Die Subtypselektivität von Liganden für einzelne Rezeptoren, deren Aktivierung und die anschließende Signalweiterleitung sind bis heute weitestgehend ungeklärt. Die hier synthetisierten Liganden-Gruppen sollen helfen, die verschiedenen Prozesse am muskarinischen Rezeptor und seinen Subtypen zu verstehen. Die Einzelprojekte werden im Folgenden vorgestellt. 1) Um mittels FRET-Mikroskopie den Einfluss von allosteren Modulatoren, die sich von W84 bzw. Naphmethonium ableiten, in Bezug auf die Konformationsänderung aktivierter Rezeptoren untersuchen zu können, wurden die bekannten allosteren Bausteine sowie eine Reihe neuer Derivate synthetisiert. Alle untersuchten Substanzen zeigten einen hemmenden Effekt auf die mit dem Agonisten Iper-oxo vorstimulierten Rezeptoren. Das heißt, die Verbindungen ließen sich als negative allostere Modulatoren charakterisieren. 2) Da Iperoxo aufgrund seiner großen agonistischen Aktivität ein interessantes Werkzeug für die Grundlagenforschung darstellt, war es von großer Bedeutung, eine schnelle und reproduzierbare Synthese zu gewährleisten. Ausgehend von Propargylalkohol wurde in einer Mannich-Reaktion 4-Dimethylamino-but-2-en-1-ol gebildet, was mit dem zuvor hergestellten 3-Nitro-Δ2-isoxazolin zur Iperoxo-Base umgesetzt wurde. Neben einer deutlichen Ausbeutesteigerung ist nun die Reproduzierbarkeit im Gegensatz zu der von Dallanoce et al. publizierten Synthese gewährleistet. 3) Um den Einfluss der Kettenlänge der Hybride Iper-6-Phth und Iper-6-Naph auf die agonistische Aktivität und Subtypselektivität der Substanzen untersuchen zu können, wurde versucht, Hybride verschiedener Kettenlängen herzustellen. Dabei konnte Iper-4-Phth erhalten werden. 4) Weiterhin sollte der Einfluss der Alkylkette am Stickstoff-Atom auf die Wirksamkeit in Bezug auf Affinität und Zellantwort des Iperoxo-Moleküls ohne allosteren Modulator analysiert werden. Hierzu wurden die N-alkylierten Iperoxo-Derivate mit den Kettenlängen C2 bis C10 synthetisiert.. Mithilfe von Radioligand-Bindungsstudien und der dynamischen Massenumverteilung sollte die konformative Änderung des Rezeptors durch Aktivierung und die Signalweiterleitung untersucht werden. Durch Verlängerung der N-Alkylkette zeigte sich ein Wirksamkeitsverlust, d. h. die Dosis-Wirkungs-Kurven der prozentualen Zellantwort wurden im Vergleich zu denen des Iperoxos nach rechts verschoben. In Untersuchungen an der Rezeptor-Mutante CHO-hM2-Y1043.33A zeigte sich zudem, dass für den maximalen Effekt eine deutlich höhere Konzentration der Iperoxo-Derivate benötigt wird, wobei dieser Wirksamkeitsverlust im Vergleich zum Rezeptor-Wildtyp für Iperoxo selbst am stärksten ausgeprägt ist. Allerdings weisen Iperoxo und seine N-alkylierten Derivate an dieser Mutante eine höhere intrinsische Aktivität auf als die Kontrollverbindungen Oxotremorin M, C1-IP-C1 und Acetylcholin. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Iperoxo ebenso wie Oxotremorin, Acetylcholin, aber auch die kurzkettigen Iperoxo-Derivate neben dem Gi-Signalweg auch den Gs-Weg aktivieren können, wohingegen die langkettigen Derivate eine Gi-Signalwegs-Selektivität aufweisen. 5) In Analogie zu den N-alkylierten-Iperoxo-Derivaten sollten Untersuchungen mit den Antagonisten N-Alkyl-Atropin und -Scopolamin durchgeführt werden. In beiden Fällen zeigte das N-Methyl-Derivat eine höhere Affinität zum Rezeptor als der jeweilige Antagonist selbst, was auf die durch Alkylierung generierte positive Ladung zurückzuführen ist. Durch Verlängerung der Alkylketten ist jeweils eine Abnahme der Affinität zu beobachten. Die Affinität findet ebenfalls in beiden Fällen mit dem Butyl-Derivat ihr Minimum. Der anfängliche Affinitätsverlust lässt sich durch die zunehmende sterische Hinderung des Moleküls erklären, der spätere Anstieg bei einer Alkylkette länger als C4 deutet auf eine Wechselwirkung dieser langen Alkylkette mit einer weiteren (allosteren) Bindungsstelle hin. 6) Ausgehend von Iperoxo sollten dualstere Liganden entwickelt werden, die durch geeignete allostere Modulatoren selektiv nur einen Rezeptor-Subtyp adressieren und diesen durch Iperoxo aktivieren sollten. Als allostere Bausteine sollten die M4-selektiven Thienopyridine und die M1-selektiven Chinolone verwendet werden. 