In dieser Arbeit wurde erstmals die Struktur, die Morphologie und die chemische Ordnung der (113)- und der (001)-Einkristalloberfläche der Legierung Au3Pd bestimmt. Dabei wurden folgende Untersuchungsmethoden eingesetzt: AES, ISS, I(E)-LEED (nur bei der (001)-Oberfläche), LEED, NICISS, RTM. Zusätzlich wurde geklärt, ob und wie sich die genannten Eigenschaften der Au3Pd(001) im Temperaturbereich von 300K bis 775K verändern. Neben dieser Beschreibung von Oberflächen, gab es eine weitere Fragestellung im Bereich der Methodik. Da erstmals in dieser Arbeitsgruppe ein Legierungskristall mit Ionenstreuung (NICISS) untersucht wurde, mußte die für einelementige Einkristalle entwickelte Aufnahme- und die Auswertungsmethode der Daten übertragen werden. Eine angemessene Berücksichtigung der zusätzlichen Eigenschaft (chemische Zusammensetzung) der Oberfläche war dazu erforderlich. Um die Ergebnisse aus der transformierten Aufnahme- und Auswertungstechnik zu überprüfen, wurde eine neue, speziell für Legierungen geeignete Datenaufnahme und -verarbeitung entwickelt. So wurde ein Teil der NICIS-Spektren durch einen Vergleich experimenteller Spektren mit berechneten Spektren ausgewertet. Anhand der reinen Au3Pd(001)-Oberfläche wurde ein gezielter Vergleich der Ergebnisse aus unterschiedlichen Meßdatenaufnahme- und dementsprechenden Datenverarbeitungsmethoden bei der Ionenstreuung durchgeführt. Au3Pd(113)-Oberfläche: Ein Ausheilen der Oberfläche durch Heizen mit anschließendem Abkühlen ergab eine starke Goldsegregation. Eine chemische Ordnung des Kristalls in den obersten Atomlagen dieser Oberfläche kann ausgeschlossen werden. Die Au3Pd(113)-Oberfläche hat eine (1x1)-Struktur als Gleichgewichtsstruktur (NICISS, LEED, RTM) mit einer Oberflächengitterkonstanten von 3,99Å. Der Abstand zwischen erster und zweiter Lage ist, relativ zum Volumenwert, um (14,9±5,8)% kontrahiert. Die Oberfläche wurde mit dem RTM atomar aufgelöst abgebildet. Es ist kein eindeutiger chemischer Kontrast mit dem RTM feststellbar. Die Terrassen sind unrekonstruiert, schmal und länglich. Die Periodizität in [121]-Richtung (quer zu den [110]-Ketten) ist gering (LEED). Es resultierten Oberflächen-Debye-Temperaturen (Atomschwingungen senkrecht zur Oberfläche) für Gold von (80±3)K und für Palladium von (99±3)K in der [110]-Richtung. Au3Pd(001)-Oberfläche: Eine Standardpräparation (Zerstäuben mit anschließendem Ausheilen bei T=775K) der Oberfläche ergab eine starke Goldsegregation (AES, ISS). Die oberste Lage besteht nur aus Goldatomen (NICISS, I(E)-LEED, RTM). Mit Präparationen, bei denen während des Zerstäubens geheizt (Temperatur Tz) wurde ohne nachfolgendes Ausheilen, konnte Palladium in der obersten Lage angereichert werden. Mit dem Rastertunnelmikroskop ließen sich die beiden Elemente unterschiedlich abbilden (chemischer Kontrast). Die Palladiumkonzentration in der obersten Atomlage nahm mit zunehmendem Tz zu (ISS, NICISS, RTM). Bei keiner Art von Präparation wurden Hinweise auf eine chemische Ordnung in den oberen Atomlagen der Au3Pd(001)-Oberfläche gefunden. Die Au3Pd(001)-Oberfläche zeigt nach den eben beschriebenen Präparationen immer eine (1x1)-Struktur (I(E)-LEED, NICISS, RTM), mit einer Oberflächengitterkonstanten von 3,99Å (NICISS). NICIS-Spektren belegen, daß sich diese Struktur in dem Temperaturbereich (T=300-775)K nicht verändert. Bei der ausgeheilten Oberfläche ist sowohl der Abstand zwischen erster und zweiter Lage als auch zwischen zweiter und dritter Lage um (0,9±1,0)% im Vergleich zum Volumenwert kontrahiert. Bei den warm zerstäubten Oberflächen dagegen ist der Abstand zwischen erster und zweiter Lage um (3,9±1,0)%, der zwischen zweiter und dritter Lage um (5,4±1,0)% kontrahiert. Die Oberflächen nach den drei Präparationen konnten mit dem Rastertunnelmikroskop atomar und chemisch aufgelöst abgebildet werden. Wie zu erwarten war, sind die Terrassen wesentlich größer als bei der (113)-Oberfläche und unrekonstruiert. Die Periodizität in der [110]- und der [100]-Richtung ist groß (LEED). Für die ausgeheilte Oberfläche ergibt sich eine Oberflächen-Debye-Temperatur (Atomschwingung senkrecht zur Oberfläche) für Gold von (136±6)K in [100]-Richtung. Für die warm zerstäubten Oberflächen erhöht sich die Debye-Temperatur lediglich im Rahmen der Fehlergrenzen.

