Background: Structure-based drug repositioning has emerged as a promising alternative to conventional drug development. Regardless of the many success stories reported over the past years and the novel breakthroughs on the AI-based system AlphaFold for structure prediction, the availability of structural data for protein–drug complexes remains very limited. Whereas the chemical libraries contain millions of drug compounds, the vast majority of them do not have structures to crystallized targets,and it is, therefore, impossible to characterize their binding to targets from a structural view. However, the concept of building blocks offers a novel perspective on the structural problem. A drug compound is considered a complex of small chemical blocks or fragments, which confer the relevant properties to the drug and have a high proportion of functional groups involved in protein binding. Based on this, we propose a novel approach to expand the scope of structure-based repositioning approaches by transferring the structural knowledge from a fragment to a compound level. - Results: We fragmented over 100,000 compounds in the Protein Data Bank (PDB) and characterized the structural binding mode of 153,000 fragments to their crystallized targets. Using the fragment’s data, we were able to artificially reconstruct the binding mode of over 7,800 complexes between ChEMBL compounds and their known targets, for which no structural data is available. We proved that the conserved binding tendency of fragments, when binding to the same targets, highly influences the drug’s binding specificity and carries the key information to reconstruct full drugs binding mode. Furthermore, our approach was able to reconstruct multiple compound-target pairs at optimal thresholds and high similarity to the actual binding mode. - Conclusions: Such reconstructions are of great value and benefit structure-based drug repositioning since they automatically enlarge the technique’s scope and allow exploring the so far ‘unexplored compounds’ from a structural perspective. In general, the transfer of structural information is a promising technique that could be applied to any chemical library, to any compound that has no crystal structure available in PDB, and even to transfer any other feature that may be relevant for the drug discovery process and that due to data limitations is not yet fully available. In that sense, the results of this work document the full potential of structure-based screening even beyond PDB.

Die natürlichen Vorbilder effektiver Anionenrezeptoren sind Enzyme, welche oftmals Arginin als entscheidende Aminosäure in der Bindungstasche tragen. Die positiv geladenene Guanidiniumgruppe, wie sie in der Seitenkette von Arginin vorkommt, ist daher das zentrale Strukturmerkmal für viele künstliche Anionenrezeptoren. Im Jahre 1999 gelang es Schmuck und Mitarbeitern eine neue Klasse von Guanidinium-basierten Oxoanionenrezeptoren zu entwickeln, die Carboxylate sogar in wässrigen Medien binden können. Die Bindungsmodi der 2-(Guanidiniocarbonyl)-1H-pyrrole basieren auf einer Kombination von einzeln betrachtet schwachen nicht-kovalenten Wechselwirkungen wie Ionenpaarbildung und multiplen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen künstlichem Rezeptor und Substrat. Durch Substitution einer Carboxylatgruppe in Position 5 des Pyrrolringes erhält man ein zwitterionisches Derivat welches sich in Wasser mit einer Assoziationskonstante von schätzungsweise 170 M-1 zu einzelnen Dimeren zusammenlagert (Dimer 1). Um das Strukturmotiv hinsichtlich einer noch effektiveren Anionenbindung weiter verbessern zu können, ist es daher von großem Interesse, die verschiedenartigen intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den beiden monomeren Einheiten von Dimer 1 zu quantifizieren. Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene theoretische ab initio Studien durchgeführt, um die Einflüsse von intrinsischen Eigenschaften sowie von Solvenseffekten auf die Stabilität sich selbst zusammenlagernden Dimeren aufzuklären. In Kapitel 4.1 wurden die molekularen Wechselwirkungen im Dimer 1 durch Vergleich mit verschiedenen „Knock-out“ Analoga untersucht. In diesen Analoga wurden einzelne Wasserstoffbrückenbindungen durch Substitution von Wasserstoffdonoren mit Methylengruppen oder Etherbrücken ausgeschaltet. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwendung eines vereinfachten Kontinuum-Solvensmodells nicht ausreicht, die absoluten Energien der „Knock-out“ Analoga in stark polaren Lösungsmitteln vorherzusagen, jedoch können die berechneten Trends Auskunft über die relativen Stabilitäten geben. In Kapitel 4.2 wurde die strukturelle Ähnlichkeit von Arginin mit Struktur 1 ausgenutzt, um die Abhängigkeit der Stärke der Dimerisierung von der Flexibilität der molekularen Struktur eingehender zu untersuchen. In Kapitel 4.2.1 wurden neue globale Minimumsstrukturen des kanonischen und zwitterionischen Arginins in der Gasphase bestimmt. Dies geschah mit Hilfe von umfangreichen kraftfeldbasierten Konformationssuchen in Verbindung mit ab initio Strukturoptimierungen der energetisch niedrigsten Konformere. Die meisten der neu identifizierten Minimumskonformere sowohl des zwitterionischen als auch des kanonischen Tautomers zeigten geometrische Anordnungen mit bis dahin unbekannten gestapelten Orientierungen der endständigen Gruppen. Es wurde letztendlich eine neuartige globale Minimumsstruktur (N1) gefunden, welche eine um mehr als 8 kJ mol-1 niedrigere Energie besitzt als die bislang veröffentlichten Konformere. Die gleiche Strategie für das Auffinden von energetischen Minimumskonformeren, wie sie bereits für das Arginin Monomer benutzt wurde, wurde auch im Falle der Dimere von Arginin verwendet. Im Gegensatz zu vorhergehenden theoretischen Untersuchungen ist die neue globale Minimumsstruktur ungefähr 60 kJ mol-1 stabiler und weist ebenfalls eine gestapelte Orientierung der Guanidinium- und Carboxylatgruppen auf. Der Einfluss der Rigidität auf die Dimerstabilität wurde durch Berechnungen eines künstlich versteiften Arginin Dimersystems bewiesen. Die hohe Bindungsaffinität des Dimers 1 ergibt sich daher zu etwa 50% aus der Rigidität der Monomere, welche jegliche intramolekulare Stabilisierung verhindert. Um Vorschläge für ein verbessertes Carboxylatbindungsmotiv machen zu