7) Zur Fluoreszenzmarkierung sollte Iperoxo-Base zudem mit dem Farbstoff Py-1 umgesetzt werden. / The subtype-selectivity of ligands for receptors and the corresponding subtypes, their activation and the subsequent signalling is still largely unknown. The synthesized groups of ligands, described here were designed to understand the various processes at the muscarinic receptor subtypes. The single projects will be discussed below. 1) In order to examine the influence of allosteric modulators derived from W84 and Naphmethonium on the conformation of an activated receptor by means of FRET-microscopy, the allosteric building blocks were synthesized. All substances showed an inhibitory effect on the receptors pre-treated with the agonist iperoxo. That is to say that they behave as negative allosteric modulators. 2) Due to its high potency iperoxo is an important tool for basic research. In the past the availability of this compound was limited because of the elaborate chromatography and low reproducibility of the existing synthesis developed by Dallanoce et al.109 Thus a new synthesis pathway was established. By means of a Mannich reaction and using 2-propyn-1-ol alcohol as a starting material the amino-butinol was obtained. Product was converted to iperoxo-base by the reaction with 3-nitro-Δ2-isoxazolin. Besides reducing the reaction time and increasing the overall yield - compared to the known synthesis of Dallanoce et al. - the reproducibility was now ensured. 3) To investigate the influence of the chain-length in the hybrid compounds iper-6-phth and iper-6-naph on the agonistic activity and the subtype-selectivity, efforts were made to develop derivatives with different N-alkyl-chains. The synthesis of iper-4-phth was successful. 4) Furthermore the influence of the N-alkyl-chain-length on the potency of iperoxo having no allosteric building block was to be examined. Therefore the iperoxo-base was N-alkylated with different bromoalkanes (ethyl-decyl). It was aimed to study the change of the conformation on receptor activation and signalling by means of radioligand binding studies und dynamic mass redistribution. The elongation of the N-alkyl-chain length resulted in a loss of potency compared to iperoxo. All iperoxo derivatives lose potency at the CHO-hM2-Y1043.33A-receptor-mutant compared to the receptor wildtype, which was especially pronounced with iperoxo itself. However, for this receptor-mutant iperoxo and its N-alkylated derivatives had a higher intrinsic activity than the control compounds oxotremorine-M, C1-IP-C1 and acetylcholine. Beyond this, it could be demonstrated that iperoxo, as well as oxotremorine M, acetylcholine and the short-chain derivatives have the ability to activate not only the Gi-, but also the GS-signal-pathway, whereas the long-chain derivatives show selectivity for the Gi-pathway. 