Magazin 01/2004 - Deutsche Bunsengesellschaft für Physikalische ...

1/2004 

BBPCAX 101 (8) 1083-1196 (1998) 

ISSN 1611 – 9479 

No. 1 – Januar 2004 

BUNSENMAGAZIN 

� Leitartikel 

Der GDCh-Präsident zum neuen Jahr 

S. 1 

� Aspekte 

Nobelpreis für Chemie 2003: 

Eine Auszeichnung für „Kanalarbeiter“ 

S. 3 

Physikalische Chemie mit 

Synchrotronstrahlung S. 11

Henning Hopf 

Während ich diese Neujahrswünsche schreibe, geht das Jahr der 

Chemie in seine Abschlussphase, ein Jahr, in dem wir alle viel für das 

Ansehen und die Darstellung der Chemie in der Öffentlichkeit getan 

haben: unsere Mitglieder in Industrie und Hochschule genauso wie 

Jungchemiker und Studierende, wie die Mitarbeiter in der Geschäftsstelle 

und viele andere Helfer. Bei der Bunsen-Gesellschaft mit ihrer 

aktuellen Wochenschau – und auch bei unseren übrigen Partnern VCI, 

BAVC, IG BCE, VAA, Dechema, BG Chemie sowie dem BMBF und 

Wissenschaft im Dialog – bedanke ich mich ganz herzlich. Wohl selten 

haben wir so viele Menschen aller Alterstufen und jeglichen Bildungsstands 

erreicht, vom Kindergarten und der Grundschule bis zu 

dem sprichwörtlichen Menschen auf der Straße. 

Wenn wir es schaffen, nur einen Teil dieses neuen Interesses, das 

man auf vielen Veranstaltungen spüren konnte, ins nächste und die 

folgenden Jahre zu retten, ist viel für die Wertschätzung der Chemie 

und die Verbreitung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse getan. Gerade 

dass es eine Gemeinschaftsleistung war, halte ich für wichtig – 

und ich hoffe, dass es nicht die letzte war. 

Von der Identifikation mit dem eigenen Beruf könnten nicht zuletzt 

auch wissenschaftliche Gesellschaften wie die Bunsen-Gesellschaft 

und die GDCh profitieren. Allerdings greift die Idee, dass man sich 

nach dem Vordiplom einer wissenschaftlichen Gesellschaft wie einer 

Zunft anschloss, offenbar nicht mehr so wie früher, und ältere Mitglieder 

verlassen uns, wenn sie aus dem Berufsleben ausscheiden. 

Beides ist schade, denn die Gesellschaften bieten mit ihren zahlreichen 

Fachgruppen, Tagungen, anderen Programmen und Publikationen 

wirklich sehr viel. Und seine Erfahrungen ganz ohne Gegenleistung 

einer wissenschaftlichen Gesellschaft zur Verfügung zu stellen, 

kann – dafür hat gerade das Jahr der Chemie viele Beispiele geliefert 

– gleichfalls sehr befriedigend sein. 

Die intensive und fruchtbare Zusammenarbeit wissenschaftlicher 

Gesellschaften wie der Bunsen-Gesellschaft und der GDCh ist auch 

wichtig bei der Durchsetzung unserer bildungspolitischen Ziele. Wir 

müssen endlich in diesem Land von den Lippenbekenntnissen und 

Sonntagsreden weg („In einem ressourcenarmen Land sind unsere 

Köpfe unsere Zukunft“ – und das war es dann) und hin zu massiven 

Investitionen im Bildungsbereich: Wir brauchen bessere Schulen und 

neue Institute, denn die Investitionen der Gründungswelle vor 30 Jahren 

verblassen, neue Geräte, neues und mehr wissenschaftliches und 

technisches Personal. Eine Juniorprofessur wird in der Sackgasse enden, 

wenn sie nicht adäquat mit ausreichenden Mitteln und einer Berufsperspektive 

ausgestattet ist, die eine einigermaßen verlässliche 

Der GDCh-Präsident zum neuen Jahr 

Planung erlaubt. Dass die DFG Anträge als hervorragend einstuft, sie 

aber aus Geldmangel nicht fördern kann, ist ein Skandal, der mehr 

über den Wissenschaftsstandort Deutschland aussagt als viele Politikerreden. 

Kurz: Durch Herumschieben durchgesessener alter Möbel („kostenneutrale 

Finanzierung“) schafft man keine neue Einrichtung. Das 

derzeitige konzeptlose Sparen („Stellen, die frei sind, werden gestrichen“) 

zerstört unsere Grundlagen. Das Gleiche gilt für neue Studiengänge 

und die Bachelor- und Masterausbildung: Wir haben z.? B. 

bei der weltweit bekannten guten hiesigen Chemieausbildung eine 

Chance wie nie zuvor, talentierte ausländische Studenten zu gewinnen 

– die besten kommen aber nur, wenn es ein entsprechendes Stipendienprogramm 

gibt. 

Die GDCh als Organisation der Wissenschaft, deren Basis die Veränderung 

ist, hat sich immer bemüht, ein kompetenter und aufgeschlossener 

Gesprächspartner zu sein und wird das auch in Zukunft 

sein, gerade wenn es um Strukturverbesserungen in der Ausbildung 

und die Suche nach neuen Finanzierungsmodellen geht. Als starke 

Gemeinschaft engagierter Mitglieder erreichen und in enger Kooperation 

mit unserer Schwester Bunsen-Gesellschaft wir unsere Ziele am 

wirkungsvollsten. 

Ich wünsche den Mitgliedern der Bunsen-Gesellschaft ein gesundes 

und erfolgreiches neues Jahr! 

Professor Henning Hopf 

LEITARTIKEL 

Präsident der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Frankfurt 

1

INHALTSVERZEICHNIS 

LEITARTIKEL 

ASPEKTE 

TAGUNGEN 

LESERBRIEFE 

NACHRICHTEN 

ZEITSCHRIFT FÜR 

PHYSIKALISCHE CHEMIE 

PCCP 

Zum Titelbild: 

BUNSEN-MAGAZIN · 6. JAHRGANG · 1/2004 

Henning Hopf 

Der GDCH-Präsident zum neuen Jahr 1 

Thomas Friedrich 

Nobelpreis für Chemie 2003 an Peter Agre und 

Roderick MacKinnon – eine Auszeichnung für „Kanalarbeiter“ 3 

Eckart Rühl und Helmut Bertagnolli 

Physikalische Chemie mit Synchrotronstrahlung 11 

Stefan Schmatz und Mirjana Mladenović 

39. Symposium für Theoretische Chemie 16 

Klaus Funke 

84th International Bunsen Discussion Meeting 

‘’Structure and Dynamics of Disordered Ionic Materials“ 18 

Bernhard Dick 

Sparprogramme: 

Sparen im staatlichen Zoo 

Zur Akzeptanz des Bachelors 19 

Personalia 20 

Veranstaltungen 21 

Verschiedenes 22 

Impressum 22 

FECS Presidents meet in Barcelona 23 

Inhalt Heft 11 + 12/2003 24 

Beiträge zum Hauptthema „Sensorik“ der Bunsentagung 2003 

in Heft 23/2003 24 

Das Titelbild zeigt schematisch die Struktur des Wassertransportproteins Aquaporin. Die „Oberfläche“ des Kanals, durch 

den das Wasser transportiert wird, ist mehrfarbig dargestellt. Die Farbkodierung entspricht dem elektrostatischen 

Potential. Der Kanal wird durch sieben Helices gebildet, die schematisch zylinderförmig dargestellt sind. 

Das Bild wurde mit dem Programmpaket MOLCAD auf der Basis von Strukturdaten der Brookhaven Protein Data Bank 

erzeugt. Autoren: Thorsten Borosch, Oliver Korb, Jens Gimmler und Jürgen Brickmann, Physikalische Chemie I, 

TU Darmstadt und Thomas Exner, FB Chemie, Universität Konstanz. 

Bitte beachten Sie den Fragebogen in der Heftmitte. 

Dem Heft liegt ein frankierter Rückumschlag bei.

DEUTSCHE BUNSEN-GESELLSCHAFT 

Thomas Friedrich 

Mit dem Nobelpreis für Chemie 2003 wurden zwei Persönlichkeiten 

ausgezeichnet, die sich in besonderem Maße um die molekularen 

Objekte verdient gemacht haben, die die selektive Permeabilität von 

Zellmembranen für Wasser und geladene Teilchen bedingen. Der 

Preis ging zu gleichen Teilen an Peter Agre (Johns Hopkins University 

of Medicine, Baltimore, USA) für die Entdeckung der Wasserkanäle 

(Aquaporine) und an Roderick MacKinnon (Rockefeller University, 

New York, USA) für seine herausragenden Arbeiten zur Aufklärung 

der Struktur und Funktion von Ionenkanälen. Den Beiträgen beider 

Forscher verdankt die Wissenschaft fundamentale Erkenntnisse über 

die Grundlagen einer Vielzahl zellulärer Funktionen – eine Geschichte 

über den Transport von Ionen und Wasser (Abb. 1). 

TEIL I: WASSERKANÄLE 

Jede Zelle ist von einer Membran umgeben, die das Zellinnere 

schützt, nach aussen abgrenzt und so die Integrität der Zelle sichert. 

Auch intrazelluläre Organellen, wie beispielsweise Zellkern, Mitochondrien 

oder das endoplasmatische Retikulum sind von Membranen 

umschlossen. Alle diese Membranen bestehen – wie bereits 

1925 von den Niederländern E. Gortel und F. Grendel erkannt – aus einer 

Doppelschicht von Lipidmolekülen, wobei sich die hydrophoben 

Seitenketten dem Inneren der Membran zuwenden, während die polaren 

Kopfgruppen zum wässrigen Medium hin orientiert werden (Gorter 

und Grendel, 1925). Mindestens ebenso wichtig wie die Abgren- 

ASPEKTE 

Nobelpreis für Chemie 2003 an Peter Agre und 

Roderick MacKinnon – eine Auszeichnung für „Kanalarbeiter“ 

Abb. 1: Die Plasmamembran der Zelle ist durchsetzt von integralen 

Membranproteinen. In vielen Fällen handelt es sich dabei um kanalbildende 

Strukturen, die spezifisch und selektiv die Passage bestimmter 

Molekülklassen oder Ionensorten ermöglichen, wie z. B. 

Wasserkanäle (links) oder Kationenkanäle (rechts). Quelle: 

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/chempub1high.jpg 

Thomas Friedrich, PhD, Max-Planck-Institute of Biophysics, 

Dept. of Biophysical Chemistry, Marie-Curie-Str. 15, 

D-60439 Frankfurt am Main, Germany, Tel.: +49-69-6303-2008, 

Fax.: +49-69-6303-2002, E-Mail: Thomas.Friedrich@mpibp-frankfurt.mpg.de 

zung nach außen ist für die Zelle allerdings die Notwendigkeit zur 

Wechselwirkung mit ihrer Umgebung, die naturgemäß nur über die 

Membran erfolgen kann. Die Zelle tauscht aus osmotischen Gründen 

Wasser mit ihrer Umgebung aus, ebenso gelangen Nährstoffe und 

Stoffwechselprodukte über die Membran, und sogar Ionen müssen 

diese Barriere passieren können, sonst wären wichtige Transportprozesse 

in Epithelien oder die Erregungsfortleitung in Nerven unmöglich. 

