Chemical synapses are a physically and functionally varied type of cell-cell contact specialized in conducting communication between neurons. They are the smallest "computational" unit of the brain and are often classified as electrical and chemical, and they can be distinguished based on their transmission mechanism. These categories could be further broken into many kinds, each having a specific structure-function repertoire that is hypothesized to provide neural networks with distinct computational capabilities. Heterogeneity refers to the variety of structures and functions present in a particular category of synapses. Contributing factors for this heterogeneity may be the synaptic vesicles, the active zone (AZ), the synaptic cleft, the postsynaptic density, and the glial processes associated with the synaptic contacts. Each of these five structural modules has its own set of functions, and their combination determines the spectrum of functional heterogeneity at mammalian excitatory synapses. This work focused on the changes in AZ protein expression after chemical induction of plasticity with forskolin in synaptic contacts of the hippocampal mossy fibers. With the nanoscopic resolution provided by dSTORM, along with the multicolor SIM imaging capabilities, changes in expression of key presynaptic AZ components were analyzed. Using SIM imaging along with a standardized stimulation protocol in acute brain slices from male 16-week old Thy1-mEGFP (Lsi1) mice, the changes of the key AZ proteins Bassoon, Munc 13-1 and Tomosyn were investigated 30 min after stimulation with forskolin (50 μM for 30 min). Forskolin induced changes in these proteins largely in small synaptic contacts whereas no clear changes were detected in large mossy fiber boutons. However, due to the high variability it cannot be ruled out that forskolin may differentially modify AZ protein composition depending on experimental circumstances such as age and gender of mice or the time point and duration of forskolin stimulation. The dSTORM data demonstrated feasibility to perform single molecule 3D imaging of hippocampal presynaptic AZs and allowed quantitative mapping of molecular changes in AZ proteins after induction of plasticity. The findings suggest high heterogeneity in mossy fiber synaptic contacts that may have an impact on the function of neural networks. These imaging approaches may now be used to identify potential differences in functional molecular rearrangements of synaptic proteins in healthy and diseased brain (e.g. after induction of traumatic brain injury). / Chemische Synapsen sind eine physikalisch und funktionell vielfältige Art von Zell-Zell-Kontakten, die auf die Kommunikation zwischen Neuronen spezialisiert sind. Sie sind die kleinste " computational " Einheit des Gehirns und werden oft als elektrisch und chemisch klassifiziert, und sie können auf der Grundlage ihres Übertragungsmechanismus unterschieden werden. Diese Kategorien lassen sich weiter in viele Arten unterteilen, die jeweils ein spezifisches Struktur-Funktions-Repertoire aufweisen, von dem angenommen wird, dass es neuronale Netze mit unterschiedlichen Berechnungsfähigkeiten ausstattet. Heterogenität bezieht sich auf die Vielfalt der Strukturen und Funktionen, die in einer bestimmten Kategorie von Synapsen vorhanden sind. Die wichtigsten Gründe für diese Heterogenität sind molekulare und strukturelle Unterschiede in synaptischen Vesikel, der aktiven Zone (AZ), synaptischem Spalt, postsynaptischer Dichte und der mit der Synapse verbundenen glialen Prozesse. Jedes dieser fünf strukturellen Module hat seine eigenen Funktionen, und ihre Kombination bestimmt das Spektrum der funktionellen Heterogenität an exzitatorischen Synapsen von Säugetieren. Diese Arbeit konzentrierte sich auf Änderungen der AZ Proteine nach chemischer Induktion von Plastizität an hippocampalen Moosfasersynapsen mittels superhochauflösende Fluoreszenzmikroskopie. Mit der nanoskopischen Auflösung von dSTORM und der Mehrfarben-SIM-Bildgebung könnten Proteine in der präsynaptischen AZ abgebildet werden. Mithilfe der SIM-Bildgebung wurden Veränderungen in der Expression von AZ-Proteine Bassoon, Munc 13-1 und Tomosyn nach der Induktion von Plastizität mit Forskolin an akuten Hirnschnitten von 16-Wochen alten männlichen Thy1-mEGFP (Lsi1) Mäusen analysiert. Forskolin reduzierte die Expression von Bassoon, Munc-13-1 und Tomosyn hauptsächlich in kleinen Moosfasersynapsen. Aufgrund der hohen Variabilität kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass Forskolin die Expression der AZ-Proteine abhängig von den experimentellen Bedingungen, wie z.B. dem Alter oder dem Geschlecht der Mäuse oder der Zeitpunkt und der Dauer der Forskolin-Stimulation unterschiedlich verändern könnte. Die dSTORM-Daten zeigten, dass es möglich ist, eine Einzelmolekül-3D-Bildgebung präsynaptischer aktiver Zonen in Hippocampus durchzuführen. Die Methode ermöglichte eine quantitative Analyse der molekularen Veränderungen in AZ-Proteinen nach Induktion von Plastizität. Die Ergebnisse deuten auf eine große Heterogenität der Moosfasersynapsen, die einen Einfluss auf die Funktion neuronaler Netzwerke haben könnte. Diese bildgebenden Verfahren können nun eingesetzt werden, um potenzielle Unterschiede in den funktionellen molekularen Änderungen synaptischer Proteine im gesunden und pathologischen Gehirn (z. B. nach einer traumatischen Schädelverletzung) zu untersuchen.