5) In analogy to these agonistic derivatives the antagonists atropine and scopolamine were N-alkylated. In both cases radioligand binding studies revealed that the methyl derivatives had a higher affinity to the receptor than both antagonists themselves. This might be caused by the generated positively charged nitrogen atom. The extension of the chain length leads to a loss of affinity, which has a minimum at the butyl-derivatives in both antagonists. The initial loss of affinity is ascribed to the steric hindrance and the subsequent gain of affinity for derivatives with a longer chain length indicates an interaction of this alkyl-chain with a second (allosteric) binding-site. For the special arrangement in the binding pocket it is essential to know the exact configuration of the ligand. The synthesized N-alkylated antagonists were examined via NMR-spectroscopy. By using the NOE-effect, the position of the methyl-groups and the alkyl-chains, respectively, were revealed. Contrary to expectations all derivatives bear their methyl-group in axial position. 6) On the basis of iperoxo, dualsteric ligands should be developed which selectively address only one muscarinic subtype, using a suitable allosteric modulator and simultaneously activate the receptor via iperoxo. As allosteric building blocks the M4-selective thienopyridines and the M1-selective quinolones should be used. 7) Besides radioligand binding studies the introduction of fluorescence markers provides an alternative to investigate the affinity of GPCR ligands. For this reason iperoxo should be coupled with the fluorescence marker py-1.

Die Doppelfiltrationsapherese stellt eine Therapieform zur extrakorporalen Entfernung von atherogenen Lipoproteinen bei Patienten mit schweren Lipidstoffwechselstörungen und konsekutiven kardiovaskulären Erkrankungen dar. Das Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, optimale Behandlungsbedingungen für eine neuere synthetische Fraktionierungsmembran (FractioPESTM 200; 3M Deutschland GmbH, Neuss) für die Doppelfiltrations-Lipoproteinapherese im Rahmen eines In-vivo-Modells am Schaf zu definieren. In einer prospektiven und randomisierten "Crossover–Studie" an vier Schafen wurde hierzu die Permselektivität der Fraktionierungsmembran unter unterschiedlichen Plasmaflussraten (PF 30, 36 und 42 ml/min), umgekehrter Plasmaflussrichtung (Outside- In-Filtration) und erhöhter Plasmatemperatur untersucht. Nach definierten behandelten Plasmavolumina wurde dafür die In-vivo-Performance der Fraktionierungsmembran anhand von Reduktionsrationes und Siebkoeffizienten für die relevanten Moleküle LDL, HDL, Fibrinogen, Albumin und IgG gemessen. Entsprechend des Therapieziels war die Fraktionierungsmembran für LDL-Cholesterin während aller Behandlungseinstellungen nahezu undurchlässig, was sich an niedrigen SK und statistisch sich nicht unterscheidenden Reduktionsrationes (49,0 ± 8,9 (Outside-In) bis 60,6 ± 9,7 % (PF 36)) zeigte. Lediglich bei 600 ml behandeltem Plasmavolumen wurde unter PF 42 und Outside-In ein signifikant höherer LDL-SK (0,165 ± 0,022 bzw. 0,194 ± 0,068) im Vergleich zu PF 30 und 36 (p < 0,05) bestimmt. Eine gewünschte geringe Membrandurchlässigkeit fand sich ebenfalls für Fibrinogen, wobei signifikant höhere und damit ungünstigere SK für Outside-In nach 600 ml (0,229 ± 0,03 (p < 0,05)) gegenüber allen anderen Behandlungsmethoden und nach 900 ml (SK 0,369 ± 0,12 (p < 0,05)) im Vergleich zu PF 30 und PF 42 gemessen wurden. Bezüglich der unerwünscht entfernten Substanzen waren zwischen den Behandlungsmethoden keine Unterschiede bei HDL-Cholesterin und Albumin nachweisbar. Lediglich für IgG lag nach 900 ml ein höherer SK (1,047 ± 0,070 (p = 0,049)) bei PF 42 im Vergleich zu PF 30 (0,573 ± 0,321) vor.Grundsätzlich stiegen bei allen Behandlungsarten die SK für alle Substanzen mit zunehmendem Plasmavolumen teilweise signifikant an. Eine Ausnahme stellte der Outside-In-Modus dar, bei dem es nach 600 ml zu einem Abfall der SK kam. Bei PF 42 war die günstigste HDL/LDL-Ratio der Reduktionsrationes nachweisbar, d.h. die höchste Retention atherogenen LDL bei geringster