können, wurden in Kapitel 4.3 neuartige Strukturmotive mit veränderten Ringsystemen auf DFT Niveau untersucht. Die direkte Abhängigkeit der Dimerisierungsenergie von einem zunehmenden Dipolmoment wurde durch verschiedene anellierte Ringstrukturen bewiesen. Der Einfluss der Delokalisierung in den Monomeren auf die Dimerisierungsenergie wurde durch Veränderung der Elektronenstruktur von elektronisch entkoppelten Biphenylenen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Carbonylfunktion hauptsächlich für eine gute Präorganisation verantwortlich ist, wohingegen der Effekt auf die Azidität eine geringere Bedeutung besitzt. Im letzten Kapitel wurden Kooperativitätseffekte in supramolekularen Systemen untersucht. Als Modellsysteme dienten hierbei Adenosin-Carbonsäure-Komplexe, deren berechnete NMR Verschiebungen mit experimentellen Niedrigtemperatur-NMR-Studien verglichen wurden. Wir konnten zeigen, dass nur durch die Verwendung von schwingungsgemittelten NMR Verschiebungen die experimentelle Protonenverschiebung reproduziert werden kann, welche unter Tieftemperaturbedingungen im Austauschregime von Wasserstoffbrückenbindungen erhalten wurde. / The effective binding of anions like carboxylates and phosphates in aqueous solutions is of particular interest for various reasons. The natural archetypes of effective anion receptors are enzymes that contain often arginine as relevant amino acid in the binding pocket. For this reason, one class of artificial anion receptors that emerged more than two decades ago mimics the anion binding with the guanidinium group present in the amino acid side chain. In 1999, Schmuck and coworkers developed a new class of guanidinium-based oxo anion receptor that binds carboxylates even in aqueous media. The binding modes of the 2-(guanidiniocarbonyl)-1H-pyrroles are based on individually weak non-covalent interaction between artificial host and substrate like ion pairing and multiple hydrogen bonds. The zwitterionic derivative with substitution of a carboxylate group in position 5 of the pyrrole ring system shows a strong self-assembly to discrete dimers (dimer 1) with an estimated association constant of 170 M-1 even in water. In order to further improve the structure motif for an effective oxo anion binding it is therefore of great interest to quantify the different intermolecular interactions between two monomeric units of 1. Against this background several theoretical ab initio studies were conducted in order to elucidate the influences of intrinsic properties as well as solvent effects on the stability of self-assembled dimers. In chapter 4.1 the molecular interactions in dimer 1 were investigated by comparison to various “knock-out” analogues. In these analogues single hydrogen bonds were switched off by substitution of hydrogen donor atoms with either methylene groups or ether bridges. The calculations were done for vacuum and solvation, as represented by a conductor-like polarizable continuum. It could be shown that the application of a simple continuum solvent model fails to predict the absolute energies of the knock-out analogues in strongly polar solvents. However, the calculated trends can explain the relative stabilities. In chapter 4.2 the structural similarity of arginine with structure 1 was used in order to examine the dependence of self-assembly from the flexibility of the molecular structure. In chapter 4.2.1 new global minimum structures of the canonical and zwitterionic arginine in gas phase were found by means of exhaustive force field based conformational searches in conjunction with ab initio structure optimizations of the lowest energy conformers. Most of the newly identified minimum conformers of both the zwitterionic and canonical tautomer revealed geometrical arrangements with hitherto unreported stacked orientations of the terminal groups. Finally a novel global minimum structure was detected that is more than 8 kJ mol-1 lower in energy than the previously published conformers. The same strategy for finding minimum energy conformers of the arginine monomer has also been employed for the arginine dimer structures. While previous theoretical studies favoured directed hydrogen bonds the new global minimum structure MMFF1 is about 60 kJ mol-1 more stable and exhibits a stacked orientation of the guanidinium and carboxylate groups. The importance of rigidity on the dimer stability was proven by calculations of an artificially stiffened arginine dimer system. The high binding affinity dimer 1 results by about 50% from the rigidity of the monomers which prevents any intramolecular stabilization. In chapter 4.3 novel structure motifs with varying ring systems have been examined on a DFT level of theory in order to make proposals for an improved carboxylate binding motif. The direct dependency of the dimerization energy on an increasing dipole moment was demonstrated by various anellated ring structures. The influence of the delocalization in the monomer on the dimerization energy was examined by variation of the electronic structure of electronically decoupled biphenylenes. With the aid of various substituted 7-guanidinioindole-2-carboxylate derivatives we could show that the carbonyl function is mainly responsible for the advantageous preorganisation, whereas the effect on the acidity seems to be only of minor importance. In the last chapter cooperativity effects in supramolecular assemblies have been investigated. This was achieved by NMR shift calculations of adenosine-carboxylic acid complexes as model systems and comparison to experimental low-temperature NMR studies. We could demonstrate that only by applying vibrational averaged NMR shifts the experimental proton shifts obtained at very low temperatures in the hydrogen bond exchange regime could be reproduced.