Plants exposed to herbivory may defend themselves by attracting the “enemies of their enemies”, a phenomenon called induced indirect defense (IID). In this process, the de novo production and emission of volatile organic compounds (VOC) by the affected plant is activated via a jasmonic acid (JA) dependent signaling cascade. VOC can be very specific for the inducing herbivore as well as for the emitting plant. Carnivores as predatory mites and parasitoid wasps use these substances as prey- or host-finding cues. If the herbivore is parasitized successfully, its development is slowed and thus the damage of the plant is decreased. Additional abiotic stress may modulate the plant’s ability to produce and/or emit herbivore induced VOC. Ultraviolet (UV) radiation can have multiple physiological effects on plants, amongst others the activation of the expression of genes that are also activated during anti-herbivore defense. To investigate UV effects, foils with different UV transmittance were used to manipulate ambient solar radiation. One foil was permeable for the whole solar spectrum including UV radiation whereas the other excluded radiation below a wavelength of 400 nm. Soybean exposed to UV increased concentrations of isorhamnetin- and quercetin-based flavonoids as effective photo-protective compounds in the leaves and showed a reduced growth compared to plants exposed to ambient radiation lacking UV. The altered chemical composition of the leaves had no effect on food choice and performance of herbivorous Spodoptera frugiperda larvae. Photo-protection by flavonoids seems to be efficient to prevent further UV effects on IID as plants of both treatments emitted the same blend of induced VOC and hence females of the parasitoid Cotesia marginiventris did not prefer plants from on of the treatments in the olfactometer. Nitrogen is one important macronutrient for all trophic levels and thus deficiency of this nutrient was expected to affect IID of soybean profoundly. To manipulate N availability for soybean plants hydroponic culture was used. One treatment was cultured in a standard hydroponic solution whereas in the N deficiency treatment in the solution all salts containing N were replaced with N-free salts. In N deficient plants root biomass was increased to allow the plant to forage more efficiently for the nutrient. Despite this morphological adaptation, photosynthetic efficiency as well as leaf N and soluble protein content were reduced significantly in N deficient soybean. The N deficiency was passed on to the third trophic level as herbivores fed with the affected leaves had a reduced body N content on her part and showed a decreased growth but no feeding preference for the superior food. Parasitoids reared in such N deficient herbivores had significant lower pupal weight compared to parasitoids reared in hosts fed with fully fertilized soybean. N deficient plants emitted a quantitatively altered herbivore induced blend. The two terpenes β-Bergamotene and (E,E)-α-Farnesene were emitted in higher amounts whereas (Z)-3-Hexenyl-α-methylbutyrate was emitted in significantly lower amount. Despite this quantitatively modified VOC blend the parasitoids host-searching behavior was not affected. Heavy metals (HM) are proposed to affect various biochemical pathways in plants including defense pathways by production of reactive oxygen species (ROS) in the tissue. The ROS on its part may affect production and release of endogenous JA, an important messenger in defense signaling. In this study maize plants were grown hydroponically and exposed to different increased concentrations of copper and cadmium. Maize seems to be able to exclude the excess HM from the leaves because the HM were found mainly in the roots and only to a minor degree in the shoots of the plants. Despite this exclusion the HM significantly affected uptake of other metal ions into the plant. The excess of the HM in combination with the attenuated uptake of other ions led to a reduced growth of roots and shoots as well as to reduced photosynthetic efficiency. Thus the nutritional value of the plants for the herbivore was lowered either by direct toxic effects of the HM or indirectly by altering plant chemical composition. S. frugiperda larvae fed with leaves exposed to high HM concentrations showed a significantly reduced growth but they did prefer neither control nor HM treated plants in a food-choice assay. Cu had a transient priming effect on JA as pre-exposure to a high excess of Cu led to higher amounts of herbivore induced JA compared to control plants exposed only to standard concentration of Cu. As anticipated the increased JA was followed by an increase in herbivore induced VOC in high-Cu treated plants caused by a increase of the green leaf volatiles (E)-3-Hexenal, (Z)-3-Hexenol and (Z)-3-Hexenylacetat and the terpenes Linalool, (E)-α-Bergamotene, (E)-β-Farnesene, and β-Sesquiphellandrene. Despite these profound changes in herbivore induced VOC the parasitoids host searching behavior was not affected. As described, the abiotic stresses UV, N deficiency and excess HM affected the morphology and physiology of soybean and maize, the performance of the herbivore S. frugiperda and even the performance of the parasitoid C. marginiventris. However the host searching behavior of the parasitoid was not affected even if the herbivore induced VOC blend was altered. Thus parasitoids seem to be a very reliable defender for plants and IID a very robust way of herbivore defense. / Pflanzen, die Herbivorendruck ausgesetzt sind, können sich verteidigen, indem sie die „Feinde ihrer Feinde“ anlocken. Dieses Phänomen wird induzierte indirekte Verteidigung (englisch: induced indirect defense IID) genannt. Dabei wird die de novo Produktion und Abgabe von flüchtigen organischen Verbindungen (englisch: volatile organic compounds VOC) durch die betroffenen Pflanze über eine jasmonsäure (JA) -abhängige Signalkaskade aktiviert. Die VOC können sehr spezifisch sowohl für den auslösenden Herbivor als auch für die abgebende Pflanze sein. Karnivoren wie Raubmilben oder parasitoide Wespen nutzen diese Substanzen zur Beute- oder Wirtsfindung. Wurde der Herbivor erfolgreich parasitiert wird seine Entwicklung verlangsamt und damit der Schaden an der Pflanze