Universität Stuttgart
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Item Open Access Interrelationships of microstructure, stress and diffusion(2008) Kuru, Yener; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)Extensive research has been performed on thin metal films due to their interesting mechanical, electrical and magnetic properties. They can exhibit very high residual, internal stresses arising from the film growth and/or external effects. Apart from direct mechanical consequences, several processes such as grain growth and diffusion can be affected by these stresses and their gradients. As a result, it is of cardinal importance to measure and control the residual stresses in thin films. X-ray diffraction (XRD) is one of the most frequently used approaches for (residual) stress measurement. It is non-destructive, highly accurate (stress (variation) of some MPa can be detected) and the stress states of all crystalline phases in a layered structure can be obtained separately. Moreover, additional microstructural information, as the crystallographic texture, the density of crystalline defects, such as dislocations, and the crystal size can be acquired from the collected XRD data. This thesis is dedicated to the investigation of microstructural changes, residual stresses and interdiffusion in thin films by in-situ XRD. A focal point of interest is methodological aspects of in-situ measurements, which are discussed in detail in Chapter 2 and come to application in the following Chapters 3 and 4.Item Open Access Microarray and molecular genetic analysis of aberrant splicing in human drug metabolizing cytochromes P450 CYP2D6 and CYP2B6(2008) Hofmann, Marco Hans; Schmid, Rolf (Prof. Dr.)This study was devoted to the detection of alternative splicing within the Cytochrome P450 enzymes 2D6 and 2B6, mapping of the most common splice variants and to draw connections to certain single nucleotide polymorphisms (SNPs) and alleles. For both enzymes a splicing sensitive microarray was developed. The microarray was produced and optimized in all steps including the oligonucleotide probe design, microarray processing and target preparation, optimization of hybridization conditions and the development of a new data quantification method for the used probe design. For the developed splicing platform a design was chosen based on 5 different probes. Within the CYP2D6 gene it was known that the SNP 2988G>A (allele *41) in intron 6 shifts splicing towards a variant lacking exon 6, what explains the intermediate phenotype within allele *41. The splicing platform verified this splicing aberration in allele *41. Using the microarry specific splicing patterns were monitored in human liver tissue within the most common alleles of CYP2D6 *1, *2, *4 and *41. It could be observed that within mRNA from allele *41 carriers additionally to the known transcript variant, which is lacking exon 6, total or partial retention of intron 5 and 6 was enhanced. Transcript patterns of CYP2D6*1 and *2 were similar with 5 times higher amount of the full functional transcript (NP), including all nine exons, compared to allele *41. The splicing array showed to be a valuable tool not only for detection of splicing variants in human liver tissue but additionally for detection for allele specific splicing patterns. The existence of highly homologous Cytochrome P450 pseudogenes, which in some cases, as in CYP2D7 also express alternative splicing variants, results in a major problem of interpreting the data from splicing arrays. The developed splicing platform is the first existing array with which gene and pseudogene specific transcript patterns can be monitored individually. The microarray platform can be easily transferred to other genes as shown for the second gene CYP2B6. Alternative splicing in this gene was so far only reported descriptive. CYP2B6 is a polymorphic human drug metabolizing cytochrome P450 with clinical relevance for several drug substrates including cyclophosphamide, bupropion and efavirenz. The common allele CYP2B6*6 [c. 516G>T, Q172H and c.785A>G, K262R] has previously been associated with lower expression in human liver and with increased plasma levels of efavirenz in HIV patients, but the molecular mechanism has remained unclear. With the developed splicing array for CYP2B6 allele specific splicing patterns were observed comparing CYP2B6*6 and CYP2B6*1. This lead to the idea that alternative splicing might play an important role in allele *6. This was investigated in more detail using RNA originating from well-documented human liver tissue. Analysis of mRNA in this tissue demonstrated that additional unknown splicing variants exist (SV8, SV7, SV9). Investigations in human liver