Entfernung des vasoprotektiven HDL. Die Anwendung verschiedener Behandlungsbedingungen bei Verwendung der FractioPESTM 200-Membran führte nur zu geringen Unterschieden bei der Entfernung der Zielsubstanzen. Als günstigste Einstellung erwies sich die höchste Plasmaflussrate, PF 42 ml/min, in standardmäßiger Flussrichtung, während sich die Outside-In-Filtration nachteilig auswirkte. Der Grund dafür dürfte im asymmetrischen Wandaufbau der Fraktionierungsmembran mit den kleinsten Poren, d.h. der Separationsschicht, innen liegen, der zu Unterschieden beim Verstopfen („Clogging“) der Membranporen führt. Das Schafsmodell erwies sich erneut als zuverlässiges und auf die klinische Doppelfiltrations-Lipoproteinapherese übertragbares In-vivo-Experiment. / Double filtration apheresis is a form of therapy for the extracorporeal removal of atherogenic lipoproteins in patients with severe lipid metabolism disorders and consecutive cardiovascular diseases. The aim of this study was to define optimal treatment conditions for a newer synthetic fractionation membrane (FractioPESTM 200; 3M Germany GmbH, Neuss) for double filtration plasmapheresis within a setting of an in-vivo model on a sheep. In a prospective and randomized "crossover study" on four sheeps, the permselectivity of the fractionation membrane was investigated during different plasma flow rates (PF 30, 36 and 42 ml/min), reverse plasma flow direction (outside-in filtration) and increased plasma temperature. After defined treated plasma volumes, the in-vivo performance of the fractionation membrane was measured based on reduction rations and sieving coefficients for relevant molecules LDL, HDL, fibrinogen, albumin and IgG. Accordingly the therapy goal, the fractionation membrane was nearly impermeable to LDL-cholesterol during all treatment settings, evidenced by low SK and statistically indistinguishable reduction rations (49.0 ± 8.9 (outside-in) to 60.6 ± 9.7% (PF 36)). Only at 600 ml treated plasma a significantly higher LDL-SK (0.165 ± 0.022 and 0.194 ± 0.068) during PF 42 and outside-in compared to PF 30 and 36 (p < 0.05) was determined. A desired low membrane permeability was also found for fibrinogen, shown by the significantly higher and thus less favorable SK for outside-in after 600 ml (0.229 ± 0.03 (p < 0.05)) compared to all other treatment methods and after 900 ml (SK 0.369 ± 0.12 (p<0.05)) compared to PF 30 and PF 42. Regarding the undesirably removed substances, no differences in HDL-cholesterol and albumin could be detected between the treatment methods. Only for IgG there was a higher SK (1.047 ± 0.070 (p = 0.049)) at PF 42 compared to PF 30 (0.573 ± 0.321) after 900 ml. Basically, with all types of treatment, the SK for all substances increased, partially significant, with increasing plasma volume. The outside-in mode was an exception, in which there was a decrease in the SK after 600 ml. At PF 42, the most favorable HDL/LDL ratio of the reduction ration was detectable, i.e. the highest retention of atherogenic LDL with the lowest removal of the vasoprotective HDL. The application of different treatment conditions when using the FractioPESTM 200 membrane resulted in only minor differences in the removal of the target substances. The best setting proved to be the highest plasma flow rate, PF 42 mL/min, in the standard flow direction, while outside-in filtration had a disadvantageous effect. The reason for this may be the asymmetrical wall structure of the fractionation membrane and the small pores, i.e. a separation layer lying inside, which leads to differences in clogging of the membrane pores. The sheep model again proved to be a reliable in-vivo experiment transferable to clinical double filtration lipoprotein apheresis.