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln im Passatklima und deren Einfluss auf Passatwolken untersucht. Die Arbeit basiert auf Messungen mit der hubschrauber-getragenen Messplattform ACTOS. Es wurden zwei Intensivmesskampagnen im November 2010 und April 2011 durchgeführt, welche 31 Forschungsflüge in der Nähe der östlichsten Karibik-Insel Barbados umfassen. Die gemessenen Partikel-Anzahl-Größenverteilungen weisen meist eine bimodale Verteilung auf, welche typisch für marines Aerosol ist. Im Vergleich zu kontinentalen Verhältnissen ist die Totalanzahlkonzentration der Aerosolpartikel von 100-1000 cm-3 gering. Eine statistische Analyse einzelner Wolken lässt auf typische Anzahlkonzentrationen von aktivierten Partikeln bis zu 400 cm-3 und minimale Aktivierungsdurchmesser in der Größenordnung von 40 nm bis 180 nm mit entsprechenden maximalen kritischen Übersättigungen zwischen 0.1 und 0.9% schließen. Zusätzlich wurden wesentliche Einflussfaktoren auf die Anzahlkonzentration aktivierter Partikel identifiziert: 1) Vertikalwind an der Wolkenunterkante und 2) Anzahlkonzentration der verfügbaren Aerosolpartikel, die als Wolkenkondensationskeime dienen können. Mit Hilfe von Beobachtungsdaten und einer umfassenden Sensitivitätsstudie unter Verwendung eines Luftpaketmodells mit spektraler Wolkenmikrophysik wurde die Sensitivität der Wolkentropfenkonzentration gegenüber Änderungen in den physikalischen Eigenschaften und der Hygroskopizität von Aerosolpartikeln untersucht. Die beobachteten Ergebnisse in Form von sogenannten \"aerosol-cloud interaction metrics\" (ACI, Maß für den Einfluss von Änderungen einer bestimmten Aerosoleigenschaft auf eine bestimmte Wolkeneigenschaft) zeigen eine sehr hohe Sensitivität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Partikelanzahlkonzentration (in der Nähe des physikalisch sinnvollen Maximums von eins). Diese abgeleiteten ACI-Metriken eignen sich als Basis für Abschätzungen des indirekten Strahlungsantriebes auf der Grundlage von Beobachtungen. Zusätzliche Modellrechnungen umfassen die gemessenen Partikeleigenschaften während der gesamten Kampagnen. Die Ergebnisse unterstreichen besonders die Bedeutung der physikalischen Partikeleigenschaften. Die Suszeptibilität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Partikelanzahlkonzentration (Wertebereich: 0-1) ist am größten (> 0.9) für den Fall eines stark ausgeprägten Akkumulations-Mode und nimmt ab, je stärker der Aitken-Mode ausgeprägt ist (> 0.6). Im Gegensatz dazu ist die Sensitivität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Hygroskopizität der Partikel generell geringer (< 0.4). Die hier präsentierten Ergebnisse stellen eine umfangreiche Charakterisierung der Aerosol- und Wolkeneigenschaften im Passatklima dar und können helfen, die vorhergesagte Sensitivität der Wolkeneigenschaften in Klimamodellen gegenüber Änderungen der Aerosoleigenschaften zu evaluieren und deren Unsicherheiten zu reduzieren. / Within the scope of this dissertation, microphysical properties of aerosol particles in the trade wind regime and their influence on microphysical properties of trade wind cumulus clouds have been investigated. The study is based on measurements performed with the helicopter-borne measurement platform ACTOS. Two intensive measurement periods were carried out in November 2010 and April 2011, including 31 research flights close to the easternmost Caribbean island - Barbados. Aerosol particle number size distributions show a bimodal structure, which is typical for marine aerosol particles. The total particle concentrations of approximately 100-1000 cm-3 are compared to continental conditions relatively low. A statistical analysis of individual clouds reveals typical number concentrations of activated particles up to 400 cm-3 and minimum activation diameters between 40 and 180 nm with corresponding critical supersaturations between 0.1 and 1%. Additionally, major factors affecting the number concentration of activated particles are identifed: 1) vertical wind velocity at cloud base and, 2) number concentration of available aerosol particles as potential cloud condensation nuclei. With the help of observational data and a comprehensive sensitivity study using a spectral cloud microphysical parcel model, the sensitivity of the cloud droplet number concentration towards changes in the microphysical aerosol particle properties and their hygroscopicity has been investigated. Observational results in terms of so-called aerosol-cloud interactions metrics (describes a measure of the influence of changes in one specific aerosol property on one specific cloud property) show a very high sensitivity (close to the physical meaningful maximum of unity) of the number concentration of activated particles towards changes in the particle number concentration. These aerosol-cloud interaction metrics can be used as basis for observationally-based radiative forcing estimates. Additional model calculations cover the entire range of the observed aerosol properties during both campaigns. The results underline particularly the importance of the physical aerosol properties. The calculated susceptibility (valuation: 0-1) of the droplet number concentration towards changes in the particle number concentration is highest (> 0.9) for accumulation mode dominated particle number size distributions and decreases for Aitken mode dominated size distributions (> 0.6). In contrast, for the modeled parameter space, the sensitivity towards changes in the particle hygroscopicity is generally below 0.4. The findings presented in this study represent a comprehensive characterization of aerosol and cloud microphysical properties in the trade wind regime. These findings may help to evaluate the predicted sensitivity of cloud microphysical properties by climate models towards changes in particle microphysical properties and reduce the uncertainties in climate sensitivity estimates.

Die Frage, welche fundamentalen Prinzipien den Aufbau der Materie unseres Universums bestimmen und was sie „im Innersten zusammenhält“, ist seit jeher Gegenstand der Neugier und des Forschungsdrangs der Menschen. Das vorliegende Unterrichtsmaterial möchte Sie und Ihre Schüler in die faszinierende Welt der Teilchenphysik mitnehmen, um einige Antworten auf diese Frage zu finden. Die Inhalte lassen sich in Form eines Spiralcurriculums behandeln, so dass eine wiederkehrende Beschäftigung mit den grundlegenden Konzepten der Elementarteilchenphysik im Physikunterricht in differenzierter Form und Tiefe, in unterschiedlichem Umfang, auf sich steigerndem Niveau und auf der Grundlage unterschiedlicher Vorkenntnisse möglich ist. So können wesentliche Inhalte zu den zentralen Begriffen „Ladungen, Wechselwirkungen und Elementarteilchen“ vermittelt werden. Der Band wird durch Informationen für Lehrkräfte und Aufgaben mit Lösungen abgerundet.