tissue using RT-PCR and sequencing showed that the most common transcript in CYP2B6*6 was not the normal transcript (NP) but an alternative splicing transcript lacking exons 4 to 6 (SV1). SV1 was tightly associated with the allele*6 and apparently also with the rare variant c.777C>A (CYP2B6*3). The observations lead to the assumptions that alternative splicing might explain the decreased function observed in allele CYP2B6*6. Further investigations in this direction were performed by cloning CYP2B6 minigene constructs including all nine exons and additional intronic regions. Minigenes carrying the single c.785A>G polymorphism or the rare c.777C>A variant resulted in normal and intermediate expression phenotypes, respectively. In conclusion, the mechanism of the common allele*6 involves predominantly a pretranslational mechanism resulting in decreased enzyme expression. Aberrant splicing is leading to reduce functional mRNA, protein and activity. These results establish the SNP c.516G>T, a nonsynonymous exonic mutation, as the causal sequence variation for severely decreased expression and function associated with CYP2B6*6. This work emphasizes the role of SNPs in non-consensus splicing elements such as exonic and intronic splicing enhancers as well as the clinical relevance of alternative splicing in context of adverse drug reactions. In both investigated genes CYP2D6 as well as in CYP2B6 there exists a common allele (CYP2D6*41 and CYP2B6*6, respectively) in which aberrant splicing results in reduced amounts of functional transcript, reduced amount of protein and enzyme activity. The findings establishes the SNP c.516G>T as the causal sequence variation that can now be reliably used in pharmacogenetic studies in various clinical settings including prediction of drug plasma concentration, toxicity, drug effectiveness and dose adjustment.Item Open Access Mikroskopische Thermodynamik kolloidaler Teilchen(2008) Blickle, Valentin; Bechinger, Clemens (Prof.)Einhergehend mit der industriellen Revolution des 19. Jahrhunderts entwickelte sich ein neues eigenständiges Teilgebiet der Physik, die Thermodynamik. Im Mittelpunkt des Interesses standen damals Wärmekraftmaschinen und das Verständnis der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit. Im Rahmen der Thermodynamik lassen sich auch chemische Reaktionen oder biologische Prozesse beschreiben. Dabei bleibt sie auf große Systeme beschränkt, wo eine Vielzahl von inneren Freiheitsgraden dazu führt, dass Fluktuationen vernachlässigt werden können. Mit zunehmender Verfeinerung und Miniaturisierung der physikalischen Prozesse im allgemeinen und der damit verbundenen Ausdifferenzierung der Manipulations- und Messmethoden erlebte das Interesse an thermodynamischen Prozessen - diesmal auf mikroskopischer Ebene - eine Renaissance. Richtungsweisend für diese Verfeinerung sind vor allem Kraftmikroskopie und optische Pinzetten, die es erlauben, Systeme auf einer Nanometer-Skala zu untersuchen. Von Bedeutung sind hierbei biologische Maschinen, Makromoleküle, oder auch miniaturisierte mechanische Bauelemente. Typischerweise sind die charakteristischen Energieskalen dieser Systeme von der Größenordnung her vergleichbar mit der thermischen Energie, so dass Fluktuationen nicht vernachlässigt werden können. Als weitere Kategorie von mesoskopischen Systemen stehen kolloidale Partikel im Blickpunkt dieser Arbeit. Diese in einem Lösungsmittel suspendierte Teilchen erweisen sich dabei als ideale Objekte, um die statistischen Eigenschaften kleiner Systeme zu untersuchen. Hierbei kombinieren kolloidale Systeme zwei Vorteile. Erstens spielen sich die Fluktuationen auf einer Längenskala ab, auf der sie mittels optischer Mikroskopie beobachtet werden können. Zweitens können Wechselwirkungen in kolloidalen Systemen durch Zugabe von Ionen bzw. Polymeren maßgeschneidert werden. Die Wechselwirkung der Kolloidpartikel mit externen Feldern bietet eine weitere Möglichkeit der Manipulation. Dabei eröffnen Laserpinzetten die Möglichkeit, durch Einstellung externer Parameter wie Intensität, Position, Polarisation etc., das System auf einer mikroskopischen Skala schnell und reproduzierbar von außen zu manipulieren. Diese Arbeit wendet sich der experimentellen Überprüfung der stochastischen Thermodynamik zu. In einem ersten Experiment befindet sich das untersuchte Kolloidteilchen vor einer Glasoberfläche und wird von zwei koaxialen antiparallelen optischen Pinzetten festgehalten. Mit Hilfe dieser kann das Partikel aus dem Gleichgewicht heraus getrieben werden, gleichzeitig wird dessen Position durch evaneszente Lichtstreumikroskopie (TIRM, engl.: Total Internal Reflection Microscopy) mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung verfolgt. Sowohl die