple mixtures of aromatic chemicals that could be useful building blocks for the chemical industry. One of the key steps in this process is the oxidation of the β-O-4 linkages in lignin using catalytic amounts of DDQ and molecular oxygen as the terminal oxidant. The second part of this thesis details the first synthesis of melohenine B and O-ethyl-14-epimelohenine B, two medium sized ring containing natural products. The key step in the synthesis of these natural products was the photo-sensitised oxidative cleavage of an indolic substrate by molecular oxygen. Additionally, the use of residual dipolar coupling (RDC) analysis for the conformational analysis of these molecules in solution has been explored. Finally, the absolute configurational assignment of the natural products was established and their biological activities investigated.

Actin is one of the most abundant and highly conserved proteins in eukaryotic cells. The globular protein assembles into long filaments, which form a variety of different networks within the cytoskeleton. The dynamic reorganization of these networks - which is pivotal for cell motility, cell adhesion, and cell division - is based on cycles of polymerization (assembly) and depolymerization (disassembly) of actin filaments. Actin binds ATP and within the filament, actin-bound ATP is hydrolyzed into ADP on a time scale of a few minutes. As ADP-actin dissociates faster from the filament ends than ATP-actin, the filament becomes less stable as it grows older. Recent single filament experiments, where abrupt dynamical changes during filament depolymerization have been observed, suggest the opposite behavior, however, namely that the actin filaments become increasingly stable with time. Several mechanisms for this stabilization have been proposed, ranging from structural transitions of the whole filament to surface attachment of the filament ends. The key issue of this thesis is to elucidate the unexpected interruptions of depolymerization by a combination of experimental and theoretical studies. In new depolymerization experiments on single filaments, we confirm that filaments cease to shrink in an abrupt manner and determine the time from the initiation of depolymerization until the occurrence of the first interruption. This duration differs from filament to filament and represents a stochastic variable. We consider various hypothetical mechanisms that may cause the observed interruptions. These mechanisms cannot be distinguished directly, but they give rise to distinct distributions of the time until the first interruption, which we compute by modeling the underlying stochastic processes. A comparison with the measured distribution reveals that the sudden truncation of the shrinkage process neither arises from blocking of the ends nor from a collective transition of the whole filament. Instead, we predict a local transition process occurring at random sites within the filament. The combination of additional experimental findings and our theoretical approach confirms the notion of a local transition mechanism and identifies the transition as the photo-induced formation of an actin dimer within the filaments. Unlabeled actin filaments do not exhibit pauses, which implies that, in vivo, older filaments become destabilized by ATP hydrolysis. This destabilization can be identified with an acceleration of the depolymerization prior to the interruption. In the final part of this thesis, we theoretically analyze this acceleration to infer the mechanism of ATP hydrolysis. We show that the rate of ATP hydrolysis is constant within the filament, corresponding to a random as opposed to a vectorial hydrolysis mechanism. / Aktin ist eines der am häufigsten vorkommenden und am stärksten konservierten Proteine in eukaryotischen Zellen. Dieses globuläre Protein bildet lange Filamente, die zu einer großen Vielfalt von Netzwerken innerhalb des Zellskeletts führen. Die dynamische Reorganisation dieser Netzwerke, die entscheidend für Zellbewegung, Zelladhäsion, und Zellteilung ist, basiert auf der Polymerisation (dem Aufbau) und der Depolymerisation (dem Abbau) von Aktinfilamenten. Aktin bindet ATP, welches innerhalb des Filaments auf einer Zeitskala von einigen Minuten in ADP hydrolysiert wird. Da ADP-Aktin schneller vom Filamentende dissoziiert als ATP-Aktin, sollte ein Filament mit der Zeit instabiler werden. Neuere Experimente, in denen abrupte dynamische Änderungen während der Filamentdepolymerisation beobachtet wurden, deuten jedoch auf ein gegenteiliges Verhalten hin: Die Aktinfilamente werden mit der Zeit zunehmend stabiler. Mehrere Mechanismen für diese Stabilisierung wurden bereits vorgeschlagen, von strukturellen Übergängen des gesamten Filaments bis zu Wechselwirkungen der Filamentenden mit dem experimentellen Aufbau. Das zentrale Thema der vorliegenden Dissertation ist die Aufklärung der unerwarteten Unterbrechungen der Depolymerisation. Dies geschieht