Van der Waals-Wechselwirkungen (vdW) sind allgegenwärtig und spielen eine zentrale Rolle in einer großen Anzahl biologischer und moderner synthetischer Materialien. Die am weitesten verbreitete theoretische Methode zur Berechnung von Materialeigenschaften, die Dichtefunktionaltheorie (DFT) in semilokaler Näherung, vernachlässigt diese Wechselwirkungen jedoch größtenteils, was zur Entwicklung vieler verschiedener vdW-Modelle führte. Die hier vorgestellte Arbeit ebnet den Weg hin zu einem vereinheitlichten vdW-Modell welches die besten Elemente der unterschiedlichen Klassen von vdW-Modellen vereint. Zu diesem Zweck haben wir einen vereinheitlichten theoretischen Rahmen geschaffen, der auf dem Reichweite-separierten Adiabatischer-Zusammenhang-Fluktuations-Dissipations-Theorem aufbaut und die meisten existierenden vdW-Modelle umfasst. Wir analysieren die MBD-korrelierte Wellenfunktion am prototypischen Beispiel von π–π-Wechselwirkungen in supramolekularen Komplexen und stellen fest, dass diese Wechselwirkungen größtenteils durch delokalisierte kollektive Ladungsfluktuationen entstehen. Um zu dem langreichweitigen vdW-Modell ein ausgewogenes kurzreichweitiges Dichtefunktional zu identifizieren, präsentieren wir eine umfassende Untersuchung zum Zusammenspiel der kurz- und langreichweitigen Energiebeiträge in acht semilokalen Funktionalen und drei vdW-Modellen für eine große Spanne von Systemen. Die Bindungsenergieprofile vieler der DFT+vdW-Kombinationen unterscheiden sich sowohl quantitativ als auch qualitativ stark voneinander. Schließlich untersuchen wir die Performance des Vydrov–Van Voorhis-Polarisierbarkeitsfunktionals über das Periodensystem der Elemente hinweg und identifizieren eine systematische Unterschätzung der Polarisierbarkeiten und vdW-C₆-Koeffizienten für s- und d-Block-Elemente. Als Lösung entwickeln wir eine orbitalabhängige Verallgemeinerung des Funktionals. / The ubiquitous long-range van der Waals interactions play a central role in nearly all biological and modern synthetic materials. Yet the most widely used theoretical method for calculating material properties, the density functional theory (DFT) in semilocal approximation, largely neglects these interactions, which motivated the development of many different vdW models. The work in this thesis paves way towards a unified vdW model that combines best elements from the different classes of the vdW models. To this end, we developed a unified theoretical framework based on the range-separated adiabatic-connection fluctuation--dissipation theorem that encompasses most existing vdW models. We analyze the MBD correlated wave function on the prototypical case of π–π interactions in supramolecular complexes and find that these interactions are largely driven by delocalized collective charge fluctuations. To identify a balanced short-range density functional to accompany the long-range vdW model, we present a comprehensive study of the interplay between the short-range and long-range energy contributions in eight semilocal functionals and three vdW models on a wide range of systems. The binding-energy profiles of many of the DFT+vdW combinations differ both quantitatively and qualitatively, and some of the qualitative differences are independent of the choice of the vdW model. Finally, we investigate the performance of the Vydrov—Van Voorhis polarizability functional across the periodic table, identify systematic underestimation of the polarizabilities and vdW C₆ coefficients for s- and d-block elements, and develop an orbital-dependent generalization of this functional to resolve the issue.

In this work, the development of a new molecular building block, based on synthetic peptides derived from decorin, is presented. These peptides represent a promising basis for the design of polymer-based biomaterials that mimic the ECM on a molecular level and exploit specific biological recognition for technical applications. Multiple sequence alignments of the internal repeats of decorin that formed the inner and outer surface of the arch-shaped protein were used to develop consensus sequences. These sequences contained conserved sequence motifs that are likely to be related to structural and functional features of the protein. Peptides representative for the consensus sequences were synthesized by microwave-assisted solid phase peptide synthesis and purified by RP-HPLC, with purities higher than 95 mol%. After confirming the desired masses by MALDI-TOF-MS, the primary structure of each peptide was investigated by 1H and 2D NMR, from which a full assignment of the chemical shifts was obtained. The characterization of the peptides conformation in solution was performed by CD spectroscopy, which demonstrated that using TFE, the peptides from the outer surface of decorin show a high propensity to fold into helical structures as observed in the original protein. To the contrary, the peptides from the inner surface did not show propensity to form stable secondary structure. The investigation of the binding capability of the peptides to Collagen I was performed by surface plasmon resonance analyses, from which all but one of the peptides representing the inner surface of decorin showed binding affinity to collagen with values of dissociation constant between 2•10-7 M and 2.3•10-4 M. On the other hand, the peptides representative for the outer surface of decorin did not show any significant interaction to collagen. This information was then used to develop experimental demonstration for the binding capabilities of the peptides from the inner surface of decorin to collagen even when used in more complicated situations close to possible appications. With this purpose, the peptide (LRELHLNNN) which showed the highest binding affinity to collagen (2•10-7 M) was functionalized with an N-terminal triple bond in order to obtain a peptide dimer via copper(I)-catalyzed cycloaddition reaction with 4,4'-diazidostilbene-2,2'-disulfonic acid. Rheological measurements showed that the presence of the peptide dimer