geleistete Arbeit W als auch die ins Wärmebad übertragene Wärme Q können aus der gemessenen Partikeltrajektorie direkt berechnet werden. Somit bringt dieses Experiment den Nachweis, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik auch für fluktuierende Größen erfüllt ist. Charakteristisch ist jetzt nicht mehr der Wert einer Einzelmessung W, sondern die Verteilung p(W), die man erhält, wenn über viele Messungen gemittelt wird. Den theoretischen Vorhersagen entsprechend ist diese Verteilung asymmetrisch und nicht Gauß'sch. Dennoch zeigen die Experimente, dass sowohl die Jarzynski-Relation als auch das das detaillierte Fluktuationstheorem erfüllt sind. In einem zweiten Experiment wird ein Kolloidteilchen mit Hilfe einer rotierenden Laserpinzette so getrieben, dass es sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Kreisbahn bewegt. Durch Modulation der Laserleistung wird ein zusätzliches schwaches sinusförmiges Potential V entlang der Kreisbahn erzeugt. Der so generierte stationäre Nichtgleichgewichtszustand wird zwar wie ein Gleichgewichtszustand durch eine zeitunabhängige Wahrscheinlichkeitsverteilung charakterisiert, besitzt im Gegensatz zu diesem jedoch einen nicht verschwindenden Strom, permanent wird Energie ins Wärmebad abgegeben. Dies führt zur Verletzung des Boltzmann-Faktors, der im Gleichgewicht das Potential mit der stationären Wahrscheinlichkeitsverteilung verknüpft. Unter Berücksichtigung des Stromes leiten wir eine Erweiterung des Boltzmann-Faktors her, so dass das Potential auch unter stationären Nichtgleichgewichtsbedingungen direkt aus der stationären Wahrscheinlichkeitsverteilung berechnet werden kann. Die diffusive Bewegung des Kolloidpartikels in einem gekippten periodischen Potential unterscheidet sich fundamental von der Brown'schen Bewegung im thermischen Gleichgewicht, wo ein zusätzliches Potential V immer die Diffusionsbewegung eines freien Teilchens einschränkt. Im stationären Nichtgleichgewicht kann diese durch die Anwesenheit eines Potentials verstärkt werden. Wie die Experimente zeigen, durchläuft der Diffusionskoeffizient als Funktion der treibenden Kraft ein Maximum. In dem als Giant Diffusion bekannten Phänomen übersteigt, in guter Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, der gemessene Diffusionskoeffizient seinen Gleichgewichtswert um das Fünffache. Die beobachtete Kraftabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten hat weitreichende Konsequenzen. Die für das Gleichgewicht so fundamentale Einstein-Relation ist im stationären Nichtgleichgewicht nicht mehr gültig. Die Experimente zeigen eine Abweichung von fast einer Größenordnung. Wir zeigen, dass durch Addition einer Geschwindigkeitskorrelationsfunktion die Einstein-Relation korrigiert werden kann. Deren Gültigkeit umfasst dann auch wieder stationäre Nichtgleichgewichtszustände.Item Open Access The active subunits of the 20S Proteasome in Saccharomyces cerevisiae : mutational analysis of their specificities and a C-terminal extention(2008) Estiveira, Rui José Cabrita; Heinemeyer, Wolfgang (PD Dr.)The proteasome is a large multi-subunit complex ubiquitous in eukaryotes and archaebacteria. It contains proteolytic subunits that function simultaneously to digest protein substrates into oligopeptides. In eukaryotic cells, it is involved in the removal of abnormal, misfolded or incorrectly assembled proteins, but additionally it has regulatory functions. For example it is responsible for the degradation of cyclins in cell-cycle control and for the destruction of transcription factors or metabolic enzymes in metabolic adaptation. Finally, the proteasome is also involved in MHC (major histocompatibility complex) class I mediated cellular immune response. These cellular functions are linked to an ubiquitin- and ATPrequiring protein degradation pathway involving the 26S proteasome whose proteolytic core is formed by the 20S proteasome. The 20S proteasome has a cylindrical shape and is composed of four rings, each formed by seven α- or seven β-subunits and stacked in the order αββα. In eukaryotic cells, the 20S proteasome is composed of two copies of 14 different subunits, 7 distinct α-type and 7 distinct β-type subunits. Only three of the β-type subunits are proteolytically active and have N-terminal threonine residues acting as nucleophiles. They differ in their major specificities: β5/Pre2, β2/Pup1 and β1/Pre3 are classified as having "chymotrypsin-like", "trypsin-like" and "peptidylglutamyl peptide hydrolysing" (PGPH or caspase-like) activities, respectively. This classification is based on the preferred amino acid residues found at the site of hydrolysis in peptide or protein substrates. These three active β-type subunits have a fixed location in the