PRAT-C2 In elektrophysiologischen Untersuchungen heterolog exprimierter PRAT-C2 Proben wurde eine Kationen-selektive Kanalaktivität mit einer dreifachen Porenstöchiometrie beobachtet. Durch Variation der experimentellen Parameter und eine detaillierte Analyse der Ergebnisse konnten seitenspezifische Eigenschaften des Kanals aufgedeckt werden, die auf eine ungleiche Ladungsverteilung hindeuten. Auf der Grundlage von Strukturvorhersagen wurde ein Topologiemodell mit vier transmembranen alpha-Helices für PRAT-C2.2 aus Arabidopsis thaliana erstellt. Die zum Stroma und Intermembranraum exponierten Sequenzabschnitte weisen eine sehr unterschiedliche Verteilung geladener Aminosäuren auf. Das Schaltverhalten des Kanals wurde sowohl durch das Signalpeptid eines chloroplastidären als auch eines mitochondrialen Präproteins beeinflusst. Trotz einer Reaktion auf den spezifischen Antikörper gegen PRAT-C2.1 wurden Hinweise dafür erbracht, dass es sich bei der Kanalaktivität um eine porenbildende Kontamination aus dem bakteriellen Expressionssystem handelte. Tic110 Durch den Vergleich der Eigenschaften von Tic110, aufgereinigt aus Chloroplasten von Pisum sativum, und einer verkürzten, heterolog exprimierten Form konnte gezeigt werden, dass der porenbildende Sequenzabschnitt jenseits der ersten 96 Aminosäuren liegt. Die Kanalaktivität zeichnete sich durch ein charakteristisches Schaltverhalten aus, wobei die Schaltfrequenz durch eine Wechselwirkung mit Ca2 -Ionen beeinflusst wurde. Tic110 zeigte eine Präferenz gegenüber Kationen, die jedoch von der Konformation des Kanals abhängig war und in Anwesenheit zweiwertiger Kationen abnahm. Cu2 -Ionen führten ab Konzentrationen von 2 mM zu einem kompletten Stromblock. Ob dieser Effekt auf der Bildung einer Disulfidbrücke basiert und damit biochemische Ergebnisse bekräftigt werden, die eine Regulation durch das Thioredoxin-System im Chloroplasten vermuten lassen, konnte anhand der vorliegenden Ergebnisse nicht eindeutig geklärt werden.

The selective infrared (IR) excitation of molecular vibrations is a powerful tool to control the photoreactivity prior to electronic excitation in the ultraviolet / visible (UV/Vis) light regime ("vibrationally mediated chemistry"). For adsorbates on surfaces it has been theoretically predicted that IR preexcitation will lead to higher UV/Vis photodesorption yields and larger cross sections for other photoreactions. In a recent experiment, IR-mediated desorption of molecular hydrogen from a Si(111) surface on which atomic hydrogen and deuterium were co-adsorbed was achieved, following a vibrational mechanism as indicated by the isotope-selectivity. In the present work, selective vibrational IR excitation of adsorbate molecules, treated as multi-dimensional oscillators on dissipative surfaces, has been simulated within the framework of open-system density matrix theory. Not only potential-mediated, inter-mode coupling poses an obstacle to selective excitation but also the coupling of the adsorbate ("system") modes to the electronic and phononic degrees of freedom of the surface ("bath") does. Vibrational relaxation thereby takes place, depending on the availabilty of energetically fitting electron-hole (e/h) pairs and/or phonons (lattice vibrations) in the surface, on time-scales ranging from milliseconds to several hundreds of femtoseconds. On metal surfaces, where the relaxation process of the adsorbate via the e/h pair mechanism dominates, vibrational lifetimes are usually shorter than on insulator or semiconductor surfaces, in the range of picoseconds, being also the timescale of the IR pulses used here. Further inhibiting factors for selectivity can be the harmonicity of a mode and weak dipole activities ("dark modes") rendering vibrational excitation with moderate field intensities difficult. In addition to simple analytical pulses, optimal control theory (OCT) has been employed here to