was able to enhance the elastic modulus (G') of a collagen gel from ~ 600 Pa (collagen alone) to ~ 2700 Pa (collagen and peptide dimer). Moreover, it was shown that the mechanical properties of a collagen gel can be tailored by using different molar ratios of peptide dimer respect to collagen. The same peptide, functionalized with the triple bond, was used to obtain a peptide-dye conjugate by coupling it with N-(5'-azidopentanoyl)-5-aminofluorescein. An aqueous solution (5 vol% methanol) of the peptide dye conjugate was injected into a collagen and a hyaluronic acid (HA) gel and images of fluorescence detection showed that the diffusion of the peptide was slower in the collagen gel compared to the HA gel. The third experimental demonstration was gained using the peptide (LSELRLHNN) which showed the lower binding affinity (2.3•10-4 M) to collagen. This peptide was grafted to hyaluronic acid via EDC-chemistry, with a degree of functionalization of 7 ± 2 mol% as calculated by 1H-NMR. The grafting was further confirmed by FTIR and TGA measurements, which showed that the onset of decomposition for the HA-g-peptide decreased by 10 °C compared to the native HA. Rheological measurements showed that the elastic modulus of a system based on collagen and HA-g-peptide increased by almost two order of magnitude (G' = 200 Pa) compared to a system based on collagen and HA (G' = 0.9 Pa). Overall, this study showed that the synthetic peptides, which were identified from decorin, can be applied as potential building blocks for biomimetic materials that function via biological recognition. / In dieser Arbeit wird das Design, die Synthese und Analyse neuer molekularer Bausteine für Biomaterialien basierend auf synthetischen, von Decorin abgeleiteten Peptiden beschrieben. Diese Peptide sind deshalb als Baustein für polymer-basierte Biomaterialien von besonderem Interesse, da sie die extrazelluläre Matrix (ECM) auf molekularer Ebene nachempfinden und spezifische, biologische wichtige Interaktionen für technische Anwendungen nutzbar machen. Das Alignment multipler Sequenzen der internen Repeats von Decorin, die jeweils die innere bzw. äußere Seite des sichelförmigen Decorins bilden, wurde genutzt, um Konsensus-Sequenzen zu definieren. Diese Sequenzen beinhalten stark konservierte Sequenzmotive, die wahrscheinlich wichtig für Struktur und Funktion des Proteins sind. Ausgewählte Peptide, die repräsentativ für die Konsensus-Sequenzen sind, wurden dann mittels Mikrowellen unterstützter Festphasensynthese synthetisiert und mit RP-HPLC aufgereinigt, so dass Peptide mit Reinheiten ≥ 95 mol% erhalten wurden. Die Peptide wurden per MALDI-TOF-MS sowie 1D und 2D NMR Spektroskopie charakterisiert, wobei die Zuordnung der chemischen Verschiebungen zu einzelnen Protonen und Kohlenstoffen aus den 2D NMR Experimenten erfolgte. In Lösung wurden die Peptide zudem mit CD Spektroskopie untersucht, wobei gezeigt werden konnte, dass nur Peptide, die von der äußeren Seite des Decorins abgeleitet wurden, sich durch Zugabe von 2,2,2-Trifluorethanol zu α-Helices falten. Diese Faltung ist auch in der Röntgenstruktur bei den korrespondierenden Abschnitten zu finden. Im Gegensatz dazu zeigten Peptide, die von der inneren Seite des Decorins abgeleitet wurden, keine stabilen Sekundärstrukturen in Lösung (β-Faltblattstruktur in der Röntgenstruktur). Bindungsstudien der Peptide zu Kollagen I wurden mit Oberflächenplasmonenresonanz durchgeführt, wobei gezeigt werden konnte, dass alle bis auf ein Peptid, die von der innneren Seite abgeleitet wurden, an Kollagen mit Dissoziationskonstanten von 2•10-7 M bis 2.3•10-4 M binden, während Peptide, die für die äußere Seite von Decorin repräsentativ sind, keine Bindung an Kollagen I zeigten. Diese Information wurde genutzt, um experimentelle Demonstrationsobjekte dieser Interaktion in komplexeren, einer späteren Anwendung näheren Situation, zu entwickeln. Dazu wurde das Peptide LRELHLNNN, welches die stärkste Bindung zu Kollagen I zeigte (KD = 2•10-7 M), N-terminal mit einer Alkinbindung funktionalisiert, so dass durch Kupfer (I) katalysierte Reaktion mit 4,4'-Diazidostilben-2,2'-disulfonsäure ein Peptid-Dimer erhalten werden konnte. Rheologische Untersuchungen zeigten, dass durch Zugabe des Peptid-Dimers der Elastizitätsmodul G' von Kollagen-Gelen von ~ 600 Pa (nur Kollagen) auf ~ 2700 Pa (Kollagen und Peptide-Dimer) gesteigert werden konnte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Veränderung der mechanischen Eigenschaften der Gele durch Veränderung des Kollagen:Peptid-Dimer Verhältnisses angepasst werden konnten. Das gleiche, mit einer Alkin-Bindung funktionaliserte Peptid wurde dann zur Darstellung eines Peptid-Fluorescein Konjugats genutzt, indem es mit N-(5'-azidopentanoyl)-5-aminofluorescein umgesetzt wurde. Eine wässrige Lösung des Peptid-Farbstoff-Konjugats wurde dann in Kollagen- bzw. Hyaluronsäuregele injiziert. Die Diffusion des Peptid-Farbstoff-Konjugats war in Kollagengelen im Vergleich zu Hyaluronsäuregelen deutlich verlangsamt. Das dritte Demonstrationsobjekt wurde erhalten, indem das Peptid LSELRLHNN, welches die geringste Bindung an Kollagen zeigte (KD = 2.3•10-4 M), auf Hyaluronsäure (HA) gegrafted wurde. Die Reaktion wurde durch Carbodiimid-mediierte Kupplung erreicht, und ein Funktionalisierungsgrad von 7 ± 2 mol% wurde durch Integration der 1H-NMR Spektren bestimmt. Das erfolgreiche Grafting wurde durch FTIR- und TGA-Untersuchungen bestätigt. In letzteren wurde gezeigt, dass der thermische Abbau durch das Grafting bei etwas niedrigeren Temperaturen beginnt als der Abbau reiner Hyaluronsäure (ΔT = 10 °C). Rheologische Untersuchungen zeigten, dass ein System aus Kollagen und HA-g-Peptid ein um zwei Größenordnungen höheren Elastizitätsmodul G' hat (G' = 200 Pa) als Systeme, die aus einer physikalischen Mischung von Kollagen und HA bestehen (G' = 0.9 Pa). Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Peptide, die von Decorin abgeleitet wurden, als Kollagen-bindende Bausteine für biomimetische Materialien genutzt werden können.