proteasome, with the two β5/Pre2 copies separated from the clustered β2/Pup1 and β1/Pre3 subunits. In yeast a hierarchy of individual subunit activities for proteasomal function was established: β5/Pre2>> β2/Pup1 > β1/Pre3. Part of this work aimed at clarifying whether this hierarchy is solely dependent on the specificities or whether topological conditions lead to the dominance of the β5/Pre2 activity over the others, which could involve inter-subunit communication mediated by interjacent inactive β-subunits. Stepwise site-directed mutagenesis of key residues forming the substrate binding pockets was used to swap specificities between the yeast β5/Pre2 and β1/Pre3 active sites. Consequences of these mutations were then analysed in regard to maturation of the modified subunits, their specificities towards peptide substrates diagnostic for chymotrypsin-like and PGPH activity and changes in their rank in the hierarchy of functional importance. By mutating the key residue methionine 45 into an arginine, the β5/Pre2 was able to mature and showed some PGPH activity. Combinations with mutant strains, having the other active subunits inactivated, revealed that Pre2 lost its functional dominance. When other key residues were additionally replaced by those present in β1/Pre3 (A20T, V31T, I35T), instead of an further increase in PGPH activity, the β5/Pre2 subunit showed an overall decrease in activity. An unexpected exception was the pre2-M45R-I35T mutant with a strong increase in chymotrypsin-like activity. Maturation of the Pre2 subunit occurred normally like in wild-type in all combinations of mutations tested. When the residue arginine 45 was mutated into a methionine in Pre3, this subunit lost any detectable peptidase activity. Attempts to stabilise the methionine 45 by introducing strategic point mutations at residue 52 were unsuccessful. Additional alterations in the substrate binding site of β1/Pre3 (T20A, T31V, T35I) completely abolished the autolytic maturation and thus any gain of activity. Strains lacking both the Pre3 propeptide and Nα-acetyltransferase were used to confirm that the mutations result in activity loss, even when the autolytic removal of the propeptide was not required. In a second project, the role of the long C-terminal extension of the yeast β2/Pup1 subunit was examined. This 37 amino acid structure embraces the β-ring neighbor subunit β3/Pup3 and reaches the next subunit β4/Pre1. It also contacts β7/Pre6 of the opposite β-ring. Mutations of residues that could loosen contact to the surface of β3/Pup3 (Y204A, R208G and T211A) where without effect. Complete deletion of this extension or truncation of 25 residues was lethal and deletion of the last 20 amino acids caused a strong cell growth defect. When replacing the last 20 amino acids of this C-terminal extension by a FLAG tag, the growth phenotype was lost. The lethal mutations were over-expressed in wild type strains, but the mutated β2 subunits did not incorporate into proteasomes. This indicates that removal of the distal half from the β2/Pup1 C-terminal extension impedes the integration of this subunit during early assembly stages of the 20S proteasome.Item Open Access Detektion und Charakterisierung von Zellwandproteinen in Candida albicans(2008) Hiller, Ekkehard; Brunner, Herwig (Prof. Dr.)Candida albicans ist ein weit verbreiteter human pathogener Organismus, der sowohl oberflächliche wie auch systemische Infektionen verursacht. Diese treten vor allem bei Personen mit geschwächtem Immunsystem auf. Bei der Infektion spielen die Zellwand und ihre Bestandteile eine besonders wichtige Rolle. Dieses komplexe Netzwerk aus Glucan, Chitin, Mannan und Proteinen stellt die Naht¬stelle der Interaktion zwischen Wirt und Pathogen dar. In vorangegangenen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass mehrere der in dieses Netzwerk eingebundenen Proteine ausschlaggebend für die Adhäsion und die Interaktion mit dem Wirt und seinem Immunsystem sind. Hinweise auf Änderungen im Zell¬wand-Proteom während des Übergangs vom Wachstum als Blastosporen hin zu Hyphen wurden zuerst im Microarray Experimenten gefunden, und konnten später in Untersuchungen bestätigt werden, die sich auf die Zellwandproteine konzentrierten. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Proben¬vorbereitung verglichen, um die kovalent an die Zellwand gebundenen Proteine oder deren Peptide durch massen¬spektro¬metrische Methoden zu identifizieren. Trypsin, Endo¬proteinase Glu-C und Bromcyan zur Freisetzung von Proteinfragmenten wurden allein oder in Kombination verwendet und miteinander verglichen. Zusätzlich untersucht wurden die Auswirkungen einer Vor¬behandlung der Zell¬wand durch eine β-1,3-Glucanase. Die Identifikation der Peptide erfolgte mittels zweier verschiedener Massenspektrometer. Insgesamt konnten 33 Proteine in der Wachstumsform der Blastosporen identifiziert werden, sechs davon mit vorhergesagtem GPI-Anker. Im Gegensatz dazu wiesen 14 der 18 identifizierten Proteine aus Hyphen-Zellen diese spezifische Ankersequenz auf, 12 davon sind in dieser Wachstumsform transkriptionell induziert. Zwischen den verwendeten Methoden wurde eine hohe Varianz in der Zahl identifizierter Proteine, bzw. der Zahl zu einem Protein gehörender Peptide, gefunden. Zusätzlich wurden die von C. albicans in synthetische Flüssigmedien sekretierten Proteine identifiziert. Unter den sowohl von Blastosporen wie auch Hyphen sekretierten Proteinen befand sich Sun41p. In einer früheren Arbeit wurde gezeigt, dass die Transkription dieses Proteins in Hyphen induziert wird. Die SUN Gen Familie, zu der es gehört, wurde in S. cerevisiae definiert und beinhaltet eine für Pilze spezifische Familie von Proteinen die eine hohe Übereinstimmung in ihrer C-terminalen Domäne aufweisen. Gene dieser Familie sind in unterschiedliche zelluläre Prozesse wie DNS-Replikation, Alterung, mitochondriale Biogenese und Cytokinese involviert. In C. albicans gehören zwei Gene, SUN41 und SIM1, dieser Familie an. Da Sun41p als potentieller Virulenz¬faktor Ziel einer gegen Pilze gerichteten Therapie darstellen kann, wurde seine Funktion durch die Konstruktion einer SUN41 Deletionsmutante untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass C. albicans Mutanten ohne SUN41 ähnliche Defekte aufweisen wie sie auch bei entsprechenden S. cerevisiae Mutanten gefunden wurden. Dies beinhaltet unter anderem Defekte bei der Cyto¬kinese. Zusätzlich zeigten die SUN41 Mutanten eine gesteigerte Empfindlichkeit gegenüber der die Zellwand schädigende Substanz Kongorot, wohingegen bei der Anwesenheit von Calcofluor Weiß keine Veränderung beobachtbar war. Im Vergleich mit dem Wildtyp wies der SUN41 Deletions-Stamm Defekte bei der Bildung von Biofilmen auf, zeigte eine reduzierte Adhäsion auf einem epithelialen Gewebemodell und konnte unter den getesteten Bedingungen auf Festmedien keine Hyphen bilden. Die Ergebnisse deuten auf eine Funktion von Sun41p als Glycosidase hin, die an der Zellwand-Biogenese beteiligt ist und dadurch die Cytokinese, die Adhäsion am Wirtsgewebe, die Bildung von Biofilmen und die Virulenz beeinflusst. Dies weist auf eine wichtige Rolle von Sun41p bei der Interaktion des Pathogen mit dem Wirt hin.Item Open Access A domain decomposition method for the efficient direct simulation of aeroacoustic problems(2008) Utzmann, Jens; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr.)A novel domain decomposition approach is developed in this thesis, which significantly accelerates the direct simulation of aeroacoustic problems. All relevant scales must be resolved with high accuracy, from the small, noise generating flow features (e.g., vortices) to the sound with small pressure amplitudes and large wavelengths. Furthermore, the acoustic waves must be propagated over great distances and without dissipation and dispersion errors. In order to keep the computational effort within reasonable and feasible limits, the calculation domain is divided into subregions with respect to the local physical requirements. In these domains, the numerical method which is most suitable and optimized for the considered subproblem is employed. The proposed method differs from established approaches, e.g. the grid coupling is not limited to Chimera techniques but presents a consistent way for the space-time coupling of high order methods. Various domain decomposition options are examined and implemented in a common code framework. In the subdomains, the Navier-Stokes, Euler and linearized Euler equations are solved, for which methods from the discontinuous Galerkin (DG), finite volume (FV) and finite difference (FD) class are available with their respective special properties. For example, DG methods are very suitable for highly accurate solutions on unstructured grids due to their locality, while FD methods are very efficient on Cartesian grids for the simulation of linear wave propagation. In turn, FV methods are very robust in the presence of strong gradients, e.g. shocks. All implemented methods have in common, that they are explicit one-step time integration schemes and thus are especially applicable for unsteady calculations. Furthermore, their order of accuracy in space and time may be chosen arbitrarily. A newly developed numerical solver, the STE-FV method on Cartesian grids, closes the gaps in the repertoire of numerical schemes in the coupling framework. It forms a fast high order method that features great robustness also at nonlinearities by employing