Mechanische, thermische und chemische Reize müssen ins Zellinnere 

weitergeleitet werden, was die Grundlage für unsere 

Sinnesempfindungen bildet. Die Plasmamembran ist durchlässig für 

lipophile Stoffe, Gase und kleinere polare Moleküle wie Harnstoff. Ionen 

können die Lipiddoppelschicht jedoch nicht ohne die Unterstützung 

spezieller integraler Membranproteine durchdringen. Viele zelluläre 

Funktionen beruhen allerdings auf der Möglichkeit zur schnellen 

und selektiven Steuerung der Membranpermeabilität für bestimmte 

Ionensorten, z. B. infolge einer Neurotransmitterfreisetzung an der 

postsynaptischen Membran oder beim Aktionspotential von Nervenund 

Muskelzellen. Passiver Ionentransport entlang herrschender Konzentrationsgefälle 

wird dabei durch Ionenkanäle vermittelt. Dieser 

Vorgang wird als „erleichterte Diffusion“ (facilitated diffusion) bezeichnet. 

Aufgrund der Erniedrigung der Energiebarriere für den Ionendurchtritt 

hat dieser Prozess durchaus katalytischen Charakter. 

Aktiver Transport gegen elektrochemische Gradienten wird durch Ionenpumpen 

bewirkt, zu denen beispielsweise die Na + /K + -ATPase 

gehört (entdeckt 1957 durch Jens Christian Skou, Nobelpreis für Chemie 

1997). 

Auch hinsichtlich des Wassers besitzt die Zellmembran eine gewisse 

Permeabilität. Schon Mitte/Ende des 19. Jahrhunderts wurde 

die Existenz von Kanälen postuliert, die den Fluss von Wasser oder 

kleiner gelöster Teilchen beispielsweise durch die Harnblasenwand 

ermöglichen (Brücke, 1843; Ostwald, 1890; Pfeffer, 1877). In den späten 

fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurde anhand roter 

Blutzellen erkannt, dass der Wassertransport durch die Membran 

hochselektiv und vor allem viel zu schnell abläuft, um nur auf Diffusion 

zu beruhen. Demnach enthielte die Erythrozytenmembran wasserselektive 

Kanäle, die jedoch die Passage von Ionen und anderen gelösten 

Stoffen ausschließen (Sidel und Solomon, 1957). Auch in der 

Niere kommt dem kanalvermittelten Wassertransport eine herausragende 

Rolle zu. Täglich werden in den Glomeruli der Nieren 150 bis 

200 Liter Ultrafiltrat, der sog. Primärharn, gebildet. Über 99 % dieser 

Flüssigkeitsmenge wird zusammen mit dem größten Teil der gelösten 

Stoffe im Verlauf der Nierentubuli, der Henleschen Schleife und dem 

Sammelrohr resorbiert, wobei durch sog. Schaltzellen in den betreffenden 

Nierensegmenten gleichzeitig Säureäquivalente sezerniert 

werden, um einer Azidose des Körpers entgegenzuwirken. Die Wasserkanäle 

müssen also extrem hohe Wasser-Permeationsraten aufweisen. 

Diese bewegen sich mit bis zu 10 9 Molekülen pro Sekunde 

nahe der Diffusionsgrenze, wofür auch die geringe Aktivierungsenergie 

von ~5 kcal/mol spricht. Zur gleichen Zeit muss aber insbesondere 

die Passage von Protonen oder sogar H3O + -(Hydronium)-Ionen ex- 

3

ASPEKTE 

trem sicher verhindert werden. Kanalvermittelter Wassertransport 

spielt auch in Pflanzenzellen eine lebenswichtige Rolle. In diesem Fall 

könnten geringfügige Protonenlecks schwerwiegende Konsequenzen 

haben, da Pflanzenzellmembranen durch Protonenpumpen energetisiert, 

d.h. mit einem H + -Gradienten elektrochemisch „aufgeladen“ 

werden. Protonengradienten sind gemäß der 1961 formulierten chemiosmotischen 

Hypothese von Peter Mitchell (Nobelpreis für Chemie 

1978) für die Bioenergetik von herausragender Bedeutung. Trotz der 

genannten experimentellen Hinweise blieben Wasserkanäle bis in die 

späten 80er Jahre spekulativ und die Frage nach ihrer Existenz wurde 

lange Zeit kontrovers diskutiert. 

PETER AGRE – AQUAPORINE 

Durch Peter Agres Entdeckung der Wasserkanäle – von ihm selbst 

mehrfach als glücklicher Zufall bezeichnet – bekamen die Vorstellungen 

vom Wassertransport klare Konturen. Im Verlauf seiner Untersuchungen 

an der Johns Hopkins University School of Medicine in Baltimore 

beschäftigte er sich Mitte der achtziger Jahre mit 

Rh-Blutgruppen-Antigenen aus Erythrozytenmembranen. 1988 isolierte 

er aus roten Blutzellen und Nierentubuli ein die Blutgruppen-Antigenpräparationen 

kontaminierendes Protein (Agre et al., 1987) unbekannter 

Funktion mit 28 kDa Molekulargewicht. Dieses wurde als 

CHIP28 bezeichnet (Denker et al., 1988), als Abkürzung für „Channellike 

Integral membrane Protein of 28 kDa“. Nachdem die Peptidsequenzierung 

des Amino-Terminus gelungen war (Smith und Agre, 

1991), und so die cDNA-Sequenz kloniert werden konnte (Preston und 

Agre, 1991), erhärtete sich der Verdacht, es könne sich dabei um den 

langgesuchten Wasserkanal handeln. Diese Hypothese konnte Agre 

kurze Zeit später mittels eines ebenso genialen wie einfachen Experiments 

verifizieren (Abb. 2): Oozyten des Krallenfroschs Xenopus laevis, 

die man mittels cRNA-Mikroinjektion dazu gebracht hatte, CHIP28 

4 

Abb. 2: Peter Agres Experiment zur Schwellung Aquaporin-exprimierender 

Oozyten des Krallenfroschs Xenopus laevis bei Inkubation 

in hypoosmolarem Medium (obere Zeile). Nicht-exprimierende 

Kontrolloozyten halten dem osmotischen Stress über lange Zeit 

Stand (untere Reihe). Quelle: http://www.nobel.se/chemistry/ 

laureates/2003/chempub2high.jpg 

zu exprimieren, schwollen rasch bis zum Platzen an, wenn sie einem 

hypoosmolaren Medium ausgesetzt wurden, während Kontrollzellen 

diesem osmotischen Stress wesentlich länger standhielten (Preston 

et al., 1992). 

In der Folge konnten Agre und Mitarbeiter vergleichbare osmotische 

Effekte an Liposomen zeigen, in denen aufgereinigtes CHIP28- 


Protein rekonstituiert worden war (Zeidel et al., 1992). Die charakteristischen 

osmotischen Effekte wurden durch Hg 2+ -Ionen verhindert, 

von denen man wusste, dass sie Wassertransport über Erythrozytenmembranen 

blockieren. Seitdem trug das CHIP28-Protein den Namen 

„Aquaporin-1“, kurz AQP1. In der Folgezeit führte die Gruppe um Peter 

Agre eine intensive funktionelle Analyse der Aquaporine durch. 

Dies schloss die Bestimmung der Permeationsrate, der Selektivität 

(Zeidel et al., 1992; Zeidel et al., 1994), sowie ein auf Mutagenesestudien 

beruhendes Topologiemodell ein. Durch diese Resultate wurde 

die in späteren Kristallisationsstudien bestimmte „Sanduhr-Struktur“ 

der Pore bereits vorweggenommen (Jung et al., 1994). 

Zwischenzeitlich wurde von einer Reihe anderer Gruppen gezeigt, 

dass Aquaporine über die gesamte belebte Welt verbreitet sind. Man 

findet sie in Archeen, Bakterien, Pilzen, in allen tierischen Lebensformen 

und Pflanzen. Allein die unscheinbare Ackerschmalwand (Arabidopsis 

thaliana), ein pflanzlicher Modellorganismus, weist in ihrem 

Genom 35 verschiedene Aquaporin-Sequenzen auf. Einige Vertreter 

der Aquaporin-Proteinfamilie sind außer für Wasser auch noch für kleinere 

neutrale lösliche Stoffe wie Glycerol oder Harnstoff permeabel, 

weshalb sie mit dem verallgemeinernden Begriff „Aquaglyceroporine“ 

bezeichnet werden. Der Mensch verfügt über 11 aquaporinartige 

Proteine, von denen einige mit einer Reihe von Erkrankungen in Verbindung 

gebracht werden. Sie unterscheiden sich in ihrem gewebsspezifischen 

Verbreitungsmuster, Wasser/Glycerol-Selektivität sowie 

in ihren Permeationsraten. AQP0 zum Beispiel ist das häufigste intrinsische 

Protein (MIP – major intrinsic protein) in den Faserzellen der 

Augenlinse. Seine Wasserpermeationsrate ist relativ niedrig und erhöht 

die Wasserpermeabilität der Membran lediglich um das vier- bis 

fünffache gegenüber der intrinsischen Permeabilität der Lipiddoppelschicht. 

Möglicherweise beruht hierbei die physiologische Funktion 

nicht primär auf dem Wassertransport, sondern überraschenderweise 

in der Vermittlung enger Zell-Zell-Kontakte über AQP0-Wechselwirkungen 

zwischen benachbarten Zellen (wofür ursprünglich Proteine 

der Connexin-Familie als wahrscheinlichere Kandidaten angesehen 

worden waren). Durch Mutationen hervorgerufene Störungen der 

Proteinstruktur beeinträchtigen diese Kontakte und damit die Isotropie 

und Transparenz der Linse – Linsentrübungen (Karatakte) mit autosomal 

dominantem Erbgang sind die Folge. Von AQP0 kennt man 

auch die interessante Eigenschaft, dass das Schaltverhalten („gating“) 

durch Protonen (aktivierend) und Ca 2+ -Ionen (inaktivierend) moduliert 

wird. 