The appropriate lipid environment is crucial for the proper function of membrane proteins. There is a tremendous variety of lipid molecules in the membrane and so far it is often unclear which component of the lipid matrix is essential for the function of a respective protein. Lipid molecules and proteins mutually influence each other; parameters such as acyl chain order, membrane thickness, membrane elasticity, permeability, lipid-domain and annulus formation are strongly modulated by proteins. More recent data also indicates that the influence of proteins goes beyond a single annulus of next-neighbor boundary lipids. Therefore, a mesoscopic approach to membrane lipid-protein interactions in terms of elastic membrane deformations has been developed. Solid-state NMR has greatly contributed to the understanding of lipid-protein interactions and the modern view of biological membranes. Methods that detect the influence of proteins on the membrane as well as direct lipid-protein interactions have been developed and are reviewed here. Examples for solid-state NMR studies on the interaction of Ras proteins, the antimicrobial peptide protegrin-1, the G protein-coupled receptor rhodopsin, and the K+ channel KcsA are discussed.

The phenolic compounds as food components represent the largest group of secondary metabolites in plant foods. The phenolic compounds, e.g. chlorogenic acid (CQA), are susceptible to oxidation by enzymes specially, polyphenol oxidase (PPO) and at alkaline conditions. Both enzymatic and non-enzymatic oxidations occur in the presence of oxygen and produce quinone, which normally further react with other quinone to produce colored compounds (dimers), as well as is capable of undergoing a nucleophilic addition to proteins. The interactions of proteins with the phenolic compounds have received considerable attention in the recent years where, plant phenolic compounds have drawn increasing attention due to their antioxidant properties and their noticeable effects in the prevention of various oxidative stress associated diseases. Green coffee beans are one of the richest sources of chlorogenic acids. Therefore, a green coffee extract would provide an eligible food relevant source for phenolic compounds for modification of proteins. The interaction between 5-CQA and amino acid lysine showed decrease in both free CQA and amino acid groups and only a slight effect on the antioxidative capacity depending on the reaction time was found. Furthermore, this interaction showed a large number of intermediary substances of low intensities. The reaction of lysine with 5-CQA in a model system initially leads to formation of 3-CQA and 4-CQA (both are isomers of 5-CQA), oxidation giving rise to the formation of a dimer which subsequently forms an adduct with lysine to finally result in a benzacridine derivative as reported and confirmed with the aid of HPLC coupled with ESI-MSn. The benzacridine derivative containing a trihydroxy structural element, was found to be yellow, being very reactive with oxygen yielding semiquinone and quinone type of products with characteristic green colors. Finally, the optimal conditions for this interaction as assessed by both the loss of CQA and free amino groups of lysine can be given at pH 7 and 25°C, the interaction increasing with incubation time and depending also on the amount of tyrosinase present. Green coffee bean has a higher diversity and content of phenolics, where besides the CQA isomers and their esters, other conjugates like feruloylquinic acids were also identified, thus documenting differences in phenolic profiles for the two coffee types (Coffea arabica and Coffea robusta). Coffee proteins are modified by interactions with phenolic compounds during the extraction, where those from C. arabica are more susceptible to these interactions compared to C. robusta, and the polyphenol oxidase activity seems to be a crucial factor for the formation of these addition products. Moreover, In-gel digestion combined with MALDI-TOF-MS revealed that the most reactive and susceptible protein fractions to covalent reactions are the α-chains of the 11S storage protein. Thus, based on these results and those supplied by other research groups, a tentative list of possible adduct structures was derived. The diversity of the different CQA derivatives present in green coffee beans complicates the series of reactions occurring, providing a broad palette of reaction products. These interactions influence the properties of protein, where they exposed changes in the solubility and hydrophobicity of proteins compared to faba bean proteins (as control). Modification of milk whey protein products (primarily b-lactoglobulin) with coffee specific phenolics and commercial CQA under enzymatic and alkaline conditions seems to be affecting their chemical, structural and functional properties, where both modifications led to reduced free amino-,thiol groups and tryptophan content. We propose that the disulfide-thiol exchange in the C-terminus of b-lactoglobulin may be initiated by the redox conditions provided in the presence of CQA. The protein structure b-lactoglobulin thereupon becomes more disordered as simulated by molecular dynamic calculation. This unfolding process may additionally be supported by the reaction of the CQA at the proposed sites of modification of -amino groups of lysine (K77, K91, K138, K47) and the thiol group of cysteine (C121). These