In der vorliegenden Arbeit habe ich wichtige Teilmechanismen der Erregungs-Sekretionskopplung in der Speicheldrüse der Schabe Periplaneta americana (L.) untersucht. Die Speicheldrüse ist von dopaminergen und serotonergen Fasern innerviert (Baumann et al., 2002). Beide Transmitter stimulieren eine unterschiedliche Reaktion der Drüse: Dopamin (DA) stimuliert die P-Zellen der Acini und die Ausführgangzellen, während Serotonin (5-HT) die P- und C-Zellen der Acini stimuliert, nicht jedoch die Ausführgangzellen. Der Endspeichel ist nach einer DA-Stimulierung proteinfrei. Dagegen enthält er nach einer 5-HT-Stimulierung Proteine, die von den C-Zellen sezerniert werden (Just & Walz, 1996). Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich mittels Kapillarelektrophoretischer Analyse (CE-Analyse) die Elektrolytkonzentrationen im Endspeichel untersucht sowie die Raten der Flüssigkeitssekretion gemessen. Damit wollte ich klären, welche Transporter an der Sekretion des Primärspeichels und an dessen Modifikation beteiligt sind. Ausserdem wollte ich die Rolle der transportaktiven Epithelzellen der Ausführgänge für die Modifikation des Primärspeichels untersuchen. Dafür habe ich einen Vergleich der Elektrolytkonzentrationen im DA- und 5-HT-stimulierten Endspeichel durchgeführt. Der Elektrolytgehalt des DA- und 5-HT-stimulierten Endspeichels unterscheidet sich nicht signifikant voneinander. Er ist nach beiden Stimulierungen hypoosmotisch zum verwendeten Ringer. Die Ausführgangzellen werden durch DA stimuliert und modifizieren den Primärspeichel durch eine netto-Ionenreabsorption. Meine Versuche zeigen jedoch, dass auch die während einer 5-HT-Stimulierung der Drüse unstimulierten Ausführgangzellen den Primärspeichel modifizieren. In einer nachfolgenden Versuchsreihe habe ich den Einfluss von Ouabain, einem Hemmstoff der Na+-K+-ATPase, und Bumetanid, einem Hemmstoff des NKCC, auf die Raten der Flüssigkeitssekretion sowie den Elektrolytgehalt des Endspeichels untersucht. Ich habe gefunden, dass die Aktivität der Na+-K+-ATPase wichtig für die Modifikation des DA-stimulierten Primärspeichels ist. Im Gegensatz dazu ist sie für die Modifikation des 5-HT-stimulierten Primärspeichels nicht von Bedeutung. Bezüglich der Flüssigkeitssekretion habe ich keinen Einfluss der Na+-K+-ATPase-Aktivität auf die DA-stimulierten Sekretionsraten gefunden, dagegen ist die 5-HT-stimulierte Sekretionsrate in Anwesenheit von Ouabain gesteigert. Die Aktivität des NKCC ist für beide sekretorische Prozesse, die Ionen- und die Flüssigkeitssekretion, wichtig. Eine Hemmung des NKCC bewirkt eine signifikante Verringerung der Raten der Flüssigkeitssekretion nach DA- und 5-HT-Stimulierung sowie in beiden Fällen einen signifikanten Abfall der Ionenkonzentrationen im Endspeichel. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich versucht, Änderungen der intrazellulären Ionenkonzentrationen in den Acinuszellen während einer DA- oder 5-HT-Stimulierung zu messen. Diese Experimente sollten mit der Methode des "ratiometric imaging" durchgeführt werden. Messungen mit dem Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoff Fura-2 zeigten keinen globalen Anstieg in der intrazellulären Ca2+-Konzentration der P-Zellen. Aufgrund von Problemen mit einer schlechten Beladung der Zellen, einer starken und sich während der Stimulierung ändernden Autofluoreszenz der Zellen sowie Änderungen im Zellvolumen wurden keine Messungen mit Na+- und K+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffen durchgeführt. Im dritten Teil dieser Arbeit habe ich die intrazellulären