verringert. Ist die Pflanze außer Herbivorie noch zusätzlichem abiotischen Stress ausgesetzt, kann dieser die Fähigkeit der Pflanze zur Produktion und/oder Abgabe der herbivor-induzierten Duftstoffe beeinflussen. Ultraviolette Strahlung (UV) kann verschiedenste physiologische Auswirkungen auf Pflanzen haben, darunter auch die Aktivierung der Expression von Genen, welche auch bei der Herbivorenabwehr aktiviert werden. Um solche möglichen UV-Effekte zu untersuchen, wurden Folien mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für UV genutzt, um die natürliche Sonnenstrahlung zu manipulieren. Eine der Folien war durchlässig für das gesamt Spektrum des Sonnelichtes inklusive der UV-Strahlung, während die andere Folie Strahlung unterhalb einer Wellenlänge von 400 nm ausschloss. Sojapflanzen, die UV ausgesetzt waren, erhöhten die Konzentration von isorhamnetin- und quercetin-basierten Flavonoiden mit besonders effektiven Lichtschutzeigenschaften in ihren Blätter und zeigten außerdem ein reduziertes Längewachstum im Vergleich zu Pflanzen, die natürlicher Strahlung ohne UV-Anteil ausgesetzt waren. Die veränderte Blattchemie hatte jedoch keinen Einfluss auf Futterwahl und Entwicklung von herbivoren Spodoptera frugiperda Larven. Die Lichtschutzeigenschaften der Flavonoide verhinderten auch weitergehende UV-Effekte auf die IID, da Pflanzen beider Behandlungen das gleiche Gemisch induzierter VOC abgaben und daher Weibchen des Parasitoiden Cotesia marginiventris im Olfaktometer keine Bevorzugung für Pflanzen einer der beiden Behandlungen zeigten. Stickstoff (N) ist ein wichtiges Makronährelement für alle trophischen Ebenen, daher wurde vermutet, dass ein Mangel dieses Elementes die induzierte indirekte Verteidigung von Soja tiefgreifend beeinflussen könnte. Um die Verfügbarkeit von N für Sojapflanzen gezielt zu manipulieren wurde ein Hydrokultursystem verwendet. Eine der Behandlungen wurde in einer Standard-Hydrokulturlösung kultiviert während bei der Stickstoffmangelbehandlung die stickstoffhaltigen Salze in der Lösung durch stickstofffreie Salze ersetzt wurden. In N-Mangel-Pflanzen war die Wurzelbiomasse vergrößert, um eine effizientere Aufnahme des Nährstoffes zu ermöglichen. Trotz dieser morphologischen Anpassung waren Photosyntheseleistung, Blattstickstoffgehalt und Menge an löslichem Protein in N-mangel Soja signifikant verringert. Dieser Stickstoffmangel wurde bis zur dritten trophischen Ebene weitergegeben, da mit Stickstoffmangel-Blättern gefütterte Herbivore ihrerseits einen reduzierten Körperstickstoffgehalt und verringertes Wachstum zeigten, in Wahlexperimenten jedoch nicht höherwertiges Futter bevorzugten. Parasitoiden, welche in solchen N-magel Wirten gezüchtet wurden, erreichten ein geringeres Puppengwicht als Parasitoide, welche in Wirten gezüchtet wurden, die mit normal gedüngtem Soja gefüttert wurden. Pflanzen unter Sticktoffmangel emittierten einen qualitativ veränderten herbivor-induzierten Duft. Die beiden Terpene β-Bergamoten und (E,E)-α-Farnesen wurde in höheren Mengen abgegeben, während (Z)-3-Hexenyl-α-Methylbutyrat in geringerer Menge emittiert wurde. Trotz dieser quantitativen Änderung des Duftes war das Wirtsfindeverhalten der Parasitoiden nicht verändert. Schwermetalle können verschiedenste biochemische Signal-u. Stoffwechselwege in Pflanzen beeinflussen, durch das Entstehen reaktiver Sauerstoffspezies (englisch: reactive oxygen species ROS) in Geweben auch Signalwege der pflanzlichen Verteidigung. Die ROS ihrerseits können die Produktion und Freisetzung endogener JA, ein wichtiger Signalstoff in der pflanzlichen Verteidigung, verändern. In dieser Studie wurden hydroponisch kultivierte Maispflanzen verschiedenen erhöhten Kupfer-u. Cadmiumkonzentrationen ausgesetzt. Mais scheint erhöhte Schwermetallmengen vom Spross ausschließen zu können, da die Metalle vor allem in den Wurzeln und nur in geringem Anteil im Spross wiedergefunden wurden. Trotz dieses Ausschlussmechanismuses beeinflussten die Schwermetalle die Aufnahme anderer Metallionen in die Pflanzen. Der Schwermetallüberschuss zusammen mit der eingeschränkten Aufnahme andere Ionen führte zu einem verringerten Wachstum von Wurzeln und Spross sowie verringerter Photosyntheseleistung. Der Futterwert der Pflanzen für die Herbivoren war daher entweder durch direkte toxische Eigenschaften der aufgenommenen Schwermetalle oder indirekt durch Änderung der chemischen Zusammensetzung der Pflanzen verringert. Wurden S. frugiperda Larven mit Maisblättern gefüttert, die hohen Schwermetallkonzentrationen ausgesetzt waren, zeigten sie ein signifikant verringertes Wachstum, bevorzugten in Futterwahltests jedoch weder Blätter von Kontrollpflanzen noch von schwermetallbehandelten Pflanzen. Da Pflanzen, die hohen Kupferkonzentrationen ausgesetzt waren höhere Mengen von herbivor-induzierter JA aufwiesen als Kontrollpflanzen, hatte Kupfer offenbar einen transienten Primingeffekt auf JA. Wie erwartet folgte auf die erhöhte JA-Freisetzung eine erhöhte Emission herbivor-induzierter VOC in mit hohen Kupferkonzentrationen behandelten Pflanzen. Diese Steigerung der Emission war durch eine erhöhte Emission der Grünblattdüfte (E)-3-Hexenal, (Z)-3-Hexenol and (Z)-3-Hexenylacetat und der Terpene Linalool, (E)-α-Bergamoten, (E)-β-Farnesen, und β-Sesquiphellandren bedingt. Das Wirtsfindeverhalten der Parasitoiden blieb jedoch trotz der starken Veränderungen des herbivor-induzierten Pflanzenduftes unbeeinflusst. Wie beschrieben haben die abiotischen Stressfaktoren UV-Strahlung, Stickstoffmangel und Schwermetallbelastung weitreichende Auswirkungen auf die Morphologie und Physiologie von Soja und Maispflanzen, die Larvalentwicklung des Herbivoren S. frugiperda und ebenso auf die Larvalentwicklung des Parasitoiden C. marginiventris. Das Wirtsfindeverhalten des Parasitoiden blieb jedoch trotz Änderungen in den herbivor-induzierten Duftstoffgemischen unbeeinflusst. Daher scheinen Parasitoide eine zuverlässige Verteidigung für Pflanzen und die induzierte indirekte Verteidigung eine gegen abiotischen Stress sehr robuste Art der Herbivorenabwehr darzustellen.

Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2007.

Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Münster (Westfalen), Universiẗat, Diss., 2008.

Universiẗat, Diss.--Paderborn, 1997.