covalent modifications also decreased the solubility and hydrophobicity of b-lactoglobulin, moreover they provide modified protein samples with a high antioxidative power, thermally more stable as reflected by a higher Td, require less amount of energy to unfold and when emulsified with lutein esters, exhibit their higher stability against UV light. The MALDI-TOF and SDS-PAGE results revealed that proteins treated at alkaline conditions were more strongly modified than those treated under enzymatic conditions. Finally, the results showed a slight change in emulsifying properties of modified proteins. / Für die Verbesserung von Nahrungsmitteleigenschaften können Modifikationen an verschiedenen Inhaltsstoffen vorgenommen werden. Beispielsweise werden bereits Proteine miteinander verknüpft und bilden sogenannte „Crosslinks“ oder vernetzte Biomoleküle. Diese werden für die Herstellung fester, viskoelastischer Produkte, die zum Verdicken als auch zum Stabilisieren von Emulsionen oder Schäumen eingesetzt werden, genutzt. Da die Verbraucher sich Zunehmens mit gesundheitsfördernden Lebensmitteln befassen, ist das Einbringen von gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen wie z.B. phenolische Verbindungen, immer mehr in den Fokus der Forschung gerückt. Demnach ist das wissenschaftliche Bestreben phenolische Verbindungen in die Vernetzung von Proteinen mit einzubeziehen und deren positive Wirkungen (antioxidativ) auszunutzen, vorteilhaft. Als Phenole werden Verbindungen bezeichnet, die eine oder mehrere Hydroxygruppen am Benzolring aufweisen. Phenole liegen in der Enolform vor, da diese, bedingt durch den Erhalt des aromatischen Benzolringes, energetisch begünstigt ist. Kaffeesäure ist eine Hydroxyzimtsäure und in Kaffeebohnen zu finden. Der am häufigsten anzutreffende Ester besteht aus Kaffee- und Chinasäure. Der einfachste Vertreter ist die Chlorogensäure (5-Caffeoylchinasäure, 5-CQA), die in vielen Pflanzenteilen enthalten ist. Chlorogensäure und ihre Derivate besitzen ebenfalls antioxidative Eigenschaften. Zusätzlich wirken sie auf Enzyme, die an entzündlichen- oder allergischen Reaktion teilnehmen, inhibierend. Während Verarbeitungs- und Lagerungsprozessen können phenolische Komponenten pflanzlicher Lebensmittel mit den Aminosäuren der Proteine in Lebensmitteln reagieren. Solche Reaktionen können die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Proteinen verändern und deren ernährungsphysiologische Wertigkeit vermindern. Proteine weisen verschiedene reaktive Seitengruppen (Sulfhydryl-, Hydroxyl-, Aminogruppen) auf, mit denen sie über kovalente und nicht-kovalente Wechselwirkungen mit Phenolen Verbindungen eingehen können. Zu den nicht-kovalenten Verbindungen gehören u. a. Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen und Ionenbindungen. Phenole (z.B. Chlorogensäuren) können bei Anwesenheit von Sauerstoff enzymatisch bzw. nichtenzymatisch oxidiert werden. Die Reaktionsprodukte (Chinone) bilden anschließend mit reaktiven Thiol- bzw. Aminogruppen von Proteinen Addukte. Die Erfassung dieser verschiedenen Facetten von Interaktionen stellt somit die primäre Forschungsaufgabe im Rahmen dieser Arbeit. Die primäre Aufgabe der vorliegenden Arbeit besteht demzufolge in der Etablierung der Analysen- und der Charakterisierungsmöglichkeiten solcher Wechselwirkungen (Bindung) pflanzlicher Verbindungen bzw. deren Reaktionsprodukten mit Proteinen u.a. über massenspektrometrische Methoden. Da die Wechselwirkung mit Proteinen auch zu Veränderungen der Proteinstruktur führt, können deren funktionelle Eigenschaften auch verändert sein. Dies soll anhand der Messung von isolierten Proteinen die an der Wechselwirkung beteiligt sind, nachgewiesen werden. Anschließend sollen über Docking-Untersuchungen die entsprechenden Bindungsstellen näher charakterisiert werden. Durch die vorliegenden Ergebnisse wurden mögliche Reaktionen von phenolischen Verbindungen mit Proteinen, näher charakterisiert. Es wurde festgestellt, dass die Apfelsorte Braeburn über die höchste PPO- Enzymaktivität beim gleichzeitigen niedrigen CQA Gehalt im Vergleich zu den anderen untersuchten Sorten verfügt. Die PPO/Tyrosinase modulierte Reaktionen zwischen CQA und Lysine wurden in Abhängigkeit der vorherrschenden Bedingungen optimiert und die Reaktionsprodukte analysiert. In dem zweiten Teil wurden solche Reaktionsmöglichkeiten in den Grünen Kaffeebohnen lokalisierte und modelliert. Dazu wurden die sortenabhängige CQA-Zusammensetzung ermittelt und die möglichen Reaktionen mit den Hauptspeicherproteinen des Kaffees dargestellt. Im letzten Teil wurden dann diese Reaktionen mit Molkenproteinen simuliert und Einflüsse auf die Struktur und die funktionellen Eigenschaften erfasst. Die Ergebnisse belegen eine umfangreiche und sehr heterogene Adduktbildung mit den Aminoseitenketten des Lysins und Cysteins. Ein Katalog der unterschiedlichen Reaktionsprodukte wurde erstellt und am Protein modelliert. Die entsprechende Veränderung an die Proteinstruktur wurde experimentell belegt und der Einfluss wurde in den technofunktionelle Eigenschaften (wie die Löslichkeit, Emulgierbarkeit usw.) wiederspiegelt. Ein Anstieg des antioxidativen Potentials der Proteine wurde erreicht und diese so modifizierten Proteine wurden weiter zur Stabilisierung und Produktentwicklung getestet. Die ersten Ergebnisse eröffnen Nutzungsmöglichkeiten der modifizierten Proteine zur Verkapselung von bioaktiven Sekundären Pflanzenstoffen.