AQP1 kommt in Erythrozyten, proximalen Nierentubuli und u. a. im 

Endothel von Blutkapillaren vor. AQP1-Mutationen sind aus Individuen 

bekannt, die kein Co-Blutgruppen-Antigen aufweisen. Außer jedoch 

den spezifischen Anforderungen bei Bluttransfusionen ist das 

Leben der Betroffenen nicht beeinträchtigt, Bedingungen extremer 

Flüssigkeitsaufnahme oder Flüssigkeitsmangel können jedoch lebensbedrohlich 

sein. AQP2 wird hauptsächlich in Prinzipalzellen der 

Sammelrohrsegmente der Niere exprimiert. Das Hormon Vasopressin 

steuert dabei den Einbau von AQP2 in die apikale Membran unter Bedingungen, 

bei denen Flüssigkeit aus dem Harn effizient zurückgewonnen 

werden muss (antidiuretischer Zustand). Daher kennt man rezessiv 

vererbliche Formen nephrogener Diabetes insipidus 

(Ausscheidung von 12–15 Litern Flüssigkeit am Tag gegenüber ca. 1 

Liter bei Gesunden!), die auf AQP2 Mutationen zurückgeführt werden 

können. AQP2 Überexpression findet man während der Schwanger-


schaft, persistierend erhöhte AQP2-Werte stören die Wasserausscheidung 

des Körpers und führen zu Bluthochdruck und Herzversagen. 

Nicht einmal zehn Jahre nach der Klonierung des AQP1-Gens wurden 

die ersten hochaufgelösten dreidimensionalen Strukturen von 

AQP-1 (Murata et al., 2000; Ren et al., 2001; Sui et al., 2001) und dem 

Aquaglyceroporin GlpF aus Escherichia coli (Fu et al., 2000) publiziert. 

Die Strukturen von „Wasser“- und „Glycerol“-Kanälen sind einander 

so ähnlich, dass man in der Literatur von „Zwillingsbrüdern“ spricht. 

Demnach sind Aquaporine Tetramere aus vier identischen Untereinheiten 

(Abb. 3a), von denen jede eine sanduhrförmige Pore (das sog. 

„hourglass“-Modell wurde bereits 1994 von Agre postuliert, (Jung et 

al., 1994)) mit einem Selektivitätsfilter im Bereich des Zentrums der 

Membran bildet. 

Abb. 3a: Aufsicht senkrecht zur 

Membran auf ein Aquaporin-Tetramer. 

Quelle: (Zhu et al., 2001). 

Abb. 3b: Leitungs- und Selektivitätsmechanismus in einem Aquaporin-Monomer. 

Positiv geladene Aminosäurereste in der Umgebung 

des zentralen Selektivitätsfilters stoßen positiv geladene Ionen 

(H3O + ) ab und verhindern somit Protonenlecks. Durch 

Wechselwirkung mit den Helixdipolen der Hemiporensegmente 

ändert sich die orientierung der Wasserdipole bei Passage des Selektivitätsfilters. 

Quelle: The Nobel Prize Internet Archive. 

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/chempub3high.jpg 

Jede Aquaporin-Untereinheit besteht aus einer Folge zweier strukturell 

homologer Domänen, die jeweils aus drei Transmembran-α- 

Helices und einer die zweite und dritte Helix verbindenden Schleife 

(Hemipore) bestehen. Die beiden Domänen sind in einem 180°-Win- 

kel zueinander orientiert, die beiden Hemiporensegmente weisen aus 

entgegengesetzten Richtungen auf das Selektivitätsfilter im Zentrum 

des Proteins und sind von den sechs Transmembranhelices umgeben. 

Auf der Grundlage dieser Strukturen konnten detaillierte Vorstellungen 

zur Erklärung der hohen Permeationsrate, der Selektivität und 

die strukturellen und mechanistischen Ursachen für die Verhinderung 

eines „Protonenlecks“ erarbeitet werden, was insbesondere auf molekulardynamischen 

Simulationsrechnungen beruhte (de Groot und 

Grubmüller, 2001; Tajkhorshid et al., 2002), von denen die auf der 

Internetseite (http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/animations.html) 

einsehbaren Animationen Zeugnis geben. Wassermoleküle 

können die Pore nur der Reihe nach („single file“) passieren, wobei ihre 

elektrischen Dipolmomente geordnet werden. Eine positiv geladene 

Aminosäure (Arginin) am Selektivitätsfilter verhindert die Passage 

von Protonen oder H3O + -Ionen (Abb. 3b). Außerdem ändert sich 

die Ausrichtung der Wasserdipole am Selektivitätsfilter durch Wechselwirkung 

mit Dipolmomenten der α-helicalen Hemiporensegmente, 

die von zwei Seiten auf das Selektivitätsfilter ausgerichtet sind (Abb. 

3b und Abb. 9). Dieser Wechsel in der Orientierung der Wasserdipole 

führt zu einer Unterbrechung des Wasserstoffbrückennetzwerks, der 

„Eimerkette“ für Protonentransport im Sinne eines Grotthuss-Mechanismus 

(Grotthuss, 1805). 

Peter Agres unerwartete Entdeckung hat somit innerhalb eines 

Jahrzehnts zu einem nahezu komplett molekularen Verständnis des 

Wassertransports durch die hochspezialisierten Aquaporin-Wasserkanäle 

geführt. Sie bildete die Basis für die Aufklärung ihrer physiologischen 

Funktion bei Pro- und Eukaryonten, sowie ihrer Rolle bei 

menschlichen Erkrankungen. Hierdurch konnten unschätzbare medizinische 

Fortschritte erzielt werden, wobei die pharmakologisch relevanten 

Früchte wahrscheinlich erst in Zukunft noch zu ernten sein 

werden. 

TEIL II: IONENKANÄLE 

ASPEKTE 

Bereits im Jahre 1890 schlug der berühmte Physikochemiker Wilhelm 

Ostwald (Nobelpreis für Chemie 1909) auf der Grundlage seiner 

Experimente mit künstlichen kolloidalen Membranen vor, dass elektrische 

Ströme in lebendem Gewebe durch Ionenflüsse über die Zellmembranen 

verursacht werden könnten (Ostwald, 1890). In den folgenden 

Jahrzehnten konnte die elektrochemische Natur von 

Membranpotentialen gezeigt werden (Bernstein, 1902; Loeb und 

Beutner, 1912), und von Leonor Michaelis stammt das Konzept „enger“ 

Ionenkanäle (Michaelis, 1925). Das biophysikalische Konzept von 

Ionen-„Kanälen“, deren Aktivierungsverhalten in charakteristischer 

Weise von der Membranspannung abhängt, wurde als Destillat jahrelanger 

experimenteller und theoretischer Arbeit im Jahre 1952 von 

Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley entwickelt (Hodgkin 

und Huxley, 1952), wofür beide (zusammen mit Sir John Carew 

Eccles) mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 1963 ausgezeichnet 

wurden. In einer Zeit, in der über die aktiven und passiven 

Transportvorgänge in der Plasmamembran immer noch herzlich wenig 

bekannt war, präsentierten diese beiden Forscher eine weit in die 

Zukunft reichende, fast prophetisch zu nennende Theorie, die das moderne 

Verständnis von Ionenkanälen praktisch vorwegnahm. Die Arbeiten 

von Hodgkin und Huxley begründeten die moderne Neurophysiologie 

und lieferten eine Erklärung für die elektrischen Vorgänge 

5

ASPEKTE 

während des Aktionspotentials an Nervenzellen. Ihr Modell beruhte 

auf der Idee, dass spezielle, nur für bestimmte Ionensorten wie K + 

oder Na + (oder auch Ca 2+ ) permeable Ionenkanäle in zeitlich exakt aufeinander 

abgestimmter Weise aktiviert werden. Wenig später zeigten 

Hodgkin und Keynes, dass K + -Ionen die Membran nur der Reihe nach 

(„single file“) passieren können (Hodgkin und Keynes, 1955), wodurch 

das Ionenkanal-Konzept weiter untermauert wurde. 

Von herausragender Bedeutung für die Funktion eines Ionenkanals 

ist die Selektivität, d.h. die Fähigkeit, zwischen verschiedenen Ionensorten 

trotz ähnlicher chemischer oder physikalischer Eigenschaften 

exakt unterscheiden zu können. Dies soll am Beispiel der Alkalimetallionen 

Na + und K + erläutert werden: Skelettmuskelzellen in Säurgern 

sind intrazellulär reich an K + (155 mM) und arm an Na + (12 mM), 

während extrazellulär eine hohe Na + -Konzentration (145 mM) und 

eine niedrige K + -Konzentration (4 mM) vorliegt. Das Ruhemembranpotential 

der Muskelzelle wird von K + -selektiven Kanälen stabilisiert. 

Es liegt bei ca. –90 mV und entspricht daher in etwa dem elektrochemischen 

Gleichgewichtspotential für K + unter diesen Bedingungen 

(–98 mV). Ließen diese K + -Kanäle auch Na + -Ionen passieren, würden 

diese entlang ihres elektrochemischen Gradienten ins Zytoplasma 

strömen und die Zelle permanent depolarisieren (Gleichgewichtspotential 

für Na + : +67 mV), wodurch die Grundlage für die Erregbarkeit 

der Zelle verloren ginge. Gleichartige Überlegungen gelten während 

der elektrischen Vorgänge beim Aktionspotential. Die vorübergehende 

„Umladung“ der Zellmembran, die der Kontraktion unmittelbar vorausgeht, 

wird durch die Öffnung Na + -selektiver Kanäle bewirkt, wenn 

diese auch K + -Ionen passieren ließen, wäre eine Depolarisation der 

Membran unmöglich. 

Obwohl die generellen Vorstellungen von den Eigenschaften kanalartiger 

Objekte in der Zellmembran somit bereits schon vor 50 Jahren 

etabliert waren, standen über mehrere Jahrzehnte die experimentellen 

Techniken zur Überprüfung der Ionenkanalhypothese nicht zur 

Verfügung. Erst ein Vierteljahrhundert später konnte sie direkt durch 

die Entwicklung der die Elektrophysiologie revolutionierenden Patch- 

Clamp-Technik (Hamill et al., 1981) bewiesen werden (Erwin Neher 

und Bert Sakmann, Nobelpreis für Medizin 1991), da man mit ihrer Hilfe 

die elektrische Aktivität einzelner Ionenkanalmoleküle unmittelbar 

als singuläre Stromsignale nachweisen konnte. Wenig später wurden 

erstmals die cDNA-Sequenzen spannungsgesteuerter Na + -Kanäle 

(Noda et al., 1984) und K + -Kanäle (Papazian et al., 1987; Stühmer et al., 

1989) publiziert, wodurch die molekularbiologischen Grundlagen geschaffen 

wurden, funktionell wichtige Aminosäuren(abschnitte) durch 

ortsspezifische Mutagenesetechniken zu identifizieren. 

6 

Abb. 4: Transmembrantopologie spannungsgesteuerter Na + - (links) und K + -Kanäle (rechts). 


Demnach ist ein spannungsgesteuerter Na + -Kanal aus vier aufeinanderfolgenden, 

miteinander verbundenen Domänen aufgebaut (Abb. 