Signalwege untersucht, die zwischen einer 5-HT-Stimulierung der Drüse und der Proteinsekretion vermitteln. Dazu wurde der Proteingehalt im Endspeichel biochemisch mittels eines modifizierten Bradford Assay gemessen. Eine erstellte Dosis-Wirkungskurve zeigt, dass die Rate der Proteinsekretion von der zur Stimulierung verwendeten 5-HT-Konzentration abhängt. In einer Serie von Experimenten habe ich die intrazellulären Konzentrationen von Ca2+, cAMP und / oder cGMP erhöht und anschließend den Proteingehalt im Endspeichel gemessen. Ein Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration aktiviert nur eine geringe Rate der Proteinsekretion. Dagegen kann die Steigerung der intrazellulären cAMP-Konzentration eine stärkere Proteinsekretion aktivieren, die sich nicht signifikant von der nach 5-HT-Stimulierung unterscheidet. Die cAMP-stimulierte Proteinsekretion kann durch gleichzeitige Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration weiter gesteigert werden. Dagegen aktivierte eine Erhöhung der intrazellulären cGMP-Konzentration die Proteinsekretion nicht. Aufgrund dieser Ergebnisse postuliere ich die Existenz eines die Adenylatcyclase aktivierenden 5-HT-Rezeptors in der Basolateralmembran der C-Zellen. / The aim of this PhD-work was to investigate major mechanisms of excitation-secretion coupling in the salivary gland of the cockroach Periplaneta americana (L.). This salivary gland is innervated by dopaminergic and serotonergic fibres (Baumann et al., 2002). The two transmitters stimulate different processes in the gland: Dopamine (DA) stimulates the p-cells of the acini and the salivary duct cells, whereas 5-HT (serotonin) activates the p- and the c-cells of the acini, but not the salivary duct cells. Final saliva is completely protein-free after dopamine stimulation. It contains proteins, which are secreted by the c-cells of the acini, after a 5-HT-stimulation (Just & Walz, 1996). In the first part of my work I measured the electrolytic composition of the final saliva by capillary electrophoretic analysis and measured the rates of fluid secretion, in order to answer the following questions: 1.) Which transporters affect the production of primary saliva and its modification? 2.) What is the function of the transport-active salivary duct cells for the modification of the primary saliva? Electrolytic composition of the DA- and 5-HT-stimulated final saliva is not significantly different from each other, and is hypoosmotic to the Ringer used. Salivary duct cells are stimulated by DA and modify the primary saliva by a netto ion-reabsorption. My experiments also show that the duct cells, which are unstimulated during a 5-HT-stimulation of the gland, modify the primary saliva. In the next series of experiments I investigated the effects of ouabain, an inhibitor of the Na+-K+-ATPase, and bumetanide, an inhibitor of the NKCC on the rates of fluid secretion and the electrolytic composition of the final saliva. I found, that the activity of the Na+-K+-ATPase is important for the modification of DA-stimulated primary saliva during its flow through the stimulated duct system. In contrast, it is not important for modification of the 5-HT-stimulated primary saliva. Inhibition of the Na+-K+-ATPase does not affect rates of DA-stimulated fluid secretion, but it increases the rates of 5-HT-stimulated fluid secretion. Activity of the NKCC is important for both secretory processes: the ion and the fluid secretion. Inhibition of the NKCC results in a significant drop in the rates of fluid secretion after DA- and 5-HT-stimulation, as