generate a suitable electric field to populate the target state/mode maximally. The complex OCT fields were analyzed by Husimi transformation, resolving the control field in time and energy. The adsorbate/surface systems investigated were CO/Cu(100), H/Si(100) and 2H/Ru(0001). These systems proved to be suitable models to study the above mentioned effects. Further, effects of temperature, pure dephasing (elastic scattering processes), pulse duration and dimensionality (up to four degrees of freedom) were studied. It was possible to selectively excite single vibrational modes, often even state-selective. Special processes like hot-band excitation, vibrationally mediated desorption and the excitation of "dark modes" were simulated. Finally, a novel OCT algorithm in density matrix representation has been developed which allows for time-dependent target operators and thus enables to control the excitation mechanism instead of only the final state. The algorithm is based on a combination of global (iterative) and local (non-iterative) OCT schemes, such that short, globally controlled time-intervals are coupled locally in time. Its numerical performance and accuracy were tested and verified and it was successfully applied to stabilize a two-state linear-combination and to enforce a successive "ladder climbing" in a rather harmonic system, where monochromatic, analytical pulses simultaneously excited several states, leading to a population loss in the target state. / Die selektive Anregung von Molekülschwingungen mittels Infrarotlicht (IR) ist vorteilhaft, um die Wirkungsquerschnitte nachfolgender photochemischer oder photophysikalischer Prozesse zu steigern, welche durch Elektronenanregung mittels ultraviolettem (UV) bzw. sichtbarem (Vis) Licht ausgelöst werden. Für Adsorbatmoleküle auf Oberflächen wurden theoretische Vorhersagen getroffen, dass eine kombinierte (IR plus UV)-Strategie ("schwingungsvermittelte Chemie") die Ausbeute bei Photodesorption und anderen Photoreaktionen deutlich zu erhöhen vermag. Kürzlich wurde im Experiment gezeigt, dass eine rein IR-vermittelte Desorption möglich ist, welche über einen schwingungsangeregten Mechanismus erfolgt. Hierbei wurde molekularer Wasserstoff von einer Si(111)-Oberfläche desorbiert, an der atomarer Wasserstoff und atomares Deuterium gebunden waren. Eine thermische Anregung, die zum Bindungsbruch führt, konnte hierbei wegen der Isotopenselektivität ausgeschlossen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die selektive IR-Schwingungsanregung von Adsorbaten, die als multidimensionale Oszillatoren auf dissipativen Oberflächen behandelt wurden, mit Hilfe der Dichtematrixtheorie für offene Systeme simuliert. Nicht nur die potentialvermittelte Kopplung zwischen den einzelnen Moden ist ein Hindernis für selektive Anregung, sondern auch die Kopplung der Moden des Adsorbats ("Systems") an elektronische und phononische Freiheitsgrade des Substrats ("Bades"). Die Schwingungsrelaxation verläuft hierbei auf Zeitskalen, die von Millisekunden bis hin zu wenigen hundert Femtosekunden reichen, je nach Verfügbarkeit energetisch geeigneter Elektron-Loch-Paar-Anregungen bzw. Phononen (Gitterschwingungen) in der Oberfläche. Auf Metalloberflächen, bei denen die Schwingungrelaxation des Adsorbats zumeist von einem Elektronen-Loch-Paar-Mechanismus dominiert wird, sind die Schwingungslebensdauern normalerweise kürzer als auf Isolator- oder Halbleiteroberflächen und betragen einige Picosekunden, ebenso wie die Zeitskala der hier gewählten IR-Pulse. Weitere Faktoren, die die selektive Anregung behindern können sind die Harmonizität einer Mode und die geringe Dipolaktivität sogenannter "dunkler Moden", die eine Anregung mit moderat intensiven Feldern erschweren. Zusätzlich zu einfachen analytischen Pulsen wurden Felder mittels Optimaler Kontrolltheorie (OCT) erzeugt, um eine(n) Zielzustand/-mode maximal zu populieren. Komplexe