a WENO algorithm. For validation purposes, convergence studies and benchmark tests, e.g. the popular double Mach reflection in 2D and an explosion in 3D, are performed for the STE-FV method with orders in space and time up to six and beyond. The coupling of different grids is based on high order interpolations and the data exchange over the ghost elements of the calculation domains. The Gauss integration points in the cells are used here in order to find a source domain for the interpolation and for providing high order boundary conditions afterwards. The grids are not required to be matching or overlapping. Furthermore, arbitrary constellations of structured and unstructured grids are possible. The optimal time steps, which can be different of each other, are allowed in the subregions. This is made possible by employing the Cauchy-Kovalevskaja procedure, which delivers a Taylor series that provides boundary information for the intermediate points of time for domains with a smaller time step. The implementation structure inside the code framework is largely modular. The fluid and acoustics solvers can be used as stand-alone codes, and also new ones can be easily added. Furthermore, external programs, which may run on separate computer systems, can be linked to the framework. The distribution to different system architectures is also possible for the internal solvers. Hence, the respective properties of the numerical methods regarding vectorization and parallelization can be exploited in an optimal way. It is shown on the basis of convergence studies for different constellations of grids, equations and methods, that the domain decomposition approach is capable of maintaining high order of accuracy globally. An examination regarding high-frequency perturbations reveals a natural filtering process if perturbations cannot be resolved on a coarse mesh anymore. Hence, a spatial filtering operator is not a necessity. Another study shows, that the magnitude of reflections occurring at the domain boundaries are in good accordance with theoretical estimations. Besides the change from nonlinear to linear equations, also the jump in resolution matters in this context. However, the reflections are negligible in general. The accuracy and efficiency of the proposed domain decomposition method is illustrated for benchmark examples like the acoustic scattering at a sphere or at multiple cylinders and for the Von Karman vortex street. Here, especially the method's potential for efficient far field calculations becomes clear, but also the advantages in the presence of complex geometries are emphasized. Finally, the simulation of a nozzle flow with a supersonic free jet and the associated noise underlines the practical applicability of the domain decomposition approach.Item Open Access Raman scattering, magnetization and magnetotransport study of SrFeO3-delta, Sr3Fe2O7-delta and CaFeO3(2008) Damljanovic, Vladimir; Keimer, Bernhard (Prof. Dr.)In this thesis we have determined the Raman spectra as well as the magnetization, resistance and magnetoresistance of the compounds SrFeO3-delta, Sr3Fe2O7-delta and CaFeO3 as a function of temperature. These materials are interesting because they contain iron in the unusually high oxidation state +4, which has the same electroncic configuration as the Mn3+ ion in LaMnO3, a material that shows the giant magnetoresistance effect when doped with calcium or strontium. A novel aspect of the work described in this thesis is that it was performed on single crystals with controlled oxygen stoichiometry. In the compound SrFeO3-delta, delta can vary continuously in the range 0 to 0.5. The materialexhibits the following crystal structures due to oxygen vacancy ordering: cubic (delta=0), tetragonal (delta=0.125), orthorhombic (delta=0.25) or brownmillerite (delta=0.5). For other values of delta the material is a mixture of those phases. The cubic phase has the ideal cubic perovskite structure. In this thesis we describe the preparation of nearly stoichiometric SrFeO3-delta with delta<0.05. The Raman spectrum of a sample annealed under 5kbar of pure oxygen showed no phonon modes, as expected from a group-theoretical analysis of the ideal perovskite structure. The Mößbauer spectra on this sample shows that it contains 5.4% of the tetragonal phase. In another crystal annealed at oxygen pressure 40kbar Mößbauer spectra did not show any sign of additional phases, confirming that the sample is fully stoichiometric. In addition to the experiments we have performed lattice dynamics calculations for the ideal composition SrFeO3.00 in order to assign the phonon modes observed in infra-red experiments. The calculation accurately reproduces all frequencies observed. We have