4A), von denen jede zu einer K + -Kanal-Untereinheit mit 6 Transmembrandomänen 

homolog ist. Funktionelle K + -Kanäle (Abb. 4B) bestehen 

dagegen aus einem Tetramer homologer, aber separater Untereinheiten 

(MacKinnon, 1991). Jede dieser K + -Kanal-Untereinheiten weist 6 

Transmembransegmente (S1 bis S6) auf, wobei Amino- und Carboxytermini 

intrazellulär lokalisiert sind. Zwischen den Segmenten S5 

und S6 befindet sich die sogenannte Porenschleife („pore loop“, „Ploop“), 

in der auch das Selektivitätsfilter (in Form des charakteristischen 

Aminosäuremotivs Glycin-Tyrosin-Glycin) lokalisiert ist. 

Während die porenbildenden Strukturen im wesentlichen aus S5, Ploop 

und S6 bestehen (was auf Proteinebene in Form der einfacher 

aufgebauten einwärts-gleichrichtenden K + -Kanäle realisiert ist), bilden 

die Segmente S1 bis S4 den sogenannten Spannungssensor, wozu 

das bis zu 8 positiv geladene Aminosäurereste aufweisende S4-Segment 

in besonderer Weise beiträgt. Spannungsgesteuerte K + -Kanäle 

treten in Geweben mit zeitlich veränderlichem Membranpotential auf 

und sind in Nerven- und Muskelgewebe maßgeblich während der Repolarisationsphase 

des Aktionspotentials aktiv. Durch die Kombination 

molekularbiologischer und elektrophysiologischer Techniken wurden 

bis Mitte der neunziger Jahre wesentliche Aspekte der 

Ionenkanalfunktion geklärt. Man wusste, dass das Selektivitätsfilter 

eine eher zur extrazellulären Seite hin orientierte, relativ enge Struktur 

sein muss, zu deren Passage Kationen ihre Hydrathülle abstreifen 

müssen, und Carbonyl-Sauerstoffatome in diesem Filter wichtig für 

die Ionenkoordination sind. Das eigentliche „Tor“ („gate“) des Kanals 

ist eine separate Struktur am intrazellulären Ende der Kanalpore. Es 

war jedoch klar, dass weiterführende Erkenntnisse nur auf der Basis 

dreidimensionaler Strukturinformation möglich sein würden. 

RODERICK MACKINNON – 

STRUKTUR UND FUNKTION VON IONENKANÄLEN 

Der heute 47 Jahre alte Roderick MacKinnon beeindruckt durch ein 

herausragendes wissenschaftliches Werk. Nach seiner Ausbildung arbeitete 

er zunächst für 6 Jahre als Mediziner an der Harvard Medical 

School, bevor er sich der wissenschaftlichen Forschung verschrieb, 

weil er nach eigenem Bekunden „ein Problem zu lösen hatte“. 

Zunächst beschäftigte sich MacKinnon mit der Aufklärung der Funktion 

von Ionenkanälen, motiviert durch seine PostDoc-Zeit bei Christopher 

Miller (Brandeis University). So erforschte er die Wirkung bestimmter, 

die Leitfähigkeit von Kaliumkanälen blockierender Toxine 

(z. B. Charybdotoxin), was 1991 in einer bemerkenswerten Arbeit Aus-


druck fand, in der er erstmals die tetramere Architektur spannungsgesteuerter 

Kaliumkanäle aufzeigte (MacKinnon, 1991). Zur Lösung 

„seines“ Problems musste MacKinnon erneut einen Wandel vollziehen, 

denn er erkannte, dass sich die Grundlagen für Selektivität und 

Permeabilität nur auf der Basis dreidimensionaler Strukturinformation 

verstehen lassen. Also setzte er sich kein geringeres Ziel als das der 

Kristallisation von Ionenkanälen. Er musste sich also mit den Methoden 

der Kristallisierung von Membranproteinen und der Röntgenstrukturanalyse 

vertraut machen. Dies wurde auch durch den Wechsel 

an die New Yorker Rockefeller University 1996 unterstützt, da 

diese neue Wirkungsstätte ihm die materiellen Voraussetzungen für 

dieses überaus ehrgeizige Ziel bot. Nun ist die Kristallisation von 

Membranproteinen alles andere als eine Standardmethode. Auch 

heute noch stellt sie eine langwierige Aufgabe mit ungewissem Ausgang 

dar, und es darf immer noch zu einem gewissen Teil als Glücksfall 

angesehen werden, wenn die Kristallisation gelingt. Naturgemäß 

weisen Membranproteine große hydrophobe Kontaktflächen auf, die 

normalerweise der Lipidphase der Membran zugewandt sind, was die 

Kristallisation enorm erschwert. Vielfach erwies sich für MacKinnon 

die Methode der Kokristallisation mit Fv-Antikörperfragmenten als hilfreich, 

für deren Entwicklung und erfolgreiche Anwendung zur Strukturbestimmung 

des photosynthetischen Reaktionszentrums Johann 

Deisenhofer, Robert Huber und Hartmut Michel mit dem Nobelpreis 

für Chemie des Jahres 1988 ausgezeichnet worden waren. Auch 

machte sich MacKinnon die Erkenntnis zunutze, dass sich die bakteriellen 

bzw. archebakteriellen Homologe eukaryotischer Ionenkanäle 

vielfach besser zur Proteingewinnung zum Zwecke der Überexpression 

und Kristallisation eignen, und er bewies eine glückliche Hand bei 

der Auswahl der „richtigen“ Bakterienstämme. Bereits zwei Jahre 

nach dem Wechsel zur Rockefeller University überraschte MacKinnon 

die wissenschaftliche Welt mit der Kristallstruktur eines bakteriellen 

Kaliumkanals, KcsA aus Streptomyces lividans (Doyle et al., 1998), 

und in Kombination mit den nachfolgenden Verfeinerungen gelang es 

(Jiang et al., 2002b; Morais-Cabral et al., 2001; Zhou et al., 2001), das 

grundlegende Paradoxon der Ionenkanalforschung aufzulösen, nämlich 

wie es die Natur eingerichtet hat, höchstmögliche Ionenselektivität 

(der Kanal unterscheidet K + - von Na + -Ionen mit einer Genauigkeit 

von 10 000:1) bei größtmöglicher Durchsatzrate nahe der Diffussionsgrenze 

(bis zu 10 8 Ionen pro Sekunde) in Einklang zu bringen. Darüberhinaus 

gelang ihm die Strukturbestimmung eines Ca 2+ -gesteuerten 

Kaliumkanals in der offenen Konformation (Jiang et al., 2002b). 

Auf dieser Grundlage konnte ein Modell für den Öffnungsmechanismus 

vorschlagen werden (Jiang et al., 2002a). 

Aus der Struktur des KcsA-Kanals werden die Anordnung der 

Transmembranhelices, sowie der Aufbau der Kanalpore und des Selektivitätsfilters 

deutlich (Abb. 5, 6). Die Transmembranhelices des 

KcsA-Kanals sind gegenüber der Membrannormalen geneigt und bilden 

eine „invertierte Tipi-Struktur“ mit Helixbündelüberkreuzungen 

an der intrazellulären Seite, die in der Aufsicht erkennbar werden. Eine 

Helix ist jeweils der Pore (innere Helix), die andere der Lipidphase 

(äußere Helix) zugewandt. Die vier Untereinheiten umschließen eine 

zentrale Pore von 45 Å Länge, deren äußere bzw. innere Begrenzung 

– wie für Kationenkanäle zu erwarten – negative Überschussladungen 

tragen (Abb. 5, 3.v. links). Der relativ weite intrazelluläre Porenteil wird 

von unpolaren Aminosäuren ausgekleidet und öffnet sich in der Mitte 

der Membran zu einer zentralen Kavität von 10 Å Durchmesser, welche 

exakt zur strukturierten Aufnahme eines hydratisierten K + -Ions 

ASPEKTE 

geeignet ist. Durch die hydrophobe Auskleidung in Verbindung mit der 

exakten Geometrie der zentralen Kavität wird einerseits die effektive 

K + -Konzentration vor dem Selektivitätsfilter extrem angehoben 

(~2 M), während andererseits die Wechselwirkung mit dem Kanalprotein 

minimiert wird. Das K + -Ion wird somit exakt in der Mitte der 

Membran stabilisiert, wo es aufgrund elektrostatischer Rechnungen 

normalerweise ein Maximum der Energiebarriere vorfindet (Abb. 6, 

links). Im Bereich des extrazellulär orientierten Selektivitätsfilters, das 

ca. 12 Å lang ist und die K + -Kanal-Signatursequenz Glycin-Tyrosin-Glycin 

enthält, wird die Pore jedoch so eng, dass Ionen zur Passage ihre 

Hydrathülle abstreifen müssen. Um die Energiebarriere für die Dehydratisierung 

abzusenken, sind Sauerstoffatome des Proteinrückgrats 

im Selektivitätsfilter so angeordnet, dass vier Positionen gebildet 

Abb. 5: Struktur des K + -Kanals KcsA aus Streptomyces lividans. 

Oben links: Aufsicht auf das Tetramer von der extrazellulären Seite 

der Membran mit Umriss eines zentralen Kaliumions in der Pore. 

Oben rechts: Seitenansicht des Tetramers. Unten links: Oberflächenkontur 

und -ladungsverteilung (rot: positiv, blau: negativ, 

gelb: hydrophobe Aminosäuren). Aus: (Doyle et al., 1998). 

werden an denen ein K + -Ion die elektrostatische Umgebung wie in 

der inneren Hydrathülle vorfindet (Abb. 6). Auf diese Weise schließt 

der Kanal die kleineren Li + - und Na + -Ionen (0.65 Å bzw. 0.95 Å Durchmesser) 

von der Ionenpassage aus, während die vergleichbar großen 

K + - und Rb + -Ionen (1.35 Å bzw. 1.48 Å) annähernd gleich gut passieren 

können. Die Strukturen des Selektivitätsfilters und der zentralen 

Kavität ermöglichen somit hohe Spezifität bei gleichzeitig hoher 

Durchsatzrate. 

Zu Beginn dieses Jahres publizierte MacKinnon die langersehnte 

Kristallstruktur eines spannungsgesteuerten Kaliumkanals, KvAP aus 

dem Archebakterium Aeropyrum pernix (Jiang et al., 2003a; Jiang et 

al., 2003b), wobei das Augenmerk insbesondere in der Erklärung des 

Einflusses eines Transmembranpotentials auf Konformation und Lage 

des Spannungssensors relativ zur Membran ruhte. Im Vergleich zur 

7

ASPEKTE 

KcsA-Struktur offenbart die dreidimensionale Struktur des KvAP-Kanals 

(Abb. 7) bemerkenswerte Übereinstimmungen im Bereich der 

porenformenden Segmente, wobei das S5-Segment der äußeren und 

das S6-Segment der inneren Helix der KcsA-Struktur entspricht. Bemerkenswert 

ist die Struktur der Spannungssensor-Domäne, die aus 

den „traditionellen“ Segmenten S1–S4 besteht. Den Daten zufolge 

muss diese Nomenklatur modifiziert werden, denn das S3-Segment 

zerfällt in zwei stark gegeneinander verkippte Teile (S3a und S3b), die 

durch eine Schleife verbunden sind, wobei S3b und S4 in antiparalleler 

Anordnung eine eng gepackte Helix-Kurven-Helix-Anordnung 

(„helix-turn-helix“) bilden, die anschaulich als „Spannungssensor-Paddel“ 

bezeichnet wird. Hier sind die meisten der positiven Schaltladungen 

lokalisiert. 