Universiẗat, Diss., 2002--Jena.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von Liganden muscarinerger Rezeptoren, die zur Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren gehören. Die fünf Muscarinrezeptor-Subtypen weisen im Bereich der orthosteren Bindungsstelle, an die u. a. der endogene Ligand Acetylcholin bindet, einen hohen Konservierungsgrad der Aminosäuresequenz auf. Alle Muscarinrezeptoren weisen neben der orthosteren Bindungsstelle auch eine oder mehrere allostere Bindungsstellen auf. Da diese sich im weniger konservierten extrazellulären Bereich des Rezeptors befinden, ist es möglich subtypspezifische Liganden zu entwickeln. Allostere Modulatoren binden an diese topographisch andere Stelle des Rezeptors und sind in der Lage, gezielt die Bindung eines orthosteren Agonisten oder Antagonisten zu modulieren. Dies bedeutet, dass sie die Assoziation und die Dissoziation orthosterer Agonisten und Antagonisten beeinflussen können. Die Gleichgewichtsbindung des Orthosters kann erhöht (d. h. positive Kooperativität), erniedrigt (d. h. negative Kooperativität) bzw. nicht beeinflusst (d. h. neutrale Kooperativität) werden. Das Ziel der Arbeit bestand zunächst darin, die Synthese allosterer Modulatoren des M2-Rezeptors vom Bis(ammonium)alkan-Typ, wie W84 und Naphmethonium, zu optimieren. Da die Synthesen dieser bisquartären Verbindungen zeitaufwändig sind, wurden die Synthesen durch Einsatz einer Synthesemikrowelle optimiert, um neue Bis(ammonium)alkan-Verbindungen effizienter synthetisieren zu können. Der Vergleich beider Synthesemethoden (konventionell bzw. Mikrowellen-unterstützt) zeigt sehr deutlich, dass die Reaktionszeiten durch Einsatz einer Synthesemikrowelle drastisch verkürzt werden konnten, insbesondere bei Verbindungen, die sehr lange Reaktionszeiten beanspruchen. Zusätzlich konnten die Ausbeuten aller synthetisierten Verbindungen durch Mikrowellen-unterstützte Synthese z. T. deutlich gesteigert werden. Im Verlauf der Arbeit wurden unsymmetrisch und symmetrisch nitrosubstituierte Bisnaphthalimide hergestellt. Durch Mikrowellen-unterstützte Hydrierung unter Palladium/Kohle-Katalyse wurden anschließend die analogen aminosubstituierten Derivate erhalten. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, ein Naphmethonium-Derivat herzustellen, das über einen Spacer mit einem geeigneten Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden kann. Ein Farbstoff-markierter allosterer Modulator könnte als ein wichtiges pharmakologisches Werkzeug zur direkten Charakterisierung allosterer Interaktionen und zur Verfolgung des „Rezeptor-Traffickings“ mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie genutzt werden. Als Spacer diente eine Alkylkette mit endständiger primärer Aminofunktion, die mit Alexa-Fluor 532 gekoppelt werden sollte. Zur Einführung des Spacers wurden verschiedene Strategien verfolgt. Schließlich konnte Verbindung 3h über eine Chlorzwischenstufe hergestellt werden, über deren freie primäre Aminogruppe der Fluoreszenzfarbstoff in weiteren Arbeiten gekoppelt werden kann. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Syntheseoptimierung des hochpotenten unselektiven Agonisten Iperoxo, das eine für akademische Zwecke wichtige Substanz in der pharmakologischen Testung und ein wichtiges Zwischenprodukt in der Synthese bivalenter Agonist/Alloster-Hybridverbindungen ist. Die Ausbeuten aller Stufen konnten erhöht und die Gesamtausbeute signifikant von 13% auf 22% gesteigert werden. Außerdem wurden neue Agonisten hergestellt, die sich im Heterozyklus unterscheiden. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Synthese bivalenter Hybridverbindungen nach dem Nachrichten-Adressen-Modell von Schwyzer. Zum einen sollten Agonist/Alloster-Hybridverbindungen synthetisiert werden, wobei die in der Literatur beschriebene Hybridverbindung Hybrid 1 (W84 und Iperoxo) als Leitstruktur diente. So wurde im ersten Schritt eine auf der allosteren Seite verkürzte Substanz ohne Phthalimidopropyl-Rest hergestellt (Hexamethonium und Iperoxo). Danach wurden verschiedene Funktionalitäten an der lateralen quartären Ammoniumfunktion eingeführt. Daneben wurden erstmals Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen hergestellt, die aus einem M2-selektiven allosteren Modulator (W84, Naphmethonium bzw. Hexamethonium) und einem subtypunspezifischen Antagonisten (Atropin bzw. Scopolamin) bestehen. Im ersten Schritt wurde der allostere Molekülteil nach der optimierten Mikrowellen-unterstützten Synthese hergestellt. Die erhaltenen Zwischenstufen 2 wurden im Anschluss mit Atropin und Scopolamin in Acetonitril umgesetzt und die Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen 34 und 35 erhalten. Die pharmakologische Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte durch Radioligandbindungsstudien an Herzventrikelgewebe des Hausschweins. Der allostere Effekt der Testsubstanzen wurde indirekt über die Verzögerung der Dissoziation des radioaktiv markierten orthosteren Antagonisten [3H]N-Methylscopolamin. / The present work focussed on the synthesis and characterisation of ligands of muscarinic receptors belonging to the superfamily of G-protein-coupled receptors. The five known subtypes of muscarinic receptors (M1-M5) are located ubiquitary in the mammalian organism and participate in many physiological procedures. The endogenous ligand acetylcholine and classical antagonists bind to the orthosteric binding site, which is located deeply in the receptor channel and exhibit a highly conserved amino acid sequence. Allosteric modulators bind to a topographically different site than classical orthosteric ligands. The allosteric binding sites are located in the external loops of the receptor protein. Since these regions exhibit a less conserved structure it is possible to design allosteric modulators capable of binding selectively to specific subtypes and modulating the efficiency of the orthosteric ligand. An allosteric modulator has the ability to affect equilibrium binding of the orthosteric agonist or antagonist: equilibrium binding can either be increased (= positive cooperativity), decreased (= negative cooperativity) or left unaltered (= neutral cooperativity). One intention of this work was to optimize the synthetic pathway to bis(ammonio)alkane-type allosteric modulators of the