well as a drop in electrolytic concentrations in the saliva. In the second part of my work, I tried to measure changes in the intracellular ionic concentrations (Ca2+, Na+, and K+) within the acinar cells during a DA- or 5-HT-stimulation. The experiments should be performed by ratiometric imaging. Measurements with the Ca2+-sensitive dye Fura-2 did not show any global increase in the intracellular Ca2+-concentration in the p-cells of the acini. Problems concerning a bad loading of the cells, a strong autofluorescence which changed during the time course of the stimulation, as well as changes in the cell volume were the reason, that no measurements using Na+- or K+-sensitive dyes were performed. In the third part of my work I investigated the intracellular signalling pathways, which activate protein secretion after 5-HT-stimulation of the gland. A modified Bradford Assay was used for measuring the protein content in the final saliva. In a dose-response curve I showed that rates of protein secretion are dependent on the 5-HT-concentrations used to stimulate the glands. In another set of experiments I increased the intracellular concentrations of Ca2+, cAMP and / or cGMP, and measured the protein content in the final saliva. An increase in the intracellular Ca2+-concentration activates only a low rate of protein secretion. After an increase in the intracellular cAMP-concentration a much higher rate of protein secretion can be activated, which is not significantly different from the 5-HT stimulated rate of protein secretion. The cAMP-stimulated protein secretion can be further increased by a simultaneous rise in the intracellular Ca2+-concentration. In contrast, cGMP does not activate protein secretion. Therefore I propose the expression of an adenylyl cyclase activating 5-HT-receptor in the basolateral membrane of the protein secreting c-cells.

Homotrimeric P2X3 and heteromeric P2X2/3 receptors are present in sensory ganglia and participate in pain perception. In order to develop pharmacological antagonists for these receptors, it is important to clarify which amino acid (AA) residues constitute the agonist binding pouch as well as to learn the stoichiometry of the receptor subunits forming a heteromeric receptor. We expressed the homomeric human (h)P2X3 receptor or its mutants in HEK293 cells and measured the ATP-induced responses by the whole-cell patch-clamp method. For the binding-site mutants, all conserved and some non-conserved AAs in the four nucleotide binding segments (NBSs) of the P2X3 subunit were sequentially replaced by alanine. Especially the positively charged AAs Lys and Arg appeared to be of critical importance for the agonist effects. We concluded that groups of AAs organized in NBSs rather than individual amino acids appear to be responsible for agonist binding at the P2X3 receptor. These NBSs are located at the interface of the three subunits forming a functional receptor. We were also interested to find out, whether two heteromeric receptors (P2X2/3 and P2X2/6), where P2X2 combines with two different partners, have an obligatory subunit stoichiometry of 1:2 or whether the subunit stoichiometry may be variable. For this purpose we used non-functional P2X2, P2X3 and P2X6 subunit-mutants to investigate the composition of heteromeric P2X2/3 and P2X2/6 receptors. The subunit stoichiometry of P2X2/3 and P2X2/6 was found to be 1:2 and 2:1, respectively. Thus, recognitions sites between P2X2 and its partners rather than random association may govern the subunit compositions of the receptor trimers.