Der ursprünglichen Struktur zufolge (erhalten durch Kokristallisation 

von Fab-Antikörperfragmenten gegen die S3-S4-Schleife!) kommt 

das Sensor-Paddel parallel zur intrazellulären Seite der Membran zu 

liegen. Diese Anordnung widerspräche zahlreichen eindeutigen elektrophysiologischen 

Befunden z. B. hinsichtlich der Zugänglichkeit von 

S4-Aminosäuren für Cystein-modifizierende Reagenzien. Weiterführende 

Kristallisationsstudien z. B. des isolierten Spannungssensors 

jedoch zeigten, dass der Spannungssensor bezüglich der Porenregion 

eine hohe Flexibilität aufweist und die Helixanordnung vermutlich 

durch die Kristallisationsmethode beeinflusst ist. Hinsichtlich des Mechanismus 

der Spannungssensitivität wurde geschlossen, dass die 

flexiblen, positive Nettoladungen tragenden „Paddel“ ähnlich hydrophoben 

Kationen fungieren, die über flexible Scharniere an den eigentlichen 

Kanal gekoppelt sind (Abb. 7). 

Im Jahre 2002 publizierte Roderick MacKinnon völlig unerwartet 

die Strukturen gleich zweier spannungsgesteuerter Chloridkanäle der 

CLC-Kanalfamilie (Dutzler et al., 2002) und lieferte kurz darauf eine Erklärung 

für den Schaltmechanismus dieser physiologisch bedeutsamen 

Kanalklasse (Dutzler et al., 2003). Dies stellte einen spektakulären 

Fortschritt dar, da zu diesem Zeitpunkt in funktioneller und 

8 


Abb.6: (links) Strukturskizze des K + -Kanals KcsA aus Streptomyces lividans. Der Kanal läßt selektiv K + -Ionen passieren, während Na + -Ionen 

nicht durchgelassen werden. Außerhalb des Selektivitätsfilters liegen die Kationen hydratisiert vor, sind also von einer strukturierten Wasserschale 

umgeben. Die Carbonyl-Sauerstoffatome des Selektivitätsfilters stellen eine elektrostatische Umgebung zur Verfügung, die exakt 

den Verhältnissen für ein hydratisiertes Kaliumion entspricht. Für die etwas kleineren Na + -Ionen sind die Distanzen zu groß, wodurch das Abstreifen 

der Hydrathülle für Na + energetisch ungünstig ist (rechts). Quelle: The Nobel Prize Internet Archive. 

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/chempub4ahigh.jpg. http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/chempub4bhigh.jpg 

struktureller Hinsicht festgefahrene Gegensätze die Diskussion beherrschten. 

Auf der Grundlage der in der Tat „komplizierten Struktur“ 

(MacKinnon) des CLC-Kanals wurde mit einem Mal klar, warum alle 

bisherigen Ansätze zur Topologiebestimmung rasch an ihre Grenzen 

gestoßen waren. 

Ein CLC-Kanal besteht aus einem Dimer identischer Untereinheiten, 

die 18 z. T. stark gegenüber der Membrannormalen geneigte α- 

Helices enthalten (Abb. 8). Beide Monomere weisen jeweils eine Kanalpore 

auf und stehen über eine breite Interaktionsfläche 

miteinander in Verbindung. Dadurch wurde die fast 20 Jahre zuvor von 

Christopher Miller aufgestellte „double-barrel“-Hypothese bestätigt 

(Miller und White, 1984), derzufolge ein funktioneller CLC-Kanal zwei 

i.w. unabhängig voneinander schaltende Poren im Sinne einer „doppelläufigen 

Schrotflinte“ besitzt. Die Struktur offenbarte auch eine bis 

zu diesem Zeitpunkt völlig unbemerkt gebliebene innere Symmetrie 

des Proteins. Ein CLC-Kanal zerfällt demnach in zwei spiegelbildliche, 

in invertierter Richtung zueinander homologe Hälften. Im Gegensatz 

zu K + -Kanälen, bei denen eine Pore von den Porenschleifen der vier 

Untereinheiten im Tetramer ausgekleidet und auch das Selektivitätsfilter 

durch diese Strukturen gebildet wird (Doyle et al., 1998), wird 

Abb. 7: Struktur des spannungsgesteuerten K + -Kanals KvAP aus 

Aeropyrum pernix (Jiang et al., 2003a; Jiang et al., 2003b). Seitenansicht 

zweier Untereinheiten des Tetramers, die Helices sind mit 

S1–S6 numeriert, der S5-S6-Anteil ist der Struktur des KcsA-Kanals 

vergleichbar. Mutmaßliche Positionen des Spannungssensor- 

„Paddels“ im geschlossenen (links) und im offenen (rechts) Zustand 

des Kanals.


Abb. 8: Dreidimensionale Struktur bakterieller CLC-Kanäle. 

Links: Aufsicht von der extrazellulären Seite der Membran. Mitte: 

Seitenansicht in der Membran. Die beiden identischen Monomere 

im Kanal-Dimer („double-barrel-Struktur“) sind unterschiedlich 

farbmarkiert, Chlorid-Ionen sind grün hervorgehoben. 

Rechts: Struktur des CLC-Selektivitätsfilters. Zylinderrepräsentation 

der Helixstruktur (Helix J in der Mitte transparent). Ionenkoordinierende 

Partialladungen an den Helixenden sind farblich markiert. 

Chloridion: rot. Quelle (Dutzler et al., 2002). 

das Cl – -Ion durch geladene Aminosäurereste bzw. Helixdipole von 4 

Helices einer Untereinheit etwa in der Mitte der Membran koordiniert 

(Abb. 8, rechts). Im geschlossenen Zustand wird die strategische Cl – - 

Bindungsstelle durch einen negativ geladenen Glutamatrest eingenommen, 

der bei Aktivierung des Kanals zur Seite schwingt und den 

Weg zur Ionenpassage freigibt. Der Ionenpermeationsweg weist im 

Gegensatz zu Kaliumkanälen keine wassergefüllte Kavität an einer 

Seite der Membran auf, sondern nimmt die Form einer Sanduhr an, 

die mit positiven Aminosäureresten ausgekleidet ist. 

Wie auch schon im Fall der Aquaporine bilden die nun verfügbaren 

strukturellen Informationen über eine ganze Reihe verschiedener Ionenkanalklassen 

eine feste Basis für das Verständnis der Funktion, 

der Ionenselektivität und der Aktivierungsmechanismen dieser molekularen 

Objekte. Sie werden die Grundlage für detaillierte biophysikalische 

und theoretische Studien mittels molekulardynamischer 

Abb. 9: Die koordinierende 

Rolle von Helixdipolen in 

K + -Kanälen (oben), CLC-Cl – - 

Kanälen (Mitte) und Aquaporinen 

(unten). Modifiziert 

nach: (Dutzler et al., 2002), 

Fig. 7. 

Methoden bilden. Als allgemeines strukturelles Konstruktionsprinzip 

scheint sich der koordinierende Einfluss von α-Helix-Dipolmomenten 

beim Transport polarer oder geladener Teilchen durch Membranproteine 

herauszukristallisieren (Abb. 9). Darüberhinaus erhofft man sich 

aus der Kenntnis des räumlichen Aufbaus von Membranproteinen einen 

unmittelbareren Zugang zum Auffinden sogenannter chemischer 

Leitstrukturen („lead structures“), wobei das sogenannte in-silico- 

Design von Wirksubstanzen in der pharmakologisch forschenden Industrie 

augenblicklich einen herausragenden Stellenwert hat. 

SCHLUSSBEMERKUNG 

In seiner Präsentationsrede zum diesjährigen Chemie-Nobelpreis 

hob das schwedische Akademiemitglied Gunnar van Heijne hervor, 

dass die Entdeckungen Peter Agres und Roderick MacKinnons nicht 

nur für entscheidende Beiträge zur Biochemie von Zellmembranen 

stehen, sondern dass sie eine „geradezu fühlbare ästhetische Komponente“ 

besitzen. Die atomaren Strukturen von Membrankanälen 

enthüllten in ihrer klaren Einfachheit und Perfektion atemberaubend 

„ökonomische Konstruktionsprinzipien“ zur Lösung des Problems der 

Stabilisierung polarer oder geladener Teilchen in Zentrum der extrem 

hydrophoben Lipiddoppelschicht. Beim Anblick der Strukturen dränge 

sich der Eindruck auf: „Natürlich, so muss das aussehen, so muss das 

funktionieren“. Was mehr kann man von Wissenschaft erwarten? 

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Eckart Rühl und Helmut Bertagnolli 

Physikalische Chemie mit Synchrotronstrahlung 

Arbeiten mit Synchrotronstrahlung bedeutet die Nutzung von 

hochintensiver Strahlung in einem extrem breiten Spektralbereich, 

der von langwelliger „Terahertz-Strahlung“ über den Vakuum-UV- und 

Röntgenbereich bis hin zur Gammastrahlung reicht. Ebenso breitbandig 

und brillant ist mittlerweile die Palette der wissenschaftlichen und 

industriellen Nutzung von Synchrotronstrahlung. Sie hat in den vergangenen 

Jahrzehnten einen enormen Aufschwung erfahren, der vor 

allem von der Physik und Chemie getragen wurde. Aber auch die Lebenswissenschaften, 

Geo- und Ingenieurswissenschaften haben hierzu 

massiv beigetragen. Die Nutzer von Synchrotronstrahlung kommen 

auch zu einem guten Anteil aus der Physikalischen Chemie und 

direkt angrenzenden Fachgebieten. Die fachlichen Grenzen sind in einer 

interdisziplinär ausgerichteten Forschungsumgebung, wie sie an 

Synchrotronstrahlungszentren herrscht, keinesfalls klar gezogen. Es 

sollen hier neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Strahlungsquellen, 

wichtige Anwendungsbereiche von Synchrotronstrahlung mit Bezug 

zur Physikalischen Chemie, Möglichkeiten zur Nutzung der Strahlung 

und künftige Perspektiven neuer Quellen für kurzwellige 

Strahlung vorgestellt werden. 

QUELLEN FÜR SYNCHROTRONSTRAHLUNG 

Zurzeit stehen für die Nutzung von Synchrotronstrahlung in 

Deutschland die beiden nationalen Quellen DORIS III bei DESY in 

Hamburg und BESSY II in Berlin zur Verfügung (s. Abb. 1). Es handelt 

sich hierbei um moderne Speicherring-Anlagen, an denen gleichzeitig 

zahlreiche Nutzer in verschiedenen Spektralbereichen arbeiten können. 