OCT Pulse wurden mit Hilfe der Husimi-Transformation analysiert, welche das Kontrollfeld im Zeit- und Energieraum aufzulösen vermag. Die in dieser Arbeit untersuchten Adsorbat/Oberflächen-Systeme waren CO/Cu(100), H/Si(100) und 2H/Ru(0001), die sich als passende Modelle erwiesen, um oben genannte Faktoren zu untersuchen. Desweiteren wurden die Auswirkungen von Temperatur, reiner Dephasierung (elastische Streuprozesse), Dauer des IR-Pulses und Systemdimensionalit"at (Behandlung von bis zu vier Freiheitsgraden) studiert. Einzelne Schwingungsmoden konnten angeregt werden, in vielen Fällen sogar zustandsselektiv. Spezielle Prozesse wie die Anregung "heißer Banden", Desorption via alleiniger Schwingungsanregung und die Anregung "dunkler Moden" wurden simuliert. Schließlich wurde ein neuer OCT-Algorithmus in Dichtematrixdarstellung entwickelt, der es erlaubt, zeitabhängige Zieloperatoren einzuführen, um nicht nur Kontrolle über den Endzustand einer Anregung, sondern auch über den Anregungsmechanismus zu erlangen. Der Algorithmus basiert auf einer Kombination von globaler (iterativer) und lokaler (nicht-iterativer) optimaler Kontrollschemata in der Art, dass kurze, global kontrollierte Intervalle zeitlich lokal miteinander gekoppelt werden. Nach numerischen Tests wurde der Algorithmus erfolgreich angewandt, um eine Linearkombination aus zwei Zuständen zu stabilisieren, sowie um eine schrittweise "Leiteranregung" in einem harmonischen System zu forcieren, bei dem monochromatische, analytische Pulse mehrere Zustände zugleich anregen und somit einen Populationsverlust im angestrebten Zielzustand zur Folge haben.

Die Eigenschaften einzelner Nervenzellen sind von grundlegender Bedeutung für die Verarbeitung von Informationen im Nervensystem. Neuronen antworten auf Eingangsreize durch Veränderung der elektrischen Spannung über die Zellmembran. Die Spannungsantwort wird dabei durch die Dynamik der Ionenkanäle in der Zellmembran bestimmt. In dieser Arbeit untersuche ich anhand von leitfähigkeits-basierten Modellneuronen den Einfluss von Ionenkanälen auf zwei Aspekte der Signalverarbeitung: die Frequenz-Selektivität sowie die Zuverlässigkeit und zeitliche Präzision von Aktionspotentialen. Zunächst werden die zell-intrinsischen Mechanismen identifiziert, welche the Frequenz-Selektivität und die Zuverlässigkeit bestimmen. Weiterhin wird untersucht, wie Ionenkanäle diese Mechanismen modulieren können, um die Integration von Signalen zu optimieren. Im ersten Teil der Arbeit wird demonstriert, dass der Mechanismus der unterschwelligen Resonanz, so wie er bisher für periodische Signale beobachtet wurde, auch auf nicht-periodische Signale anwendbar ist und sich ebenfalls in den Feuerraten niederschlägt. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit von Aktionspotentialen mit der Stimulusfrequenz variieren und dass, in Abhängigkeit davon, ob das Stimulusmittel über- oder unterhalb der Feuerschwelle liegt, zwei Stimulusregime unterschieden werden müssen. In beiden Regimen existiert eine bevorzugte Stimulusfrequenz, welche durch die Gesamtleitfähigkeit und die Dynamik spezifischer Ionenkanäle moduliert werden kann. Im dritten Teil wird belegt, dass Ionenkanäle die Zuverlässigkeit auch direkt über eine Veränderung der Sensitivität einer Zelle gegenüber neuronalem Rauschen bestimmen können. Die Ergebnisse der Arbeit lassen auf eine wichtige Rolle der dynamischen Regulierung der Ionenkanäle für die Frequenz-Selektivität und die zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit der Spannungsantworten schließen. / The properties of individual neurons are of fundamental importance for the processing of information in the nervous system. The generation of voltage responses to input signals, in particular, depends on the properties of ion channels in the cell membrane. Within this thesis, I employ conductance-based model neurons to investigate the effect of ionic