Das Peptid Amyloid-beta wird seit vielen Jahren mit der Alzheimer''schen Demenz in Verbindung gebracht, aber die Verbindung zwischen dem Peptid und der Herkunft der Symptome bleibt unklar. Eine neue Hypothese besagt, dass Wechselwirkungen von Mono- oder Oligomeren des Amyloid-beta mit neuronalen Zellmembranen zu Veränderungen der Membran-Doppelschichtsruktur führen und Störungen dynamischer Prozesse in den Membranen verursachen können. Mit Methoden der Röntgen- und Neutronenstreuung wurden die Struktur und Dynamik von Modellmembranen und Änderungen durch den Einfluss des Peptids Amyloid-beta auf die Modellmembranen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Monomere des Peptidfragments Amyloid-beta 22-40 in anionische Lipidmembranen eingebaut werden. Mittels quasielastischer-inkohärenter Neutronenstreuung wurde die Dynamik von Lipidmembran untersucht. Ein Anteil von 1,5 mol % Amyloid-beta 22-40 in einer Lipidmembran bei 30°C verursacht eine Verringerung der Diffusionskoeffizienten sowohl der Schwerpunktbewegung der Lipide im ns-Bereich als auch der Dynamik der Fettsäurereste im ps-Bereich. Andererseits wird in der Gelphase der Lipidmembran bei 15°C ein Anstieg der Diffusionskoeffizienten beider Prozesse beobachtet. Eine Serie von Lipidproben mit unterschiedlichem Cholesteringehalt und eingelagerten Peptiden Amyloid-beta 1-42 und Amyloid-beta 22-40 wurde Mittels Röntgendiffraktion charakterisiert. Für das Peptid Amyloid-beta 22-40 wurden zwei Positionen gefunden, eine auf der Oberfläche der Membran, eine zweite in der Membran eingelagert. Das Peptid Amyloid-beta 1-42 ist teilweise in die Membran eingelagert und ist in einer 40 mol % Cholesteringehaltige Membrane durch eine einzelne Position modelliert. Zusätzlich wird der Entwurf und die Inbetriebnahme der BerILL Feuchtekammer beschrieben. / The peptide amyloid-beta has long been associated with Alzheimer’s disease; however the link between the peptide and the origin of symptoms is poorly understood. An emerging hypothesis is that monomeric and oligomeric forms of the peptide interact with neuronal membranes, resulting in perturbations in the bilayer structure and in the dynamic processes which take place in the bilayer. Using X-ray and neutron scattering techniques, the structure and dynamics of model lipid membranes and the changes which arise in the presence of amyloid-beta peptide fragments have been studied. Monomers of the peptide fragment amyloid-beta 22-40 were found to intercalate into an anionic lipid bilayer. Through quasi-elastic neutron scattering, dynamics of bilayer lipids were observed. The presence of 1.5 mol % of the peptide results in a decrease in the diffusion coefficients for lipid centre of mass motion on the nanosecond time-scale, as well as for the lipid tail dynamics on the picosecond scale at 30°C. On the other hand, in the gel-phase of the lipid, at 15°C, an increase in the diffusion coefficients for both of these processes was observed. A series of samples with various cholesterol content and either the amyloid-beta 22-40 peptide fragment or the amyloid-beta 1-42 full length peptide was characterized using X-ray diffraction. The amyloid-beta 22-40 peptide was found to populate two positions, on the surface and embedded in the bilayer. The amyloid-beta 1-42 peptide embeds itself into the membrane, and is modelled by a single population for high cholesterol levels (40 mol % cholesterol). In addition, the design and commissioning of the BerILL humidity chamber, a sample environment with precise temperature and humidity control compatible with neutron scattering experiments is presented.

Adhesion of biological cells to their environment is mediated by two-dimensional clusters of specific adhesion molecules which are assembled in the plasma membrane of the cells. Due to the activity of the cells or external influences, these adhesion sites are usually subject to physical forces. In recent years, the influence of such forces on the stability of cellular adhesion clusters was increasingly investigated. In particular, experimental methods that were originally designed for the investigation of single bond rupture under force have been applied to investigate the rupture of adhesion clusters. The transition from single to multiple bonds, however, is not trivial and requires theoretical modelling. <br><br> Rupture of biological adhesion molecules is a thermally activated, stochastic process. In this work, a stochastic model for the rupture and rebinding dynamics of clusters of parallel adhesion molecules under force is presented. In particular, the influence of (i) a constant force as it may be assumed for cellular adhesion clusters is investigated and (ii) the influence of a linearly increasing force as commonly used in experiments is considered. Special attention is paid to the force-mediated cooperativity of parallel adhesion bonds. Finally, the influence of a finite distance between receptors and ligands on the binding dynamics is investigated. Thereby, the distance can be bridged by polymeric linker molecules which tether the ligands to a substrate. / Adhäsionskontakte biologischer Zellen zu ihrer Umgebung werden durch zweidimensionale Cluster von spezifischen Adhäsionsmolekülen in der Plasmamembran der Zellen vermittelt. Aufgrund der Zellaktivität oder äußerer Einflüsse sind diese Kontakte normalerweise Kräften ausgesetzt. Der Einfluss mechanischer Kräfte auf die Stabilität zellulärer Adhäsionscluster wurde in den vergangenen Jahren verstärkt experimentell untersucht. Insbesondere wurden experimentelle Methoden, die zunächst vor allem zur Untersuchung des Reißssverhaltens einzelner Moleküle unter Kraft entwickelt wurden, zur Untersuchung von Adhäsionsclustern verwendet. Die Erweiterung von einzelnen auf viele Moleküle ist jedoch keineswegs trivial und erfordert theoretische Modellierung. <br><br> Das Reißen biologischer Adhäsionsmoleküle ist ein thermisch aktivierter, stochastischer Prozess. In der vorliegenden Arbeit wird ein stochastisches Modell zur Beschreibung der Reiß- und Rückbindedynamik von Clustern paralleler Adhäsionsmoleküle unter dem Einfluss einer mechanischen Kraft vorgestellt mit dem die Stabilität der Cluster untersucht wird. Im besonderen wird (i) der Einfluss einer konstante Kraft untersucht wie sie in zellulären Adhäsionsclustern angenommen werden kann und (ii) der Einfluss einer linear ansteigenden Kraft betrachtet wie sie gemeinhin in Experimenten angewendet wird. Besonderes Augenmerk liegt hier auf der durch die Kraft vermittelte Kooperativität paralleler Bindungen. Zuletzt wird der Einfluss eines endlichen Abstandes zwischen Rezeptoren und Liganden auf die Dynamik untersucht. Der Abstand kann hierbei durch Polymere, durch die die Liganden an das Substrat gebunden sind, überbrückt werden.

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