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

Diss. (sammanfattning) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 5 uppsatser.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

The structure and functions of lipid rafts and the mechanisms of intracellular membrane trafficking are major topics in current cell biological research. Rafts have been proposed to act as sorting platforms during biosynthetic transport, especially along pathways that deliver proteins to the apical membrane of polarised cells. Based on this, the aim of this work was to contribute to the understanding of apical sorting in epithelial cells. The study of how lipid rafts are structured has been hampered by the scarcity of techniques for their purification. Rafts are thought to be partially resistant to solubilisation by mild detergents, which has made the isolation of detergent-resistant membranes (DRMs) the primary method to characterise them biochemically. While a growing number of detergents is being used to prepare DRMs, it is not clear what can be inferred about the native structure of cell membranes from the composition of different DRMs. This issue was addressed by an analysis of DRMs prepared with a variety of mild detergents. The protein and lipid content of different DRMs from two cell lines, Madin-Darby canine kidney (MDCK) and Jurkat cells, was compared. It was shown that the detergents differed considerably in their ability to selectively solubilise membrane proteins and lipids. These results make it unlikely that different DRMs reflect the same underlying principle of membrane organisation. Another obstacle for understanding apical sorting is that the evidence implicating certain proteins in this process has come from various disparate approaches. It would be helpful to re-examine the putative components of the apical sorting machinery in a single experimental system. To this end, a retroviral system for RNA interference (RNAi) in MDCK cells was established. Efficient suppression of thirteen genes was achieved by retroviral co-expression of short hairpin RNAs and a selectable marker. In addition, the system was extended to simultaneously target two genes, giving rise to double knockdowns.Retroviral RNAi was applied to deplete proteins implicated in apical sorting. Surprisingly, none of the knockdowns analysed caused defects in surface delivery of influenza virus hemagglutinin, a common marker protein for apical transport. Therefore, none of the proteins examined is absolutely required for transport to the apical membrane of MDCK cells. Cells may adapt to the depletion of proteins involved in membrane trafficking by activating alternative pathways. To avoid such adaptation, a visual transport assay was established. It is based on the adenoviral expression of fluorescent marker proteins whose surface transport can be followed microscopically as soon as RNAi has become effective. With this assay, it should now be possible to screen the knockdowns for defects in surface transport. Taken together, this work has provided a number of experimental tools for the study of membrane trafficking in epithelial cells. First, the biochemical analysis of DRMs highlighted that DRMs obtained with different detergents are unlikely to correspond to distinct types of membrane microdomains in cell membranes. Second, the retroviral RNAi system should be valuable for defining the function of proteins, not only in membrane transport, but also in processes like epithelial polarisation. Third, the visual assay for monitoring the surface transport of adenovirally expressed marker proteins should be suitable to detect defects in polarised sorting.

Homotrimeric P2X3 and heteromeric P2X2/3 receptors are present in sensory ganglia and participate in pain perception. In order to develop pharmacological antagonists for these receptors, it is important to clarify which amino acid (AA) residues constitute the agonist binding pouch as well as to learn the stoichiometry of the receptor subunits forming a heteromeric receptor. We expressed the homomeric human (h)P2X3 receptor or its mutants in HEK293 cells and measured the ATP-induced responses by the whole-cell patch-clamp method. For the binding-site mutants, all conserved and some non-conserved AAs in the four nucleotide binding segments (NBSs) of the P2X3 subunit were sequentially replaced by alanine. Especially the positively charged AAs Lys and Arg appeared to be of critical importance for the agonist effects. We concluded that groups of AAs organized in NBSs rather than individual amino acids appear to be responsible for agonist binding at the P2X3 receptor. These NBSs are located at the interface of the three subunits forming a functional receptor. We were also interested to find out, whether two heteromeric receptors (P2X2/3 and P2X2/6), where P2X2 combines with two different partners, have an obligatory subunit stoichiometry of 1:2 or whether the subunit stoichiometry may be variable. For this purpose we used non-functional P2X2, P2X3 and P2X6 subunit-mutants to investigate the composition of heteromeric P2X2/3 and P2X2/6 receptors. The subunit stoichiometry of P2X2/3 and P2X2/6 was found to be 1:2 and 2:1, respectively. Thus, recognitions sites between P2X2 and its partners rather than random association may govern the subunit compositions of the receptor trimers.:Index of contents Introductory remarks „Wissenschaftlicher Anteil des Promovenden an der Publikation“ „Bibliographische Beschreibung“ I. Introduction Pain as a sensory quality Neuronal circuitry for pain processing and sensation in the PNS and CNS Transformation of thermal, mechanical and chemical stimuli into electrical activity by nociceptors; nociceptor-targeted therapeutic approaches Release mechanisms for nucleotides and their fate in the extracellular space Nucleotide receptor-types ATP-sensitive P2 receptors and pain-sensation References II. Scientific background and aims of my thesis ATP binding-sites of P2X3 receptors; subunit composition of P2X2/3 and P2X2/6 heteromeric receptors The aims of the present work III. Publications IV. Summary and conclusions Amino acid residues constituting the agonist binding site of the human P2X3 receptor ATP binding site mutagenesis reveals different subunit stoichiometry of functional P2X2/3 and P2X2/6 receptors „Eigenständigkeitserklärung“ Curriculum vitae Acknowledgements