M2-receptor, like W84 or naphmethonio. The syntheses to these bisquaternary compounds are time consuming. In order to obtain new potent bis(ammonio)alkane-compounds the syntheses were optimized by using a microwave oven. Comparing the conversion times of conventional and microwave-assisted heating revealed a substantially speed up in the synthetic pathway particularly for the reactions which took the longest under conventional reflux conditions. Additionally, the yields of all synthesized compounds could be increased by means of microwave-assisted synthesis. In this work symmetrical and non-symmetrical nitro-substituted bisnaphthalimides were synthesized and the analogue amino-substituted compounds were obtained by microwave-assisted hydrogenation afterwards. A further aim of this work was to synthesize a naphmethonio-derivative which is suitable for a connection to a fluorescent dye. A fluorescent naphmethonio-derivative may help to characterize allosteric interactions directly and trace receptor trafficking by means of fluorescence correlation spectroscopy. Firstly, a primary amino group should be connected via an alkyl-spacer to the allosteric modulator and secondly, this intermediate should be combined with the fluorescent dye alexa-fluor-532. Several strategies were prosecuted. Finally, the synthesis of compound 3h via a chloride-intermediate was successful. Another intention of this work was to optimize the synthetic pathway to the non-selective muscarinic agonist iperoxo, which is an important reference compound in the pharmacological testing and an intermediate in the synthetic pathway of bivalent agonist/allosteric modulator hybrid compounds. The yields in each reaction step were enhanced and the total yield was increased from 13 % to 22 %. Furthermore, other muscarinic agonists differing in the substitution pattern of the heterocycle were synthesized. A further aim of this work was to synthesize bivalent hybrid compounds combining an orthosteric and an allosteric ligand in one molecule. Following Schwyzer´s concept of hybrid compounds containing an “address” skeleton that binds selectively to a receptor subtype and a non-selective “message” moiety inducing agonism or antagonism, a group of hybrid hexamethonio-type derivatives has been designed as subtype selective agonists and antagonists. Hybrid 1 served as a lead for the agonist/allosteric modulator-hybrid compounds synthesized in this work. Firstly, the goal was to combine the agonist iperoxo with hexamethonio and secondly, to introduce a different substitution pattern at the lateral quaternary ammonio-group in the obtained iperoxo/hexamethonio-hybrid compound 27a. Another aim of this work was to synthesize antagonist/allosteric modulator hybrid compounds. Therefore, the classical antagonists atropine and scopolamine were connected with the allosteric agents W84, naphmethonio and hexamethonio via hexyl-spacer. The pharmacological testing of all compounds was accomplished by radioligand binding studies in homogenates of porcine heart ventricles. The resulting allosteric effect was determined by measuring the inhibition of the dissociation of the radioactive marked orthosteric antagonist [3H]N-methylscopolamine ([3H]NMS). In equilibrium binding studies information about the affinity of the allosteric modulators to the free receptor and about the cooperativity between the allosteric and the orthosteric ligand was obtained.

The development and in-depth characterization of new fluoroaryl functionalized ORMOCER® materials (inorganic-organic hybrid polymers) for optical waveguide applications in telecommunication is presented. The preparation of the materials included precursor silane synthesis, hydrolysis/polycondensation of organoalkoxysilane mixtures, and photolithographic processing of the resulting oligosiloxane resins in order to establish the inorganic-organic hybrid network. During all stages of ORMOCER® preparation, structure-property relations were deduced from characterization data, particularly with respect to low optical loss in the important near-infrared spectral region as well as refractive index. With the aid of molecular modeling, structural characteristics of oligomeric intermediates were visualized, which was found valuable in the fundamental understanding of the material class. The material development started with the syntheses of a variety of commercially unavailable fluorinated and unfluorinated arylalkoxysilanes by means of Grignard and hydrosilylation pathways, respectively. A survey of silane optical properties, particularly their absorptions at the telecom wavelengths 1310 nm and 1550 nm, gave an impulse to the choice of suitable precursors for the preparation of low-loss ORMOCER® resins. Accordingly, precursor silane mixtures and hydrolysis/polycondensation reaction conditions were chosen and optimized with regard to low contents of C-H and Si-OH functions. Thus, absorptions as low as 0.04 dB/cm at 1310 nm and 0.18 dB/cm at 1550 nm, respectively, could be obtained from an oligosiloxane resin based on pentafluorophenyltrimethoxysilane (1) mixed with pentafluorophenyl(vinyl)-dimethoxysilane (5). In order to improve the organic crosslinkability under photolithographic processing conditions, further resins on the basis of the aforementioned were prepared, which additionally incorporated the styrene-analogous precursor 4-vinyltetrafluorophenyl-trimethoxysilane (4). Thus, ORMOCER® resins with low optical losses of 0.28 dB/cm at 1310 nm and 0.42 dB/cm at 1550 nm, respectively, were prepared, which exhibited excellent photopatternability. The manufacture of micropatterns such as optical waveguide structures by UV-photolithography under clean room conditions was the final stage of material synthesis. The optimization of processing parameters allowed the preparation of test patterns for the determination of optical, dielectrical and mechanical properties. A low optical loss of 0.51 dB/cm at 1550 nm could be measured on a waveguide manufactured from a photopatternable fluoroaryl functionalized ORMOCER®. The structural characterization of liquid resins as well as cured ORMOCER® samples was accomplished chiefly with solution and solid state 29Si-NMR spectroscopy, respectively. Particularly for polycondensates incorporating species based on