Lecithin wird unter anderem zur Steuerung der rheologischen Eigenschaften von Lebensmittelsuspensionen wie zum Beispiel Schokolade eingesetzt. In erster Linie findet dabei Sojalecithin Verwendung, wogegen die Wirkungen von Lecithinen aus Sonnenblumen oder Raps unzureichend dokumentiert sind. Anhand von Untersuchungen an Modellsuspensionen werden Wirkungsbeziehungen von Lecithin auf mikrostruktureller Ebene beleuchtet, um Ursachen für dessen Funktionalität in ölbasierten Suspensionen abzuleiten. Darüber hinaus erfolgt ein Vergleich der Wirkung von Soja-, Raps- und Sonnenblumenlecithin auf rheologische, sensorische und morphologische Eigenschaften von Schokolade. Rheologische Untersuchungen an Zucker/Öl- und Glaskugel/Öl-Suspensionen verdeutlichen den Einfluss der Suspensionsbestandteile auf die Wirkung von Lecithin in ölbasierten Suspensionen. Sedimentationsanalysen an Zucker/Öl-Suspensionen zeigen, dass die Reduktion der rheologischen Parameter mit der Senkung des Sedimentvolumens und einer verstärkt polydispersen Sedimentation einhergeht. Glaskugel/Öl-Suspensionen bilden im Vergleich zu Zucker/Öl-Suspensionen ein deutlich kompakteres Sediment, was auf geringer ausgeprägte Interaktionen zwischen den Glaspartikeln hindeutet und durch Untersuchungen mittels Rasterkraftmikroskop bestätigt wird. Die Anreicherung des Dispersionsmediums mit Lecithin führt zur Adsorption von grenzflächenaktiven Molekülen an der fest/flüssig-Grenzfläche und reduziert die adhäsiven Kräfte zwischen Zuckeroberflächen. In Zucker/Sojaöl-Suspensionen zeigen die Phospholipide Phosphatidsäure, Phosphatidylcholin und Phosphatidylethanolamin im Vergleich zu Sojalecithin eine geringer ausgeprägte Funktionalität bei kleinen Phospholipidkonzentrationen. Soja-, Raps- und Sonnenblumenlecithine besitzen in dunkler und in milchhaltiger Schokoladenmasse lediglich hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Fließgrenze leichte Unterschiede. Die Präparate zeigen keine verallgemeinerbaren Wirkunterschiede auf die Fettkristallmorphologie und die Textur von gelagerter dunkler und milchhaltiger Schokolade. Des Weiteren lassen sensorische Untersuchungen keine signifikant ausgeprägte Präferenz für dunkle oder milchhaltige Schokolade erkennen, wenn die Probe mit Soja-, Raps- oder Sonnenblumenlecithin versetzt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reduktion der adhäsiven Kräfte zwischen Zuckerpartikeln eine Ursache für die Senkung der rheologischen Parameter und des Sedimentvolumens von Zucker/Öl-Suspensionen darstellt. Außerdem ist zu erkennen, dass bei geringen Phospholipidkonzentrationen synergetische Effekte zwischen unterschiedlichen grenzflächenaktiven Substanzen zu einem Anstieg der Funktionalität des eingesetzten Präparates führen können. Darüber hinaus ist festzustellen, dass Soja-, Raps- und Sonnenblumenlecithin die rheologischen, sensorischen und morphologischen Eigenschaften von Schokolade in gleichem Maß beeinflussen. / Lecithin is used in the food industry, for example to control the rheological properties of oil-based suspensions, such as chocolate. First and foremost, soybean lecithin is used, whereas the effects of possible alternatives, such as lecithin from sunflower or canola, are still insufficient documented. On the basis of model suspensions the effect of lecithin on the microstructural level will be investigated to derive causes of the functionality of the surfactant in oil-based suspensions. Additionally, a comparison is made regarding the effects of soybean lecithin, canola lecithin and sunflower lecithin on the rheological and morphological properties as well as on sensory characteristics of chocolate. Rheological studies illustrate the influence of the suspension components to the action of lecithin in oil-based suspensions. While, in sugar/oil-suspensions, lecithin reduces apparent viscosity and yield stress, the effect of the surfactant in glass sphere/oil-suspensions depends on the dispersion medium. Sedimentation analyses of sugar/oil-suspensions show that the reduction of the rheological parameters coincides with the reduction of the sediment volume and an increased polydisperse sedimentation. The sediment of glass sphere/oil-suspensions is more compact in comparison to sugar/oil-suspensions, indicating less pronounced interactions between glass spheres. Investigations using atomic force microscopy show the less pronounced interactions between glass spheres. While interactions (adhesive forces) are detectable between sugar surfaces dispersed in oil, no interactions can be determined between glass surfaces. The enrichment of the dispersion medium with lecithin results in the adsorption of the surfactants at the sugar surface and reduces the adhesive forces. In sugar/soybean oil suspensions and at low phospholipid concentrations the results indicate a less pronounced functionality of the individual phospholipids, phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and phosphatidic acid in comparison to soybean lecithin. In dark chocolate and milk chocolate soybean lecithin, canola lecithin and sunflower lecithin reduces apparent viscosity at low to medium shear rate in the same way. In contrast, small differences in terms of their effect on the yield stress are observed. The lecithins do not show differences regarding their impact on fat crystal morphology and texture of stored dark chocolate and milk chocolate. Furthermore, in sensory studies, no significant preference differences were detectable in case of dark chocolate or milk chocolate containing soybean lecithin, canola lecithin or sunflower lecithin. The results show that the reduction of the adhesive forces between sugar particles causes the reduction of rheological parameters and the sediment volume of sugar/oil-suspensions. Furthermore, at low phospholipid concentrations possible synergistic effects between different surfactants can lead to an increase of the functionality of suractants. Additionally it can be concluded that soybean lecithin, canola lecithin and sunflower lecithin affect the rheological and morphological properties as well as the sensory characteristics of chocolate in equal measure.

The German Government’s Integrated Energy and Climate Programme (IEKP) and the National Biomass Action Plan set ambitious targets for the further development of bioenergy until 2020. The share of energy from biomass is supposed to reach 8 % and 9.7 % of the total power consumption and of the total heat usage, respectively. The share of biofuels on the total consumption of fuels for transportation should rise up to 12 % (energetic) by 2020. This project aims to assess the possibilities of achieving the IEKP targets for bioenergy in a regional and global context. On a regional as well as global level, the potentials of different biomasses were determined in different development scenarios until 2020. Furthermore, the extent to which remote sensing could contribute in improving the spatial specification of biomass resources and whether it could be used as a monitoring system for the early detection of land use changes was investigated. On the regional level, the spatial implications of energetic biomass use was analysed with regard to environmental impacts and land use conflicts. Depending on their significance of spatial impacts, instruments of spatial planning were assessed in order to steer the supply of bioenergy. [... from Executive Summary]