also measured the Raman spectra of the tetragonal phase in the temperature range 13K to 300K. While only three peaks can be resolved at room temperature, additional modes appear in the spectrum below the charge-ordering transition at 70K. This confirms that the crystal structure changes below this temperature. We have also measured the Raman spectra of the orthorhombic phase in the temperature range 6K to 475K. The paremeter delta in Sr3Fe2O7-delta can vary continuously between 0 and 1. We have measured the temperature dependence of the magnetization for the magnetic field along high symmetry axes of the crystal. We have also performed neutron diffraction measurements demonstrating that the magnetic moments are ordered in a helical structure. The resistivity and the magnetoresistance were measured in the range 10K to 300K. Finally we have measured the Raman spectra of the same sample in the temperature range 15K to 440K. In order to assign the observed modes, we have performed lattice dynamics calculations based on the published crystal structure of Sr3Fe2O7. The CaFeO3 compound has an orthorhombic crystal structure above 290K, which changes to monoclinic below this temperature. Here we describe the preparation of stoichiometric CaFeO3 single crystals by high pressure oxygenation of as-grown CaFeO2.5 samples, using KClO4 as an oxygen source. The powder X-ray diffraction pattern after annealing shows that the oxygen enrichment was successful. No magnetoresistance was observed within the experimental error up to magnetic fields of 9T. We have also measured Raman spectra of this material in the temperature range 15K to 300K. In contrast to tetragonal SrFeO2.875 these spectra are unaffected by the charge-ordering transition at 290K within the experimental sensitivity.Item Open Access Bewegungstherapie beim Idiopathischen Parkinson-Syndrom - Biomechanische Analyse unterschiedlicher Therapiestrategien(2008) Bühlmeier, Julia; Alt, Wilfried (Prof.Dr.)Einleitung: Neben einer pharmakotherapeutischen Behandlung werden die Symptome des idiopathischen Parkinson Syndroms (IPS) häufig durch eine Bewegungstherapie behandelt. Bewegungstherapeutische Studien berichten infolge der angewendeten Therapie meist von positiven Effekten auf die Motorik der Betroffenen. Allerdings genügen die wenigsten dieser Untersuchungen jedoch den Standards einer evidenzbasierten Medizin. Hypothese: Möglicherweise beruhen diese positiven Effekte auf dem Neuheitsfaktor der Therapien. Denn es evident, dass automatisierte Bewegungen durch die beim IPS gestörten Areale der Basalganglien gesteuert werden. Eine Wiederholung dieser gestörten Bewegungsmuster wäre daher sicherlich nicht Erfolg versprechend bei einer Bewegungstherapie. Folglich wird vermutet, dass eine Bewegungstherapie mit einem hohen Lernanteil die motorische Kompetenz von MP Patienten in höherem Maß erhält als eine Therapie mit bekannten Inhalten. Methoden: 24 IPS Patienten (65±10 Jahre, Stadium 2-2,5 nach Hoehn&Yahr) wurden in einer Baselineperiode (10 Wochen) im 3-wöchigen Abstand insgesamt 4-mal untersucht. Nach dieser Periode trainierten die Patienten über 12 Wochen 2-mal pro Woche entweder A) gleichbleibende Inhalte: Gang, Ausdauer, Kraft und Beweglichkeit oder B) ein motorisches Neulernen mit aufmerksamkeitsfordenden Inhalten. In der Trainingsperiode erfolgten ebenfalls 4 Untersuchungen im 3-wöchigen Abstand. Das Testprotokoll beinhaltete die biomechanische Analyse der Fein- und Alltagsmotorik mittels Elektromyographie (EMG) und Kinemetrie. Überprüft wurde die motorische Kompetenz bei Reaktions- und Zielaufgaben, schnellen repetitiven Bewegungen, statischen und dynamischen Standstabilitätsaufgaben, als auch beim Aufstehen und Gehen. Zusätzlich wurde der UPDRS erfasst (Unifed Parkinson Disease Rating Scale). Ergebnisse und Diskussion: Klinische Parameter (UPDRS) verbesserten sich insbesondere in der Baselineperiode und verschlechterten sich in der Trainingsperiode. Hierfür werden psychische Ursachen, wie die Hoffnung auf eine baldige Besserung diskutiert. Die Bewegungskontrolle der trainierten motorischen Fähigkeiten ist vermutlich die Ursache für Verbesserungen der Einfachreaktion infolge der Therapie A. Die EMG Ergebnisse der schnellen repetitiven Bewegungen lassen bei beiden Gruppen eine zunehmende Steifigkeit infolge des Trainings vermuten, was erhöhte Rigordaten (UPDRS) belegen. Das Aufstehen ließ sich infolge des Trainings nicht modulieren. Eine Verbesserung erhobener Gangparameter wurde überwiegend bei Gruppe B vorgefunden; diese beziehen sich insbesondere auf die kinematischen, nicht aber die neuromuskulären Parameter. Es wird diskutiert, ob dies durch die unterschiedlichen Leistungsvoraussetzungen (die bereits in der Baselinephase