Gegenstand der Arbeit ist die Ermittlung der energetischen und entropischen Beiträge zur Triebkraft bzw. von Informationen über die Kinetik von Wirt-Gast Reaktionen. Zur Charakterisierung der Wechselwirkungen wurde angestrebt, möglichst komplette Datensätze bestehend aus:deltaH, deltaG, deltaS und K zu ermitteln. Als experimentelle Methode kommt vor allem die isotherme Titrationskalorimetrie zum Einsatz. Auf verschiedenen Synthesekonzepten basierenden Wirte wurden hinsichtlich ihrer möglichen Wirt-Gast Wechselwirkungen thermodynamisch untersucht: potenzielle Koordinato-Clathratbildner, molekular geprägte Polymere und natürliche bzw. chemisch modifizierte Amylosen. Die Untersuchungen tragen zum besseren Verständnis von Wirt-Gast Wechselwirkung und Mechanismus der ausgewählten Systeme in Lösung bei. Es konnte festgestellt werden, dass sich die untersuchten Systemen hinsichtlich der Art und Weise der Wirt-Gast Wechselwirkungen stark unterscheiden.

Gegenstand der Arbeit ist die Ermittlung der energetischen und entropischen Beiträge zur Triebkraft bzw. von Informationen über die Kinetik von Wirt-Gast Reaktionen. Zur Charakterisierung der Wechselwirkungen wurde angestrebt, möglichst komplette Datensätze bestehend aus:deltaH, deltaG, deltaS und K zu ermitteln. Als experimentelle Methode kommt vor allem die isotherme Titrationskalorimetrie zum Einsatz. Auf verschiedenen Synthesekonzepten basierenden Wirte wurden hinsichtlich ihrer möglichen Wirt-Gast Wechselwirkungen thermodynamisch untersucht: potenzielle Koordinato-Clathratbildner, molekular geprägte Polymere und natürliche bzw. chemisch modifizierte Amylosen. Die Untersuchungen tragen zum besseren Verständnis von Wirt-Gast Wechselwirkung und Mechanismus der ausgewählten Systeme in Lösung bei. Es konnte festgestellt werden, dass sich die untersuchten Systemen hinsichtlich der Art und Weise der Wirt-Gast Wechselwirkungen stark unterscheiden.

Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die Ladungswechselwirkung zwischen Proteinen und Polyelektrolyten. Dabei wird die Bindung von Polyakrylsäure (PAA) als kurzes Modell-Polyelektrolyt an Humanalbumin (HSA) in einer umfassenden experimentellen und theoretischen Studie untersucht und sehr gute Übereinstimmung der Resultate konnte festgestellt werden. Die Computersimulationen in dieser Arbeit wurden von Xiao Xu im Rahmen seiner Promotion durchgeführt. Thermodynamische Daten wurden mit Hilfe von Isothermer Titrationskalorimetrie (ITC) gesammelt und strukturelle Untersuchungen wurden mit Hilfe von Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS) durchgeführt. Die Analyse von Bindungsaffinitäten zeigte eine eins zu eins Bindung von PAA mit HSA, die entropisch getrieben ist und strukturellen Untersuchungen weisen eine stabile Proteilstruktur unabhängig von der Adsorption durch PAA auf. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Wechselwirkung zweier uremischer Toxinen, nämlich Phenylessigsäure (PhAA) und Indoxylsulfat (IDS), mit HSA untersucht. Eine wichtige Schlussfolgerung aus der Analyse der ITC Daten ist, dass begünstigende, hydrophobe Wechselwirkungen die treibende Kraft für die Adsorption von Toxinen an HSA sind, und dass hierbei die Enthalpie-Entropie-Kompensation (EEC) zu tragen kommt. Weiterhin zeigen SANS Untersuchungen, dass die Proteinstruktur trotz Adsorption stabil bleibt und konnte außerdem über Interpartikulare Wechselwirkung von HSA-Toxin Komplexen aufklären. Im Allgemeinen ist HSA strukturell unverändert durch die Adsorption von Liganden. Diese Feststellung erlaubt die Interpretation von ITC Daten, da damit gemessene Wärmeprozesse ausschließlich von Bindungsprozessen herrühren. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass eine ausführliche thermodynamische Analyse durch Kombination von theoretischer mit experimenteller Arbeit, eine umfassende Einsicht in die Mechanismen von Bindungsprozessen ermöglicht. / The first part of the thesis explores the charge-charge interaction between proteins and polyelectrolytes. Polyacrylic acid (PAA) is used as a short model polyelectrolyte to interact with human serum albumin (HSA) the most abundand protein in blood, in a comprehensive experimental and theoretical study. The results thereby coincide very well. Computer simulation studies were performed by Xiao Xu within the framework of his PhD thesis. Thermodynamic data were collected by means of isothermal titration calorimetry (ITC) and structural analysis performed using small-angle neutron scattering (SANS). The