more than one precursor silane, the spectra showed a high degree of complexity. An additional challenge arouse from the partial loss of fluoroaryl groups during ORMOCER® condensation and curing, which resulted in even more condensation products. Thus, in order to provide a basis for resin analysis, first the hydrolysis/condensation reactions of the isolated precursors were investigated under reaction time-resolution with NMR spectroscopy at low temperature. Backed by signal assignments in these single-precursor systems, the respective species could also be identified in the complex resin spectra, allowing for their quantitative interpretation. The structural characterization was rounded out by IR spectroscopy and SAXS analyses. With the help of molecular modeling, the experimental data were finally transferred into a three-dimensional image of an organosiloxane oligomer, which is representative for a photopatternable fluoroaryl functionalized ORMOCER® resin. The combination of low-temperature NMR, which made the characterization of polycondensates possible, with oligomer modeling paved the way to a further understanding of ORMOCER® resin systems. On the basis of this visualization of structural characteristics, e.g. properties such as organic crosslinkability of oligomers were discussed in the light of steric features within the molecular structure. Thus, new possibilities were established for the systematic optimization of ORMOCER® formulations. Structure-property relations with respect to optical loss and refraction, as determined within this work, follow trends, which are in accordance with the literature. Particularly the direct comparison of data derived from analogous fluorinated and unfluorinated ORMOCER® resins showed that fluorination results in significant decrease in NIR optical loss. Additionally, different unfluorinated aryl functionalized systems with varying aliphatic C-H content were compared. In case of a lower aliphatic content, a widening effect on the 1310 nm window was found. This is due to a shift of arylic C-H vibrations (1145 nm) towards lower wavelengths compared to aliphatic C-H (1188 nm). Finally, on the basis of NIR spectra of analogous fluorinated resins with low and high silanol content, respectively, a significant impact of (Si)O-H groups on the 1550 nm window was demonstrated, while the 1310 nm window was unaffected. This is due to O-H vibrations with a maximum at 1387 nm and further bands at higher wavelength. The index of refraction was drastically lowered due to fluorination. Thus, the analogous fluorinated and unfluorinated ORMOCER® resins had indices of 1.497 and 1.570, respectively, in the VIS region. For the fluorinated systems, refraction did not change significantly during organic cross-connection and hardbake. In conclusion, the new fluoroaryl functionalized ORMOCER® systems represent low-loss materials for telecom applications. In addition, in-depth characterization during material development allowed the proposal of structure-property relations, particularly with respect to optical properties, which are of considerable importance for future developments. / Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung und detaillierten Charakterisierung von fluorarylmodifizierten ORMOCER®en (anorganisch-organischen Hybridpolymeren) für optische Wellenleiteranwendungen in der Tele- und Datenkommunikation. Die Materialsynthese erstreckte sich von der Darstellung von kommerziell nicht erhältlichen Arylalkoxysilanen, die als molekulare Vorstufen dienten, über deren Hydrolyse/Polykondensationsreaktion bis hin zur abschließenden photochemischen Prozessierung zum Aufbau des hybriden Polymernetzwerkes. Zu jedem dieser Entwicklungsstadien wurden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermittelt. Hauptaugenmerk hierbei lag auf der optischen Dämpfung im relevanten Nah-Infrarotspektralbereich und der Brechzahl. Details in der Molekülstruktur von oligomeren Zwischenstufen schließlich wurden basierend auf spektroskopischen Daten mit Hilfe von Molecular Modeling visualisiert. Die Synthesen der fluorierten und unfluorierten Arylalkoxysilane stützten sich wesentlich auf Grignard- und Hydrosilylierungsrouten. Bereits die Ermittlung von optischen Eigenschaften der Vorläufersilane lieferte wichtige Impulse für den einzuschlagenden Weg bei der Entwicklung von verlustarmen ORMOCER®-Harzen. Zur Erreichung geringer Schwingungsabsorptionen bei 1310 nm und 1550 nm wurden somit sowohl die initialen Silangemische als auch die Bedingungen der Polykondensationsreaktionen hinsichtlich geringem Gehalt an C-H und Si-OH Gruppen optimiert. Auf diese Weise konnten geringe optische Verluste von 0.04 dB/cm bei 1310 nm und 0.18 dB/cm bei 1550 nm an einem ORMOCER®-Harz gemessen werden, das ausgehend von Pentafluorphenyltrimethoxysilan (1) und Pentafluorphenyl(vinyl)-dimethoxysilan (5) dargestellt wurde. In der Folge wurden weitere Harzsysteme entwickelt, um die organische Vernetzbarkeit der Materialien unter photolithographischen Prozessierungsbedingungen zu erhöhen. Hierzu wurde basierend auf der vorgenannten Silanzusammensetzung das Styrol-analoge 4-Vinyltetrafluorphenyltrimethoxysilan (4) zum Ausgangsgemisch hinzugefügt. Damit konnten ORMOCER®-Harze von ausgezeichneter Photostrukturierbarkeit dargestellt werden, die geringe optische Verluste von bis zu 0.28 dB/cm bei 1310 nm und 0.42 dB/cm bei 1550 nm aufwiesen. Die Materialsynthese wurde vervollständigt durch die photolithographische Darstellung von optischen Wellenleitern und anderen Mikrostrukturen unter Ausbildung des anorganisch-organischen Hybridnetzwerks. Unter Reinraumbedingungen konnten Prozessierungsparameter dahingehend optimiert werden, dass die Präparation von ORMOCER®-Teststrukturen für die optische, dielektrische und mechanische Charakterisierung ermöglicht wurde. An einem optischen Schichtwellenleiter aus einem photostrukturierbaren fluorarylfunktionalisierten ORMOCER® wurde bei 1550 nm eine optische Dämpfung von 0.51 dB/cm gemessen. Die Strukturaufklärung von flüssigen Harzen und ausgehärteten ORMOCER®-Proben erfolgte größtenteils mittels 29Si-NMR Spektroskopie. Die Polykondensatspektren setzten sich aus einer Vielzahl von Signalen zusammen, die einerseits die Ausgangssilangemische und andererseits deren unterschiedliche Kondensationsstufen