Über den Einfluss thermischer Fluktuationen auf Polymerbündel, Flüssig-Gas-Grenzflächen und biochemische Prozesse

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teile. Das gemeinsame Thema aller drei Teile sind die Auswirkungen thermischer Fluktuationen auf physikalische Prozesse, die sich auf kleinen Längenskalen abspielen. Teil I untersucht die mechanischen Eigenschaften von Polymerbündeln. Solche Bündel werden von Zellen beispielsweise im Zytoskelett aus Aktin gebildet. Sie dienen der mechanischen Stabilisierung aber auch dynamischen Prozessen wie der Fortbewegung. Es wird untersucht, wie die thermischen Fluktuationen und insbesondere ihre Einschränkung auf räumlich begrenzte Gebiete die Bildung solcher Aktin-Bündel beeinflusst. Dazu wird ein selbstkonsistentes theoretisches Konzept eingeführt und angewandt. Die Ergebnisse werden verallgemeinert auf Membran-Zytoskeltett Verbindungen, wie sie beispielsweise in roten Blutkörperchen beobachtet werden. Teil II beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Flüssig-Gas-Grenzflächen auf molekularen Längenskalen. Mittels Synchrotron-Streuexperimenten ist eine Untersuchung dieser Systeme möglich. Bisher ist es aber nicht gelungen ein theoretisches Konzept aufzustellen, um in numerischen Daten, wie man sie aus Simulationen von einfachen Flüssigkeiten erhält, eine Grenzfläche auf kleinen Längenskalen konsistent zu definieren. Dazu existieren gegenwärtig zwei etablierte Ansätze, die quantitativ unterschiedliche Ergebnisse liefern und nicht mit experimentellen Arbeiten übereinstimmen. Basierend auf einem probabilisitschen Konzept schlagen wir einen alternativen Zugang vor und wenden ihn auf Simulationsdaten einer Lennard-Jones Flüssigkeit an. Obwohl wir damit nicht die Ergebnisse der Streuexperimente reproduzieren können, bestätigen wir die Resultate eines der bestehenden Konzepte. Teil III stellt einen Statusbericht eines laufenden Projektes dar. Thematische bewegt sich dieser Teil in der Systembiologie, also der quantitativen Modellierung biologischer Prozesse. Wir betrachten die aerobe Atmungskette des Bakteriums Escherichia Coli. Sie ist ein gutes Modellsystem für die Atmung in Mitochondrien. Wir extrahieren wesentliche Strukturmerkmale dieses Atmungsprozesses aus biochemischen Experimenten und bestimmen die relevanten Parameter. Am Ende entsteht ein Modell, das in eine Monte Carlo Simulation implementiert wird. Erste quantitative Aussagen werden präsentiert und die Ergebnisse werden auf ihre Konsistenz hin bestätigt.The present work consists of three parts. All in common is the topic thermal fluctuations and how these effect physical processes which take place on small length scales. Part I is about the mechanical properties of polymer bundles. Cells form these bundles for example from actin in the cytoskeleton. They serve to increase the mechanical stability but they are also used during dynamic processes like cell movement. It is examined how thermal fluctuations, especially in spatially constraint geometries, influence the formation of these actin bundles. To this end a self-consistent theory, which makes an analytical description of constraint thermal fluctuations possible, is introduced and applied. The results are generalized to membrane cytoskeleton couplings, which are observed for instance in red blood cells. Part II deals with the properties of liquid-vapor interfaces on molecular length scales. Doing synchrotron scattering experiments these systems can be examined on length scales comparable to the particle diameter. Though a theoretical concept has not been found yet, which allows for defining such an interface consistently in simulation data of simple liquids. Currently there are two established concepts for that which yield quantitatively different results and do not agree with the experimental observations. Based on a probabilistic concept we propose an alternative method and apply it to simulation data of a Lennard-Jones fluid. Though we are not able to reproduce the results from the scattering experiments we confirm the results of one of the established approaches. Part III is a report on the state of the art of a running project. Considering the topic it belongs to systems biology, hence it deals with quantitative modelling of biological processes. We look into the aerobic respiratory chain of the bacterium Escherichia coli. This is an excellent model system for the respiration in mitochondria. We extract the important structural features of this respiration process from biochemical experiments and determine the relevant parameters. From that knowledge we develop a model which is implemented in a Monte Carlo simulation. First quantitative results are presented and the consistency of the findings is confirmed