analysis of binding free energies revealed one to one binding that is mainly driven by entropy. Structural investigations give proof of the stability of the protein beside adsorption. In the second part, the interaction of two uremic toxins, namely phenylacetic acid (PhAA) and indoxyl sulfate (IDS), with HSA is studied. Systematic ITC experiments reveal two binding sites for both of the two toxins and show small dependence of binding affinities on ionic strength in contrast to PAA adsorption to HSA. This leads to the key conclusion that the favorable hydrophobic interaction is the driving contribution for adsorption and enthalpy-entropy compensation (EEC) effect comes into play. SANS studies of high concentrated HSA-toxin solutions proofed the stability of the protein structure and shed light on the interparticle interaction of HSA-toxin complexes. In general, HSA is structurally robust regardless of ligand uptake. This finding allows the interpretation of ITC data by confirming that the measured heat signals are purely associated to the binding process. The present thesis has demonstrated that a full thermodynamic analysis in combination with theoretical modelling can provide a comprehensive understanding of binding in terms of identifying driving forces and their contributions to protein ligand interaction.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ionenbindung an Polymeren und Lipidmembranen in wässrigen Lösungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener anorganischer Salze und Polyelektrolyte auf die Struktur des Wassers mit Hilfe Isothermer Mikrotitrationskalorimetrie (ITC) erforscht. Die Verdünnungswärme der Salze wurde als Maß für die Fähigkeit der Ionen, die geordnete Struktur des Wassers zu stabilisieren oder zu zerstören, verwendet. Die Verdünnungswärmen konnten auf Hofmeister Effekte zurückgeführt werden. Im Anschluss daran wurde die Bindung von Ca2+ an Natrium- Poly(acrylsäure) (NaPAA) untersucht. Mit Hilfe von ITC und einer Ca2+- selektiven Elektrode wurde die Reaktionsenthalpie und Bindungsisotherme gemessen. Es wurde gezeigt, dass die Binding von Ca2+ - Ionen an NaPAA stark endotherm und daher entropiegetrieben ist. Anschließend wurde die Bindung von Ca2+ an die eindimensionale Polymerkette mit der an ein Lipidvesikel mit denselben funktioniellen Gruppen verglichen. Es wurde beobachtet, dass die Ionenbindung –wie auch im Fall des Polymers- endotherm ist. Ein Vergleich der Ca2+- Bindung an die Lipidmembran mit der an das Polymer konnte zeigen, dass das Ion schwächer an die Membran bindet. Im Zusammenhang mit diesen Experimenten wurde auch beobachtet, dass Ca2+ nicht nur an geladene, sondern auch an zwitterionische Lipidvesikel bindet. Schließlich wurde die Wechselwirkung zweier Salze, KCl and NaCl, mit einem neutralen Polymergel, PNIPAAM, und dem geladenen Polymer PAA untersucht. Mit Hilfe von Kalorimetrie und einer kaliumselektiven Elektrode wurde beobachtet, dass die Ionen mit beiden Polymeren wechselwirken, unabhängig davon, ob diese Ladungen tragen, oder nicht. / The goal of this work was to study the binding of ions to polymers and lipid bilayer membranes in aqueous solutions. In the first part of this work, the influence of various inorganic salts and polyelectrolytes on the structure of water was studied using Isothermal Titration Calorimetry (ITC). The heat of dilution of the salts was used as a scale of water structure making and breaking of the ions. The heats of dilution could be attributed to the Hofmeister Series. Following this, the binding of Ca2+ to poly(sodium acrylate) (NaPAA) was studied. ITC and a Ca2+ Ion Selective Electrode were used to measure the reaction enthalpy and binding isotherm. Binding of Ca2+ ions to PAA, was found to be highly endothermic and therefore solely driven by entropy. We then compared the binding of ions to the one-dimensional PAA polymer chain to the binding to lipid vesicles with the same functional groups. As for the polymer, Ca2+ binding was found to be endothermic. Binding of calcium to the lipid bilayer was found to be weaker than to the polymer. In the context of these experiments, it was shown that Ca2+ not only binds to charged but also to zwitterionic lipid vesicles. Finally, we studied the interaction of two salts, KCl and NaCl, to a neutral polymer gel, PNIPAAM, and to the ionic polymer PAA. Combining calorimetry and a potassium selective electrode we observed that the ions interact with both polymers, whether containing charges or not.