Jede Zelle des Säugetierorganismus benötigt Eisen als Spurenelement für zahlreiche oxidativ-reduktive Elektronentransfer-Reaktionen und für Transport und Speicherung von Sauerstoff. Der Organismus unterhält daher ein komplexes Regulationsnetzwerk für die Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Eisen. Die intrazelluläre Regulation in den verschiedenen Zelltypen des Körpers ist mit einer globalen hormonellen Signalstruktur verzahnt. Sowohl Eisenmangel wie Eisenüberschuss sind häufige und ernste menschliche Krankheitsbilder. Sie betreffen jede Zelle, aber auch den Organismus als Ganzes. In dieser Dissertation wird ein mathematisches Modell des Eisenstoffwechsels der erwachsenen Maus vorgestellt. In ihm wird die Flussbilanz des Eisens in den wichtigsten Zelltypen in Form von transmembranalen und intrazellulären kinetischen Gleichungen dargestellt, und es werden diese Zellmodelle mit dem zentralen Eisenaustausch-Kompartiment (Blutplasma) des Körpers integriert. Der Eisenstatus wird charakterisiert als Gehalt an labil gebundenen Eisen und an ferritin-gebundenen Eisen für jede Zelle. Der Stoffwechsel wird als Netzwerk von Flussdynamik formuliert. Der experimentelle Input in dieses Modells stammt von verschiedenen Quellen. Radioaktive Tracerdaten, gemessen am intakten Tier (Mausstamm C57BL6 – das am intensivsten studierte Tiermodell) unter varrierten physiologischen Bedingungen lieferten den experimentellen Hintergrund, von dem aus Clearance-Parameter durch numerisches Fitting ermittelt wurden. Es wird gezeigt, dass das Modell mit entsprechend adaptierten Parametersätzen die wichtigsten metabolischen und regulatorischen Ereignisse in Übereinstimmung mit den Messungen darstellen kann. In Zukunft soll die quantitative Übereinstimmung mit Daten aus weiteren genetischen Rekonstruktionen (globale und zell-spezifische knock-outs und konstitutive Expression relevanter Gene des Modellorganismus Maus) hergestellt werden. / Every cell of the mammalian organism needs iron as trace element in numerous oxido-reductive processes as well as for transport and storage of oxygen. The mammalian organism maintains therefore a complex regulatory network of iron uptake, excretion and intra-body distribution. Here a mathematical model of iron metabolism of the adult mouse is presented. It formulates the iron flux balance of the most important cell types of the organism in the form of transmembraneous and intracellular kinetic equations and integrates these cell models with the central exchange compartment (blood plasma) of the body. The iron status is represented as content of labile iron and of ferritin-bound iron in every cell type, and the metabolism is formulated as a network of flux dynamics. The experimental input into the model stems from different sources. Radioactive tracer data measured in the intact animal (mouse strain C57BL6 - the most intensively studied animal model) under various physiological conditions provided the experimental background from which clearance parameters could be obtained by numerical parameter fitting. Future research should render more precise the quantitative representation of genetic reconstructions (global and cell-type-addressed knock-out and constitutive expression of relevant genes of the model mouse strain).

In dieser Arbeit untersuchen wir die elektrostatische Komplexierung zwischen Proteinen und anionischen, linearen bzw. dendritischen Polyelektrolyten mittels Molekulardynamik Simulationen in implizitem Lösungsmittel und mit expliziten Salzen. Die Proteine und Polyelektrolyte werden mit vergröberten Details simuliert. Jedes vergröberte Segment repräsentiert eine Aminosäure oder eine sich wiederholende chemische Untereinheit des Polyelektrolyten. Die Vergöberung ermöglicht Simulationen von großen Proteinen wie Humanalbumin oder dendritischen Polyelektrolyten, ohne dabei die essentiellen elektrostatischen Eigenschaften der Moleküle zu vernachlässigen. Wir validieren unsere Simulationen durch Kalorimetrieexperimente. Zur Interpretation der resultierenden Bindungs-freien Energien schlagen wir Theorien vor, die auf Gegenionen-Kondensation und Ladungs-Renormalisierung basieren. Die Arbeit zeigt die äußerst wichtige Bedeutung der kondensierten Gegenionen auf, die in allen untersuchten Systemen an der elektrostatischen Komplexierung teilhaben. Sowohl bei linearen als auch dendritischen Polyelektrolyten bewirken die kondensierten Gegenionen Ladungsrenormalisierung, die die elektrostatischen Wechselwirkungen in den Systemen abschwächt. Die Bindung wird durch die Freisetzung von Gegenionen bewirkt, was mit einem massiven Anstieg der Entropie einhergeht. Aufgrund der multivalenten Bindung können unsere Ergebnisse nicht mithilfe des konventionellen Langmuir-Adsorptionsisothermen interpretiert werden. Daher schlagen wir eine neuartige Interpretation der Langmuir-Adsorptionsisothermen vor, die einen sinnvollen Vergleich zwischen Simulationen und Experimenten ermöglicht. / In this thesis, we conducted a comprehensive study of the electrostatic complexation between proteins and anionic linear/dendritic polyelectrolytes, by means of molecular dynamics simulations with implicit solvent and explicit salt. The proteins and polyelectrolytes are both represented in a coarse-grained fashion. Each coarse-gained segment represents either an amino acid residue or the repeating chemical subunit of the polyelectrolyte. This modeling strategy allows for simulations of big proteins such as human serum albumin and dendritic polyelectrolytes of large generations, while the crucial molecular electrostatic properties are still well retained. Our simulations are validated further by calorimetry experiments. Finally, we propose theories based on counterion condensation and charge renormalization for interpreting the system binding free energies. Regarding all systems investigated here, the thesis demonstrates the crucial and ubiquitous role of condensed counterions which participates in the electrostatic complexation. For both linear and dendritic polyelectrolytes, we find a strong charge renormalization induced by the condensed counterions, which consequently suppresses electrostatic interactions to an appreciable extent. The resultant binding is governed by the release of those condensed counterions, resulting in a massive entropy gain. Due to the presence of the multivalent binding, we propose a new interpretation of the conventional Langmuir adsorption isotherm, which ensures a meaningful comparison between simulations and experiments.