durch eine Kombination von experimentellen und theoretischen Untersuchungen. Mit Hilfe neuer Depolymerisationexperimente mit einzelnen Filamenten bestätigen wir zunächst, dass die Filamente plötzlich aufhören zu schrumpfen und bestimmen die Zeit, die von der Einleitung der Depolymerisation bis zum Auftreten der ersten Unterbrechung vergeht. Diese Zeit unterscheidet sich von Filament zu Filament und stellt eine stochastische Größe dar. Wir untersuchen daraufhin verschiedene hypothetische Mechanismen, welche die beobachteten Unterbrechungen verursachen könnten. Die Mechanismen können experimentell nicht direkt unterschieden werden, haben jedoch verschiedene Verteilungen für die Zeit bis zur ersten Unterbrechung zur Folge. Wir berechnen die jeweiligen Verteilungen, indem wir die zugrundeliegenden stochastischen Prozesse modellieren. Ein Vergleich mit der gemessenen Verteilung zeigt, dass der plötzliche Abbruch des Depolymerisationsprozesses weder auf eine Blockade der Enden, noch auf einen kollektiven strukturellen Übergang des gesamten Filaments zurückzuführen ist. An Stelle dessen postulieren wir einen lokalen Übergangsprozess, der an zufälligen Stellen innerhalb des Filaments auftritt. Die Kombination von weiteren experimentellen Ergebnissen und unserem theoretischen Ansatz bestätigt die Vorstellung eines lokalen Übergangsmechanismus und identifiziert den Übergang als die photo-induzierte Bildung eines Aktindimers innerhalb des Filaments. Nicht fluoreszenzmarkierte Aktinfilamente zeigen keine Unterbrechungen, woraus folgt, dass ältere Filamente in vivo durch die ATP-Hydrolyse destabilisiert werden. Die Destabilisierung zeigt sich durch die Beschleunigung der Depolymerisation vor der Unterbrechung. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchen wir diese Beschleunigung mit theoretischen Methoden, um auf den Mechanismus der ATP-Hydrolyse zu schließen. Wir zeigen, dass die Hydrolyserate von ATP innerhalb des Filaments konstant ist, was dem sogenannten zufälligen Hydrolysemechanismus entspricht und im Gegensatz zum sogenannten vektoriellen Mechanismus steht.

Die selbständige, gerichtete Bewegung von biologischen Zellen ist eine der grundlegendsten und komplexesten Erscheinungen der Natur. In höher entwickelten Lebewesen spielt die Zellbewegung eine wichtige Rolle, z.B. bei der Entwicklung des Organismus, bei der Funktion des Immunsystems aber auch bei der Metastase von Krebszellen. Die physikalischen Prozesse die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, sind im Fokus dieser Arbeit. Um besser zu verstehen welche Prozesse im Einzelnen und in welcher Kombination den Zellen erlauben sich gerichtet fortzubewegen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein representatives Modellsystem von motilen Zellen untersucht. Fischkeratozyten bewegen sich in vitro regelmäßig und gleichförmig, relativ schnell über die Substratfläche, und stellen aus physikalischer Sicht eine optimierte, sich selbständig bewegende Polymermaschine dar. Um Kräfte in der Bewegungsebene der Zellen zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neuartige, auf dem Rasterkraftmikroskop (RKM) basierende Methode entwickelt. Zusätzlich wurden hochaufgelöste, mit dem Phasenkontrastmikroskop aufgenommene Bilderserien analysiert und die Geschwindigkeitsverteilung in der Zelle durch Korrelationsalgorithmen bestimmt. Die Struktur des Polymernetzwerkes wurde in mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Zellen untersucht, und elastische Eigenschaften wurden mit rheologischen RKM-Messungen bestimmt. Traktionskraftmessungen an elastischen Substraten runden das umfassende Bild ab. Durch Veränderung der molekularen Strukturen mit verschiedenen Chemikalien, die unterschiedliche Prozesse im Gesamtsystem stören, konnte nun ein Phasenraum der Kraftgenerierungsprozesse untersucht und unterschiedliche Effekte verschiedenen Prozessen eindeutig zugeordnet werden. Es wurde somit erstmalig experimentell bewiesen, dass die Polymerisation von Aktin die treibende Kraft am vorderen Rand der Zelle ist. Darüber hinaus wurde das Verhalten des Kraftaufbaus mit einem Model beschrieben, das Aufschluss über die Funktionsweise der darunterliegenden Aktinpolymerstrukturens gibt. Desweiteren wurde in der Mitte der Zelle, zwischen vorderem Rand und Zellkörper, erstmalig eine rückwärtsgerichtete Kraft gemessen, die wichtig ist um ein Kräftegleichgewicht zu erstellen. Ein Model das auf entropischen Kräften im Polymersystem basiert, beschreibt diese kontraktilen Kräfte und ordnet sie der Depolymerisation von Aktin zu. Die Bewegung des Zellkörpers wiederum basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Mechanismen, sowie der Kontraktion von Aktin und Aktinbündeln durch molekulare Motoren. Eine umfassendes Charakterisierung über verschiedene lokale Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen konnte somit erstellt werden, und damit das Verständnis der Kraftgenerierung zur Zellbewegung vertieft.