vorhanden waren) der Patienten bedingt ist, oder durch die unterschiedlichen Therapieinhalte. Bei der statischen und dynamischen Standstabilitätsüberprüfung zeigte sich ebenso Gruppe B als überlegen. Verbesserungen dieser Gruppe werden auf eine modifizierte Einbindung sensorischer Information durch das Lerntraining zurückgeführt. Schlussfolgerung: Die Beeinflussung der motorischen Kompetenz durch unterschiedliche Therapiestrategien scheint maßgeblich durch die Steuerung der Aufgabe determiniert zu sein. Vermutlich ist die Nutzung spinaler Motoneuronen über unbeeinträchtigte Bahnen für Änderungen kinematischer und neuromuskulärer Parameter verantwortlich zu machen.Item Open Access Der Einfluss der kontinentalen Wasserspeicherung auf das Rotationsverhalten der Erde(2008) Hengst, Rico; Wolf, Detlef (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde und die Richtungsänderungen des Erdrotationsvektors werden mit modernen geodätischen Raumverfahren beobachtet und lassen sich auf Gravitationswechselwirkungen mit anderen Himmelskörpern und auf geophysikalische Prozesse zurückführen. Nach der Reduktion der beobachteten Erdrotationsschwankungen bezüglich der bekannten gravitativen Einflüsse werden die verbleibenden Schwankungen des Erdrotationsvektors maßgeblich durch Massenverlagerungen und Relativbewegungen von Massen in den einzelnen Teilsystemen der Erde, wie z.B. der Atmosphäre, hervorgerufen. Da die reduzierten geodätischen Beobachtungen stets die integrale Folgeerscheinung aller geophysikalischen Prozesse darstellen, sind einzelne ursächliche Anregungen nicht eindeutig identifizierbar. Eine Dekomposition und eine Interpretation des verbleibenden Restsignals erfordert es daher, den Zustand der Teilsysteme mit Messungen physikalischer Größen oder mit Hilfe von numerischen Modellen zu beschreiben. Neben der Analyse von Modellen der Atmosphäre und des Ozeans bezüglich der Erdrotationsschwankungen liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Untersuchung von vier hydrologischen Modellen, die die kontinentale Wasserspeicherung simulieren. Im Kontext der kontinentalen Massenverlagerungen werden die hydrologischen Modelle und die hinsichtlich atmosphärisch-ozeanischer Einflüsse reduzierten Schwerefeldbeobachtungen der GRACE-Mission verglichen, wobei sich die Untersuchung nicht auf den globalen Massenumsatz beschränkt, sondern zusätzlich um regionale Analysen erweitert ist. Die ermittelten Differenzen im jährlichen Massenumsatz zwischen den einzelnen Modellen und auch zwischen den Modellen und den GRACE-Daten ergeben mit Hinblick auf die Erdrotationsschwankungen ein unterschiedliches Anregungspotenzial (chi-Funktionen). So treten zwischen den modellierten und den aus Schwerefeldbeobachtungen resultierenden Anregungen Differenzen auf, die in den äquatorialen chi-Funktionen einer Phasenverschiebung der Jahresschwingung von bis zu drei Monaten entsprechen. Wavelet-Analysen der hydrologischen chi-Funktionen zeigen episodische und quasiperiodische Signalanteile auf, die zwischen den einzelnen Modellen signifikante Korrelationen aufweisen. Entsprechende Signalcharakteristika werden auch in den um gravitative, atmosphärische und ozeanische Einflüsse reduzierten Beobachtungen der Erdrotationsschwankungen detektiert. Als Ursachen stellen sich die Oszillationen ENSO (El Niño Southern Oscillation), QBO (Quasibiennial Oscillation), TBO (Tropospheric Biennial Oscillation) und der indische Monsun heraus, die adäquate Variationen in der Wasserspeicherung Südamerikas, Australiens and Asiens bewirken. Um die Übereinstimmungen zwischen den geodätischen Beobachtungen und den modellierten Anregungen aus atmosphärischen, ozeanischen und kontinentalhydrologischen Prozessen quantifizieren zu können, werden die Zeitreihen mit dem Verfahren der spektralen MRA (multiple Regressionsanalyse) untersucht. Im spektralen Band zwischen 10 und 13 Monaten ergeben sich Widersprüche, die auf der Modellierungsseite Probleme in einer der hier untersuchten atmosphärisch-ozeanischen Kombinationen signalisieren, unabhängig von der Wahl der hydrologischen Simulation. Je nachdem welche Modelle bei der spektralen MRA miteinander kombiniert werden, erklären diese im Spektralbereich zwischen 2 und 30 Monaten die Varianz der Tageslängenschwankung im Mittel zu 93% und die Varianz der beobachteten Polbewegung zu durchschnittlich 77%.Item Open Access Estimation of minimum mean squared error with variable metric from censored observations(2008) Strobel, Matthias; Walk, Harro (Prof. Dr.)Eine optimale Metrik auf einem gegebenen Stichprobenraum wird approximiert. Dabei wird die Zensierung der Daten berücksichtigt. Anhand von medizinischen Daten wird die Bedeutung der Prädiktoren bei der Behandlung von Brustkrebs untersucht.