Am Synchrotronstrahlungslabor bei DESY arbeiten ca. 2000 Wissenschaftler 

an insgesamt 76 Messplätzen, die zu 42 Strahlführungen 

gehören. Besonders interessant für die Physikalische Chemie ist die 

Nutzung der harten Röntgenstrahlung zur Strukturforschung des 4,5 

GeV-Speicherrings DORIS III. Dies eröffnet einzigartige Möglichkeiten, 

vor allem zur Untersuchung von Festkörpern, Grenzflächen, Flüssigkeiten 

und Phasenübergängen. 

Im Jahr 1999 ging der neue 1,7 GeV-Speicherring BESSY II als 

Hochbrillanzquelle für Synchrotronstrahlung in Betrieb. Zurzeit befinden 

sich 45 Strahlrohre im Betrieb bzw. Aufbau. Schwerpunkte für 

experimentelle Arbeiten mit Bezug zur Physikalischen Chemie reichen 

von Studien an Molekülen, Clustern und Grenzflächen bis hin zu 

Festkörpern und den Lebenswissenschaften. Hierfür lässt sich weiche 

und harte Röntgen-Strahlung, Vakuum-UV-Strahlung, Infrarot- 

Strahlung sowie neuerdings auch Terahertz-Strahlung einsetzen, die 

zwischen dem Infrarot- und dem Mikrowellen-Bereich liegt. 

Die europäische Quelle ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) 

in Grenoble (Frankreich) ist weltweit eine der drei großen Röntgenquellen, 

die sich durch eine besonders hohe Brillanz der Strahlung 

auszeichnet. An ihr ist die Bundesrepublik Deutschland zu 25% beteiligt. 

Aus dem reichen Nutzungsprofil der ESRF sind besonders 

folgende Bereiche hervorzuheben: Die Aufklärung von Molekülstruk- 

ASPEKTE 

turen mit Beugungsmethoden, elementspezifische Strukturuntersuchungen 

und in situ Experimente zu katalytischen Prozessen. 

Vier regionale Quellen sind derzeit in Deutschland mit teils beschränktem 

Zugang im Betrieb: ANKA (Karlsruhe), DELTA (Dortmund), 

ELSA (Bonn) und ELBE (Rossendorf). Die Anlage ANKA wird 

seit dem Jahr 2001 betrieben und befindet sich noch im Aufbau. Hier 

sollen vorwiegend Dienstleistungen für die Wirtschaft in den Bereichen 

Mikrofertigung und Analytik erbracht werden. Innovativ ist das 

Erweiterungsprojekt „Synchrotron-Umweltlabor“, das aus einem 

Röntgenstrahlrohr mit der Möglichkeit zur Kombination von Mikrofokusmessungen 

von Röntgenabsorption, -fluoreszenz und -diffraktion 

am selben Probenort sowie einem µ-FTIR-Messplatz besteht. DELTA 

und ELSA sind universitäre Einrichtungen, an denen vor allem lokale 

Nutzer aus den Naturwissenschaften arbeiten. Bei der Anlage in 

Rossendorf handelt es sich um einen Freie-Elektronen-Laser (FEL) für 

Infrarot-Strahlung. 

Abb. 1: Blick in die Experimentierhalle der Speicherringanlage BES- 

SY II in Berlin-Adlershof. Zu erkennen sind die Strahlrohre, in denen 

die Synchrotronstrahlung zu den Experimenten gelangt sowie die 

Experimentierplätze am Ende der Strahlrohre (Quelle: BESSY). 

Neben den genannten Quellen drängen Naturwissenschaftler aus 

Deutschland auch an weitere internationale Synchrotronstrahlungszentren, 

die in Europa, aber auch in Nordamerika und in Japan zu finden 

sind. Neuere Hochbrillanz-Quellen für den weichen Röntgenbereich 

sind u. a. MAX-II in Lund (Schweden), ELETTRA, Triest (Italien), 

Prof. Dr. Eckart Rühl, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Universität 

Würzburg, Am Hubland, 97074 Würzburg, Tel.: (0931) 888-6300, 

Fax: (0931) 888-6302, E-Mail: eruehl@phys-chemie.uni-wuerzburg.de 

Prof. Dr. Helmut Berntagnolli, Institut für Physikalische Chemie, Universität 

Stuttgart, Pfaffenwaldring 55, 70569 Stuttgart, Tel.: (0711) 685-4451, 

Fax: (0711) 685-4443, E-Mail: h.bertagnolli@ipc.uni-stuttgart.de 

11

ASPEKTE 

Swiss Light Source (SLS), Villingen (Schweiz), Advanced Light Source 

(ALS), Berkeley (U.S.A.) sowie künftig SOLEIL, Saclay (Frankreich). 

Für den harten Röntgenbereich stehen u. a. folgende neue Anlagen 

zur Verfügung: Advanced Photon Source (APS), Argonne (U.S.A.), 

SPring-8, Hyogo (Japan) und künftig DIAMOND, Chilton (England). Die 

Nutzer von Synchrotronstrahlung nehmen oftmals weite Wege in 

Kauf, um weltweit die besten Experimentiermöglichkeiten für ihre 

Forschung vorzufinden. Daher stehen auch die deutschen Synchrotronstrahlungsquellen 

im internationalen Wettbewerb, die besten 

Nutzergruppen anzuziehen. 

Die Nutzung von Synchrotronstrahlung ist in den meisten der genannten 

Anlagen auf verschiedene, wohl abgestimmte Weise möglich: 

Das Angebot reicht von Test- und Schnupper-Experimenten, über 

die Bereitstellung von funktionierenden Messapparaturen und fachkundiger 

Unterstützung, bis hin zu längerfristigen Forschungsperspektiven, 

in denen meist eigene Experimente und methodische Entwicklungen 

genutzt werden. Trotz der mittlerweile ansehnlichen 

Anzahl von vorhandenen Messplätzen findet regelmäßig ein Wettbewerb 

um die begrenzte Strahlzeit jeder Anlage statt. Daher ist es weltweit 

üblich, dass unabhängige Gutachtergremien die Experimentiervorschläge 

bewerten. Nur die besten Vorhaben können in den 

nachfolgenden Monaten realisiert werden. Dies ist für die meisten 

Nutzer von Synchrotronstrahlung ein akzeptables, praktisches und 

planbares Verfahren, das die hohe Qualität der Arbeiten sichert. Für 

den Bereich der Lebenswissenschaften wird zunehmend ein vereinfachter 

und schnellerer Zugang zur begehrten Strahlzeit eröffnet, damit 

empfindliche Proben schon bald nach ihrer Präparation untersucht 

werden können. 

WAS BIETET SYNCHROTRONSTRAHLUNG FÜR DIE 

PHYSIKALISCHE CHEMIE? 

Die hervorragenden Eigenschaften der Synchrotronstrahlung lassen 

sich im Hinblick auf ihre Nutzung folgendermaßen charakterisieren: 

• Extrem breiter Spektralbereich: Breitbandig durchstimmbare 

Strahlung erlaubt u. a. elementspezifische Strukturuntersuchungen 

z. B. auf Grund der Röntgenabsorption (EXAFS: Extended X- 

Ray Absorption Fine Structure). Diese Methode eignet sich besonders 

zur Untersuchung von amorphen Proben. 

• Definierte Zeitstruktur und hohe Zeitauflösung: Nicht nur Kurzpuls- 

Laser können Femtosekunden-Pulse liefern, sondern dies gelingt 

auch mit Hilfe der Time-Slicing-Technik, die an der Advanced Light 

Source entwickelt wurde. Es gelang bereits, 300 fs Pulse zu erzeugen. 

Dies ist deutlich kürzer als die sonst übliche Pulslänge der 

Synchrotronstrahlung, die 20-30 ps beträgt. Noch kürzere Strahlungspulse 

(t < 100 fs) werden von Freie-Elektronen-Lasern emittiert. 

Es lassen sich mit kurzen Pulsen kurzwelliger Strahlung in 

Verbindung mit zeitsynchronisierten Kurzpulslasern dynamische 

Prozesse mit hoher Selektivität in Echtzeit verfolgen. 

• Definierte Polarisation: Der definierte und auch veränderbare Polarisationsgrad 

der Strahlung, der von linearer Polarisation bis hin zur 

zirkularen wie elliptischen Polarisation reicht, ist für zahlreiche An- 

12 

wendungen, wie z. B. zur Untersuchung chiraler Verbindungen, 

nutzbar. 

• Hohe Brillanz: Verbesserungen der Strahlungsquellen liefern heutzutage 

eine deutlich verbesserte Brillanz der Strahlung im Vergleich 

zu früheren Quellen. Damit wird eine deutlich höhere Energieauflösung 

bei höherem Photonenfluss erreicht. Dies ist für 

spektroskopische Experimente von besonderer Bedeutung. 

• Hohe Energieauflösung: Im Bereich der Vakuum-UV-Strahlung 

bzw. dem weichen Röntgenbereich kann eine sehr hohe Energieauflösung 

(E/∆E) der Synchrotronstrahlung erzielt werden, die bis 

in den Bereich von >10 5 reicht. Damit lassen sich z. B. kleinste 

Veränderungen der elektronischen Struktur nachweisen, die auf 

Grund von schwachen intermolekularen Wechselwirkungen und 

dynamischen Prozessen zustande kommen. 

• Hohe Ortsauflösung: Nanoskopische Strukturen lassen sich mit 

bildgebenden Verfahren, wie z. B. der Röntgen-Mikroskopie, bereits 

heute mit einer Auflösung bis zu ca. 20 nm studieren. Die hohe 

Ortsauflösung kann auch mit spektroskopischen Experimenten 

gekoppelt werden, so dass damit auch die elektronischen und 

chemischen Eigenschaften der zu untersuchenden Probe mit hoher 

Ortsauflösung charakterisiert werden können. 

• Räumliche Kohärenz: In flukturierenden Systemen wird mit 

kohärenter Röntgenstrahlung deren Dynamik auf atomarer und 

molekularer Skala zugänglich. Diese Eigenschaft der Strahlung 

wird besonders für die Nutzung der künftig verfügbaren Freie-Elektronen-Laser 

von Bedeutung sein und neue Einblicke in chemische 

Reaktionen erlauben. 

• Variable Probenumgebung: Die verschiedenen Experimente mit 

Synchrotronstrahlung erfordern eine angemessene und einstellbare 

Probenumgebung. Der Umgebungsdruck der Probe lässt sich z. 

B. vom Ultrahochvakuum über Atmosphärendruck bis hin zu extrem 

hohen Drücken im GPa-Bereich einstellen. Damit können geeignet 

Oberflächen- bzw. Grenzflächen, Moleküle und Cluster, 

Flüssigkeiten, elektrochemische Prozesse, aber auch chemische 

Reaktionen untersucht werden. 