conductances and their dynamics on two aspects of signal processing: frequency-selectivity and temporal precision and reliability of spikes. First, the cell-intrinsic mechanisms that determine frequency selectivity and spike timing reliability are identified on the basis of conductance-based model neurons. Second, it is analyzed how ionic conductances can serve to modulate these mechanisms in order to optimize signal integration. In the first part, the frequency selectivity of subthreshold response amplitudes previously observed for periodic stimuli is proven to extend to nonperiodic stimuli and to translate into firing rates. In the second part, it is demonstrated that spike timing reliability is frequency-selective and that two different stimulus regimes have to be distinguished, depending on whether the stimulus mean is below or above threshold. In both cases, resonance effects determine the most reliable stimulus frequency. It is shown that this frequency preference can be modulated by the peak conductance and dynamics of specific ion channels. In the third part, evidence is provided that ionic conductances determine spike timing reliability beyond changes in the preferred frequency. It is demonstrated that ionic conductances also exert a direct influence on the sensitivity of the timing of spikes to neuronal noise. The findings suggest an important role for dynamic neuromodulation of ion channels with regard to frequency selectivity and spike timing reliability.

A good ecological status of streams and rivers is crucial for maintaining ecological functionality of running waters. Worldwide eutrophication threatens to change structure and function of freshwater ecosystems (Dodds et al., 2008). To reduce the symptoms of eutrophication in streams and rivers an additional approach, besides the reduction of external nutrient inputs from catchment areas, is needed. Therefore the goal has been set to transfer the approach of biomanipulation, which is widely accepted as tool in water quality management in lakes and reservoirs, to streams. The objective of this study was accordingly to analyse and evaluate some crucial preconditions for top-down control of stream food webs. For that purpose the present thesis examined effects of fish predation (stone loach and gudgeon) on grazer-periphyton interaction in small streams by assessing predator avoidance by benthic grazers, effects of benthic grazers on periphyton community composition during fish presence/absence and the possibility of top-down control on algal biomass by benthivorous fish.

Herstellung anwendungsbezogener SiO2- Grabenstrukturen im sub-μm-Bereich durch RIE und ICP-Prozesse.

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Herstellung anwendungsbezogener SiO2- Grabenstrukturen im sub-μm-Bereich durch RIE und ICP-Prozesse.

A good ecological status of streams and rivers is crucial for maintaining ecological functionality of running waters. Worldwide eutrophication threatens to change structure and function of freshwater ecosystems (Dodds et al., 2008). To reduce the symptoms of eutrophication in streams and rivers an additional approach, besides the reduction of external nutrient inputs from catchment areas, is needed. Therefore the goal has been set to transfer the approach of biomanipulation, which is widely accepted as tool in water quality management in lakes and reservoirs, to streams. The objective of this study was accordingly to analyse and evaluate some crucial preconditions for top-down control of stream food webs. For that purpose the present thesis examined effects of fish predation (stone loach and gudgeon) on grazer-periphyton interaction in small streams by assessing predator avoidance by benthic grazers, effects of benthic grazers on periphyton community composition during fish presence/absence and the possibility of top-down control on algal biomass by benthivorous fish.