widerspiegelten. Eine zusätzliche Herausforderung ergab sich aus der partiellen Abspaltung der Fluorarylfunktionalität während der Prozessierung, die zu weiteren Kondensationsprodukten führte. Aufgrund der damit gegebenen Komplexität der Spektren wurden zunächst die Ausgangssilane isoliert einer Hydrolyse/Kondensationsreaktion unterworfen und die Reaktionsgemische zeitaufgelöst mittels Tieftemperatur-Messreihen analysiert. Auf Grundlage der damit getroffenen Signalzuordnungen für die Reaktionsintermediate konnten in der Folge ebenfalls die komplexen Kondensatspektren quantitativ aufgeschlüsselt werden. Die Strukturaufklärung wurde mittels Infrarotspektroskopie und Röntgenkleinwinkelstreuung (im Fall der Harze) vervollständigt. Die Veranschaulichung der molekularen Struktur eines Siloxanoligomers in einem photopolymerisierbaren fluorarylfunktionalisierten ORMOCER®-Harz erfolgte mittels Molecular Modeling. Hierbei ist zu betonen, dass das resultierende Modell wesentlich auf experimentell ermittelten Strukturkenndaten basierte. Mit der Kombination Tieftemperatur-NMR / Harzcharakterisierung / Oligomermodeling wurde somit ein wichtiger Zugang zum weiteren Verständnis von ORMOCER®-Harzsystemen eröffnet. Als Beispiel konnten gestützt auf die Visualisierung von sterischen Charakteristika Eigenschaften wie die organische Vernetzbarkeit des Siloxanoligomers diskutiert werden. Hieraus eröffnen sich zukünftig neue Möglichkeiten zur gezielten Optimierung von ORMOCER®-Formulierungen. Aus Charakterisierungsdaten wurden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen hinsichtlich optischer Dämpfung und Brechzahl abgeleitet, die literaturkonformen Trends folgten. Insbesondere im direkten Vergleich von analogen fluorierten und unfluorierten Materialien wurde der Effekt des Ersatzes von C-H durch C-F Bindungen deutlich. Optische Dämpfungswerte im NIR wurden durch Fluorierung signifikant verringert. Darüber hinaus konnte im Vergleich von unfluorierten Hybridpolymeren mit unterschiedlich hohem Anteil an aliphatischen und aromatischen C-H Bindungen gezeigt werden, wie durch einen geringeren Anteil an Aliphaten das Telekommunikationsfenster bei 1310 nm erweitert wird. Dies ist durch die unterschiedliche Lage von Obertonschwingungen für aliphatische (1188 nm) und aromatische C-H (1145 nm) begründet. Schließlich konnte anhand von analogen fluorierten Harzen mit unterschiedlichem Silanolgehalt eine signifikante Erhöhung der Dämpfung bei 1550 nm durch (Si)O-H Obertonschwingungen nachgewiesen werden, während die Absorption bei 1310 nm unbeeinflusst blieb. Hierfür war ein Absorptionsmaximum bei 1387 nm sowie eine Reihe schwächerer Banden bei höheren Wellenlängen verantwortlich. Die Brechzahl der Materialien wurde durch Fluorierung drastisch verringert. So wurden im VIS-Spektralbereich bei analogen fluorierten und unfluorierten Harzen Werte von 1.497 bzw. 1.570 ermittelt. Für den Fall der fluorierten Harzsysteme wurde keine signifikante Brechzahlveränderung im Zuge der organischen Quervernetzung festgestellt. Die neuentwickelten fluorarylfunktionalisierten ORMOCER®e eignen sich im Fazit als niedrig dämpfende Materialien für Telekomanwendungen. Zudem konnten mit Hilfe einer detaillierten Strukturaufklärung Struktur-Eigenschaftsbeziehungen herausgearbeitet werden, die wichtige Impulse für zukünftige Entwicklungen auf dem Gebiet liefern.

Insects exhibit complex systems of communication with chemical signalling being the most important mode. Although there are many studies on chemical communication in insects, the evolution of chemical signals is not well understood. Due to the conflict of interests between individuals, different selective pressures might act on sender and receiver. In this thesis I investigate different types of communication where either the sender, the receiver or both parties yield benefits. These studies were conducted with one digger wasp species, honeybees, one chrysidid wasp, and three ant species. Senders might benefit by exploiting existing preferences of receivers. Such sensory exploitation might influence the evolution of male signals that are designed to attract females. The sex pheromone of male European beewolves Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) might have evolved according to the sensory exploitation hypothesis. A three-step scenario is supported by our studies. First, a major component of the honeybee alarm pheromone, (Z)-11-eicosen-1-ol, is also found on the cuticles and in the air surrounding foraging honeybees. Second, it could be shown, that (Z)-11- eicosen-1-ol plays a crucial role as kairomone for prey identification of honeybees by beewolf females. Third, a reanalysis of the beewolf male sex pheromone shows a remarkable similarity of compounds between the pheromone and the honeybee cuticle, besides the co-occurrence of (Z)-11-eisosen-ol. The majority of the cuticular hydrocarbons of honeybees occur also in the headspace of foraging workers. These results strongly support the hypothesis that beewolf males evolved a pheromone that exploits the females’ pre-existing sensory sensitivity. In addition, the male sex pheromone shows a significantly higher similarity among brothers than among non-related individuals, which might enable beewolf females to discriminate against brothers and avoid detrimental effects of breeding. Together with the studies on the possible sensory exploitation this result shows that both, male and female beewolves probably gain more benefits than costs from the pheromone communication and, thus, the communication system as a whole can be regarded as cooperative. To maintain the reproductive division of labour in eusocial colonies, queens have to signal their presence and fecundity. In the ant Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) queens mark their own eggs with a distinctive pattern of cuticular hydrocarbons. Two different hypotheses have been developed. One suggests a form of worker manipulation by the queen. The alternative hypothesis assumes a cooperative signal that provides information on the condition of the queen. The results of our investigation clearly favour the latter hypothesis. Chemical mimicry is a form of non-cooperative communication that benefits predominantly the sender. We provided conclusive evidence that the cockoo