NUTZUNG VON SYNCHROTRONSTRAHLUNG IN 

DER PHYSIKALISCHEN CHEMIE 

Die hervorragenden Eigenschaften der Synchrotronstrahlung lassen 

sich für die verschiedenen Bereiche der Physikalischen Chemie 

und angrenzende Fächer nutzen. An Stelle einer vollständigen Darstellung 

sollen hier stellvertretend nur einige ausgewählte Themenbereiche 

vorgestellt werden. 

A. Moleküle, Radikale und Cluster 


Die elektronischen und dynamischen Eigenschaften von Molekülen, 

Radikalen und freien Clustern variabler Größe lassen sich mit 

Synchrotronstrahlung sehr genau durch selektive, elementspezifische 

Anregung und charakteristische Relaxations- und Fragmentationsprozesse 

experimentell untersuchen. Damit wird eine enge Wechselwir-


kung mit der Theoretischen Chemie möglich. Auf Grund der hohen 

Brillanz neuer Synchrotronstrahlungsquellen konnten zahlreiche, 

grundlegende Eigenschaften dieser Spezies in der Gasphase sowie in 

Matrices erarbeitet werden. Hierzu gehören u. a. Solvatationsverschiebungen 

in elementselektiv angeregten Clustern und Eigenschaften 

kurzlebiger Radikale, die für das Verständnis von Verbrennungsprozessen 

und photochemischen Reaktionen in der Umwelt von 

Bedeutung sind. Die Kombination von Laserquellen mit Synchrotronstrahlung 

erlaubt es zudem, die Dynamik photochemischer Reaktionen 

mit Synchrotronstrahlung zu untersuchen. 

B. Reaktionen an Oberflächen und heterogenene Katalyse 

Das Verständnis der heterogenen Katalyse basiert auf zahlreichen, 

grundlegenden Experimenten zur Adsorption von 

Gasen auf definierten Oberflächen. Für Studien an realistischen Oberflächen, 

auf denen heterogen katalysierte Reaktionen bei variablen 

Temperatur- und Druck-Bedingungen ablaufen, sind die klassischen 

Methoden der Oberflächenphysik meist nicht einsetzbar. Daher 

wurden in der jüngeren Vergangenheit verstärkt Anstrengungen 

unternommen, heterogen katalysierte Reaktionen unter realistischen 

Bedingungen zu untersuchen. Synchrotronstrahlung spielt hier eine 

zentrale Rolle, da sowohl die Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie 

als auch die Röntgen-Absorption hochselektive Detektionsmethoden 

darstellen, mit denen sich der Ort der Adsorption auf der 

Oberfläche nachweisen lässt. Es können mittlerweile auch in situ-Untersuchungen 

zur heterogenen Katalyse bei vergleichsweise hohen 

Drücken, die bis in den Hekto-Pascal-Bereich reichen, durchgeführt 

werden. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt auf der Hand: Die 

empirische Optimierung von Katalysatoren weicht einem 

zielgerichteten, systematischen Vorgehen, in dem mit Hilfe der Röntgen-Absorption 

die Produktbildung bzw. reaktive Intermediate optimiert 

werden können. Dies gilt nicht nur für Modellsysteme, sondern 

auch für Realkatalysatoren. Ebenso lässt sich mit diesem neuen Ansatz 

zeigen, an welchem Ort die katalytische Reaktion auf einer Oberfläche 

abläuft und unter welchen Bedingungen es zur Vergiftung des 

Katalysators kommt. Des Weiteren führt die Ermittlung der Oxidationsstufen 

des katalytisch aktiven Zentrums zu einem besseren Verständnis 

bzw. unter Umständen zur Aufklärung der Reaktionsmechanismen. 

Eine sich anschließende gezielte Modifizierung der 

Katalysatoren kann zu erhöhten Produktausbeuten führen. Dieser 

Aspekt ist für industrielle Anwendungen von fundamentaler Bedeutung. 

C. Schichten organischer Moleküle 

Geordnete Schichten organischer Moleküle sind wegen der Vielfalt 

ihrer elektronischen und optischen Eigenschaften von Interesse für 

mögliche Anwendungen im Bereich der Biosensorik und Molekularelektronik. 

Grundlegende Eigenschaften orientierter Moleküle auf 

Oberflächen lassen sich unter Nutzung der Polarisation von Synchrotronstrahlung 

untersuchen, die elektronische und vibronische 

Übergänge widerspiegeln und empfindlich von den intermolekularen 

Wechselwirkungen in der Molekülschicht abhängen. Von besonderem 

Interesse wird es künftig sein, in Prozessen des epitaktischen 

Wachstums organischer Schichtsysteme ortsaufgelöst die Adsorptions-, 

Diffusions- und Schichtbildungsprozesse verfolgen zu können. 

D. Struktur der kondensierten Materie 

Die Struktur kristalliner wie amorpher Festkörper und Flüssigkeiten, 

die organische oder anorganische Substanzen enthalten, einschließlich 

Schmelzen und Gläsern, lässt sich mit Röntgenstrahlung unter 

Nutzung von Beugungs- und Streu-Methoden studieren. Diese Möglichkeit 

bietet sich ebenso bei der Untersuchung von anorganisch-organischen 

Hybridmaterialien. Die Nah- und Fernordnung im Bereich 

eines elementselektiv angeregten Atoms sowie Aussagen zu Defekten 

werden u. a. aus Pulverdiffraktogrammen, der anomalen Röntgenbeugung 

bzw. winkeldispersiven Messungen gewonnen. Diese 

Selektivität erlaubt es auch, die im Inneren eines Festköpers liegenden 

Strukturen zu untersuchen, wie z. B. strukturierte Core-Shell Nanopartikel, 

die als Film auf einer Oberfläche deponiert werden können. 

Die Eigenschaften von freien Nanopartikeln, die berührungslos in einer 

Falle gespeichert sind, lassen sich neuerdings auch mit Synchrotronstrahlung 

studieren. Ebenso können freie Flüssigkeitsstrahlen 

im Hinblick auf die elektronische Struktur der gelösten Stoffe mit 

Synchrotronstrahlung im Vakuum-UV- und weichen Röntgenbereich 

charakterisiert werden. 

E. In situ-Elektrochemie 

Die in situ-Untersuchung elektrochemischer Prozesse ist mit harter 

Röntgenstrahlung möglich. Damit können in wässriger Lösung 

elektrochemische Reaktionen auf Elektrodenoberflächen studiert 

werden, wozu sowohl Absorptions- als auch Reflexionsmessungen, 

aber auch „stehende“ Röntgenwellen dienen. Mit diesen Methoden 

kann mit hoher Empfindlichkeit elementspezifisch auf atomarer Skala 

nachgewiesen werden, wo sich Metalle auf einer Elektrode abscheiden. 

Künftig stehen Strukturuntersuchungen zu dynamischen Prozessen 

an Elektroden im Fokus des Interesses, so dass die Kinetik des 

Übergangs des solvatisierten Ions in Lösung an die Elektrode verfolgt 

werden kann. 

F. Lebens- und Umweltwissenschaften 

Bildgebende Verfahren, wie die Röntgenmikroskopie und damit 

verbundene tomographische Verfahren, liefern dreidimensionale Nanostrukturen 

biologischer Materie in ihrer natürlichen, wässrigen Umgebung. 

Mit diesem Verfahren lassen sich auch Umweltproben, z. B. 

die Verteilung von Metallen in Bodenproben mit hoher Ortsauflösung, 

untersuchen. In vitro gelingen fundamentale Untersuchungen zu Prozessen 

der Membran-Biochemie, die in nahezu beliebiger Umgebung 

mit Hilfe grenzflächensensitiver Beugungsmethoden studiert werden 

können. Langwellige, durchstimmbare Strahlung im Infrarotbereich 

lässt sich hervorragend für zeitaufgelöste Experimente zu molekularen 

Reaktionsmechanismen von Proteinen nutzen. 

G. Materialwissenschaften und industrielle Anwendungen 

ASPEKTE 

Die Nutzung von Synchrotronstrahlung in den Materialwissenschaften 

und in der industriellen Forschung ist breit gefächert. Die 

zerstörungsfreie Charakterisierung von Materialien und Werkstoffen 

lässt sich mit der hohen Ortsauflösung in der Röntgenbeugungsmikroskopie 

sowie der Mikrotomographie verbinden. Neue und 

leistungsfähige Werkstoffe sowie Referenzmaterialien lassen sich 

somit charakterisieren. Katalysatoren zur Reinigung von Kraft- 

13

ASPEKTE 

fahrzeugabgasen werden mit der EXAFS-Spektroskopie charakterisiert 

und optimiert. Ebenso wird Synchrotronstrahlung in der Biotechnolgie 

und zum Drug Design eingesetzt. Die Mikrostrukturierung von 

Werkstoffen im Hinblick auf die Nutzung in der Mikromechanik, die 

Herstellung von Mikrokomponenten wie auch lithographische Verfahren 

erfordern den Einsatz von Synchrotronstrahlung. Die Verwendung 

der Röntgenfluoreszenzspektroskopie stellt auf Grund ihres hochempfindlichen, 

elementspezifischen Nachweises eine weitere, wichtige 

industrienahe Charakterisierungsmethode dar. Da mit Synchrotronstrahlung 

Analysen mit hoher Ortsauflösung möglich sind, 

eröffnet sich hier, selbst auf fachfremden Gebieten, ein weites 

Anwendungsfeld. Man denke dabei zum Beispiel an die Begutachtung 

wertvoller Kunstgegenstände, archäologischer Funde und Antiquitäten. 

Erwähnung sollte hier auch die Reinheitskontrolle bei der 

Chipherstellung mittels Röntgenfluoreszenz finden. Selbst in der 

Forensik stellt die Röntgenfluoreszenz mittlerweile eine etablierte 

Methode dar. 

H. Untersuchung magnetischer Strukturen 

Mit der Entwicklung der Synchrotronstrahlungsquellen hat sich 

den Forschern ein weiteres Arbeitsgebiet eröffnet, nämlich die Untersuchung 

magnetischer Strukturen. Die resonante magnetische Röntgenstreuung 

trägt zur Aufklärung komplexer magnetischer Strukturen 

im Mikromaßstab bei. Weit wichtiger ist mittlerweile jedoch die experimentelle 

Zugänglichkeit des zirkularen magnetischen Röntgendichroismus 

(XMCD). Die Absorption von linear polarisierter Röntgenstrahlung 

von magnetischen Materialien hängt vom Betrag der 

Magnetisierung und vom Winkel der Magnetisierungsrichtung zur 

Ausbreitungsrichtung der Strahlung ab. Über die Änderung der Röntgenabsorption 

kann das mittlere magnetische Moment der Probe bestimmt 

werden. Der Vorteil dieser Charakterisierungsmethode liegt in 

ihrer hohen Genauigkeit und der elementspezifischen Bestimmung 

der einzelnen Spin- und Bahnmomente von Mehrkomponentensystemen. 