wasp, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), the primary brood parasitoid of Philanthus triangulum, evades recognition by beewolf females most probably by chemical mimicry of the odour of its host. Furthermore, the adaptation of the chemical signature in the social ant parasite Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) to its Leptothorax (Hymenoptera, Formicidae) hosts was investigated. Although this parasite is principally adapted to its hosts’ cuticular hydrocarbon profile, there are still pronounced differences between the profiles of parasites and hosts. This might be explained by the trade-off, which the parasites faces when confronted locally with two host species with different cuticular hydrocarbon profiles. Non-cooperative communication in the sense that only receivers benefit was discovered in the exploitation of honeybees volatile cuticular hydrocarbons by beewolf females. By using emitted (Z)-11-eicosen-1-ol as a kairomone, the receiver, the beewolf female, yields the benefits and the sender, the honeybee prey, bears all the costs. The results of these studies contribute to the understanding of the evolution of cooperative and non-cooperative communication with chemical signals taking into account differential benefits for sender and/or receiver. / Insekten weisen ein komplexes System der Kommunikation auf, wobei chemische Signale die wichtigste Rolle spielen. Obwohl viele Studien über chemische Kommunikation an Insekten durchgeführt wurden, ist die Evolution von chemischen Signalen nicht gut verstanden. Aufgrund von Interessenkonflikten wirken unterschiedliche Selektionsdrücke auf Sender und Empfänger. In dieser Dissertation untersuchte ich verschiedene Typen von Kommunikation, bei denen entweder der Sender, der Empfänger oder beide von der Kommunikation profitieren. Als Modellorganismen wurden eine Grabwespenart (Crabronidae), Honigbienen (Apidae), eine Goldwespenart (Chrysididae) und drei Ameisenarten (Formicidae) studiert. Sender können von der Ausnutzung existierender Präferenzen der Empfänger profitieren. Eine solche Ausnutzung kann die Evolution von Männchensignalen beeinflussen, die entwickelt wurden, um Weibchen anzulocken. Solch eine „sensory exploitation“ könnte die Evolution des Sexualpheromons von Männchen des Europäischen Bienenwolfs Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) beeinflußt haben. Unsere Studien unterstützen das folgende Drei-Stufen-Szenario: Erstens, eine Hauptkomponente aus dem Honigbienenalarmpheromon, das (Z)-11- Eicosen-1-ol, wurde auf der Kutikula und in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen nachgewiesen. Zweitens konnte gezeigt werden, daß (Z)-11-Eicosen-1-ol eine wichtige Rolle als Kairomon bei der Identifizierung der Honigbiene als Beute durch Bienenwolfweibchen spielt. Schließlich zeigte eine detaillierte chemische Analyse des Bienenwolfmännchenpheromons, daß außer dem Auftreten von (Z)-11- Eicosen-1-ol weitere bemerkenswerte Übereinstimmungen zwischen dem Pheromon und der Honigbienenkutikula auftreten. Die meisten der kutikulären Substanzen der Honigbiene finden sich auch in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen. Diese Ergebnisse bestätigen, daß bei der Evolution des Pheromons der Bienenwolfmännchen bereits existierende sensorische Fähigkeiten der Weibchen eine wichtige Rolle spielten und somit die „sensory exploitation“ Hypothese unterstützt wird. Das Sexualpheromon der Bienenwolfmännchen zeigt außerdem eine signifikant größere Ähnlichkeit zwischen Brüdern im Vergleich zu nicht verwandten Individuen. Dies könnte den Bienenwolfweibchen ermöglichen, bei der Paarung gegen Brüder zu diskriminieren und damit einen nachteiligen Effekt der Inzucht bei Nachkommen zu vermeiden. Dieses Ergebnis zeigt zusammen mit den Studien zur möglichen „sensory exploitation“, daß Männchen und Weibchen wahrscheinlich mehr Nutzen als Kosten aus diesem Kommunikationssystem erzielen und deshalb das System insgesamt als kooperativ betrachtet werden kann. Um die reproduktive Arbeitsteilung in eusozialen Kolonien aufrecht zu erhalten, müssen Königinnen ihre Anwesendheit und Fekundität signalisieren. Bei der Ameisenart Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) markieren die Königinnen ihre eigenen Eier mit einem unverwechselbaren kutikulären Kohlenwasserstoffmuster. Zwei unterschiedliche Hypothesen, die diese Form der Kommunikation erklären, wurden formuliert. Eine Hypothese schlägt eine Manipulation von Arbeiterinnen durch die Königin vor. Eine Alternativhypothese geht von einem kooperativen Signal aus, das Informationen über den Zustand der Königin übermittelt. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen stützen eindeutig letztere Hypothese. Chemische Mimikry ist eine Form von nicht-kooperativer Kommunikation, von der ausschließlich der Sender profitiert. Die Goldwespe, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), der wichtigste Brutparasitoid von Philanthus triangulum, entgeht der Entdeckung durch das Bienenwolfweibchen wahrscheinlich durch Imitierung des Geruchs seines Wirtes. Weiterhin wurde die Anpassung der chemischen Signatur des sozialen Ameisenparasiten Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) an seine Leptothorax Wirtsarten untersucht. Obwohl dieser Parasit prinzipiell an das kutikuläre Kohlenwasserstoffprofil seines Wirtes angepaßt ist, gibt es trotzdem ausgeprägt Unterschiede zwischen den Profilen des Parasits und seines Wirtes. Dies könnte durch einen „trade-off“ erklärt werden, dem die Parasiten ausgesetzt sind, wenn sie lokal mit zwei Wirtsarten mit unterschiedlichen kutikulären Kohlenwasserstoffprofilen konfrontiert werden. Nicht-kooperative Kommunikation im Sinne, daß nur der Empfänger profitiert, wurde bei der Ausnutzung der flüchtigen kutikulären Kohlenwasserstoffen der Honigbiene durch seinen Prädator, das Bienenwolfweibchen, gezeigt. Durch die Nutzung von (Z)- 11-Eicosen-1-ol als Kairomon profitiert nur der Empfänger, das Bienenwolfweibchen, wohingegen der Sender, die Honigbiene (Beute), alle Kosten trägt. Die Ergebnisse dieser Studien tragen zu einem besseren Verständnis der Evolution von kooperativer und nicht-kooperativer Kommunikation mit chemischen Signalen unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Nutzens für Sender und/oder Empfänger bei.