Die Bestrebungen in der Forschung sind dahingehend, das magnetische 

Verhalten verschiedener Stoffe auf mikroskopischer Ebene 

aufzuklären. Das erzielte theoretische Verständnis kann anschließend 

in die Entwicklung neuer Werkstoffe einfließen. Diese Möglichkeit ist 

speziell im Hinblick auf die Entwicklung neuer Speichermedien von 

großer Bedeutung. Orts- und zeitaufgelöste Untersuchungen an magnetischen 

Werkstoffen stellen ein aktuelles Gebiet der Forschung 

dar. 

KÜNFTIGE ENTWICKLUNGEN VON 

STRAHLUNGSQUELLEN 

Die Anzahl der Synchrotronstrahlungsquellen hat in den vergangenen 

Jahrzehnten stark zugenommen, da das enorme Potential dieser 

Strahlungsquellen weltweit erkannt wurde. Damit konnte sich die 

Nutzung der Synchrotronstrahlung von einer Domäne der Physik zu 

einem breit einsetzbaren Instrument etablieren, das auch fest in der 

Physikalischen Chemie verankert ist. Auf Grund des hohen Bedarfs an 

Synchrotronstrahlung werden verbesserte Strahlungsquellen in den 

kommenden Jahren zum Einsatz kommen. Die Attraktivität der 

Nutzung dieser Quellen liegt nicht nur in der Grundlagenforschung, 

sondern auch in der angewandten Forschung bis hin zur industriellen 

Nutzung. 

14 


Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Maschinenphysik werden 

vor allem den Nutzern von Synchrotronstrahlung zugute kommen. 

Nach der Bereitstellung von weiteren Hochbrillanzquellen, wie z. B. 

der bald anstehende Umbau des Speicherrings PETRA zu einer modernen 

Quelle für harte Röntgenstrahlung am DESY, sind neue und 

sehr viel weiter gehende Entwicklungen bereits klar umrissen. Freie- 

Elektronen-Laser, die nach dem Self Amplification of Spontaneous 

Emission (SASE)-Prinzip arbeiten, konnten bereits erfolgreich an der 

TESLA-Test-Facility am DESY in Hamburg in Betrieb genommen werden. 

Sie sind ähnlich in ihrer Maximalleistung wie moderne Hochleistungslaser 

im Labor, die aber nur langwellige Strahlung im Infrarot 

bzw. sichtbaren und UV-Bereich emittieren (z. B. Terawatt- und Excimer-Laser; 

s. Abb. 2). 

Abb. 2: Vergleich der Maximalleistung existierender und projektierter 

Strahlungsquellen als Funktion der Photonenergie bzw. der 

Wellenlänge (Quelle: BESSY). 

SASE-FEL werden künftig im weichen und harten Röntgenbereich 

arbeiten. Die Spitzenstrahlstärke dieser Quellen wird um bis zu zehn 

Größenordnungen über der von gegenwärtigen Synchrotronstrahlungsquellen 

liegen, wobei die Erzeugung von Pulslängen im Bereich 

von 20 Femtosekunden möglich sind. Es gelang bereits, erste Resultate 

an der TESLA-Test Facility am DESY mit dieser neuen Methode 

zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung zu erzielen. Ein Prototyp-Experiment 

bestand in der Fragmentation freier Cluster, wobei bisher unbekannte 

Fragmentationsprozesse beobachtet wurden. Die künftigen 

Anwendungen von FEL-Quellen sind für die Physikalische Chemie 

zwar bereits skizziert, aber keinesfalls bereits vollständig absehbar. Es 

bieten sich hervorragende Perspektiven für die Strukturforschung sowie 

für die Erforschung der dynamische Eigenschaften physikochemischer 

Systeme. Hierfür wird der Röntgen-FEL (TESLA-FEL), der als 

internationales Gemeinschaftsprojekt am DESY in Hamburg realisiert 

werden soll, eine zentrale Rolle spielen (s. Abb. 2). Es ist aber auch zu 

hoffen, dass diese neue Quelle zur Erzeugung hochintensiver Röntgen-Strahlung 

den Bau komplementärer Anlagen im Vakuum-UV- und 

weichen Röntgen-Bereich ermöglichen wird. Ein Vorschlag zur Realisierung 

einer solchen Anlage wird zurzeit bei BESSY erarbeitet.


Es zeichnen sich bereits heute Weiterentwicklungen von Speicherringanlagen 

für Synchrotronstrahlung ab, die auf dem ERL-Prinzip 

(Energy Recovery Linear Accelerator) beruhen. Allerdings wird es 

nach dem „Proof of Principle“ in den U.S.A. noch einige Jahre dauern, 

bis diese Strahlungsquellen zur allgemeinen Nutzung einsatzbereit 

sind. Der Vorteil gegenüber einem Speicherring besteht darin, dass 

extrem kurze Elektronenpakete mit sehr kleiner Emittanz die Beschleuniger-Anlage 

nur ein einziges Mal durchlaufen. Damit werden 

„Verschmierungen“ der Elektronenpakete, die im Speicherring nach 

vielen Umläufen auftreten, wirkungsvoll vermieden. Das Resultat ist, 

dass die Brillanz der emittierten Strahlung um Größenordnungen über 

der von heute führenden Speicherringanlagen liegen wird. 

AUSBLICK 

ASPEKTE 

Synchrotronstrahlung hat seit ihrer Entdeckung vor mehr als 50 

Jahren, wo sie als „Abfallprodukt“ in Beschleunigeranlagen beobachtet 

wurde, eine rasante und einmalige Entwicklung durchlaufen. Mit 

der Weiterentwicklung von Quellen für kurzwellige und hochintensive 

Strahlung werden sich künftig auch die Perspektiven und Erwartungen 

für ihre Nutzung verschieben. Dies gilt sowohl für die Grundlagenforschung 

als auch für die angewandte und industrielle Forschung 

im Bereich der Physikalischen Chemie. Den Möglichkeiten zur Erforschung 

physikochemischer Fragestellungen, vor allem auf den Gebieten 

von Struktur und Dynamik der Materie, sind damit keine absehbaren 

Grenzen gesetzt. 

15

TAGUNGEN 

Stefan Schmatz und Mirjana Mladenović 

39. Symposium für Theoretische Chemie 

Organisiert wurde es von Hans-Peter Lüthi (ETH Zürich), Martin 

Quack (ETH Zürich) und Jürgen Stohner (ZHW Winterthur). Die Konferenzsprache 

war wie bereits auf den vergangenen Tagungen Englisch. 

In 28 fünfundvierzigminütigen Vorträgen wurde die Intention der 

Veranstalter umgesetzt, Theorie und Experiment zusammenzubringen 

und einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu bieten. 

Die insgesamt 127 Poster aus allen Bereichen der Theoretischen 

Chemie wurden in zwei Abendsitzungen von den etwa 160 Tagungsteilnehmern 

lebhaft diskutiert. 

Jürgen Troe (Göttingen) zeigte, dass das Model statistischer adiabatischer 

Reaktionskanäle (statistical adiabatic channel model, SACM) 

für Dissoziations- und Assoziationsreaktionen in Verbindung mit klassischen 

Trajektorien-Rechnungen mitunter bis hinab in den Mikro-Kelvin-Bereich 

aussagekräftige Ergebnisse liefern kann. Eindrucksvoll 

demonstrierte Wim Klopper (Karlsruhe), dass explizit korrelierte Methoden 

der Elekronenstrukturtheorie ausgezeichnete Ergebnisse für 


Das 39. Symposium für Theoretische Chemie (STC 2003) fand unter dem Titel „Molecular Spectroscopy 

and Dynamics“ vom 28. 9. bis 2. 10. 2003 in Gwatt am Thuner See (Schweiz), einem landschaftlich äußerst 

attraktiven Tagungsort, statt. 

Das direkt am Thuner See gelegene Gwatt-Zentrum bot eine sehr 

angenehme Atmosphäre. 

Priv.-Doz. Dr. Stefan Schmatz, Priv.-Doz. Dr. Mirjana Mladenović, 

Institut für Physikalische Chemie, 

Georg-August-Universität Göttingen, Tammannstr. 6, 37077 Göttingen, 

E-Mail: sschmat@gwdg.de, mmladen@gwdg.de 

16 

sehr kleine Moleküle liefern können; für Anwendungen an Systemen 

mit 50 oder mehr Atomen sind jedoch vereinfachte explizit korrelierte 

Coupled-Cluster-Modelle, wie CC2-R12 oder CCSD(R12), erforderlich. 

Hans-Joachim Werner (Stuttgart) berichtete über bahnbrechende 

Fortschritte bei der Behandlung der lokalen Elektronenkorrelation 

(MP2 und Coupled Cluster-Methoden) mit linearer Skalierung. Die besonders 

kostenintensive Transformation von Zweielektronen-Integralen 

kann durch eine lokale Dichteanpassung (local density fitting) erheblich 

verbessert werden. In einem von der Zeitschrift Physical 

Chemistry Chemical Physics finanzierten 

Vortrag berichtete 

Kimihiko Hirao (Tokio) u.a. 

über Rechnungen zu spektroskopischen 

Konstanten und 

Strukturen kleiner Moleküle, 

elektronisch angeregte Zustände 

von Übergangsmetallkomplexen 

und Wasser-Cluster. 

Die sechsdimensionale intramolekulare 

Dynamik von Systemen 

vom Typ HONO, die eine 

cis-trans-Isomerisierung 

aufweisen, behandelte David 

Luckhaus (Göttingen). Adiabatische 

Kontraktionstechniken 

erlauben es, die Dynamik bei 

sehr hohen Energien (bis zum 

sechsten Oberton der OH- 

Streckschwingung) zu studieren. 

Marius Lewerenz (Paris) 

zeigte am Beispiel des Thiiran-HF-Dimeren, dass die Einbeziehung der 

Kopplung an niederfrequente Moden essentiell zur Behandlung der 

experimentell und theoretisch untersuchten Verschiebung der hochfrequenten 

HF-Mode ist. Walter Thiel (Mülheim) referierte über qualitativ 

hochwertige ab initio Potentialhyperflächen, die in störungstheoretischen 

und variationellen Verfahren zur Berechnung der 

Schwingungs-Rotations-Struktur verwendet wurden. Über Fortschritte 

in der Behandlung des intermolekularen Zerfalls und des ultraschnellen 

Energietransfers in Clustern und schwach gebundenen Systemen 

berichtete Lorenz Cederbaum (Heidelberg). Der Mechanismus 

des intermolekularen Coulomb-Zerfalls in molekularen Komplexen 

nach Innerschalen-Ionisierung wurde im Einzelnen begründet. 

Über theoretische Untersuchungen an katalytisch wirkenden Übergangsmetalloxiden 

sprach Joachim Sauer (Berlin). Für Vanadiumoxid, 

das bei der Oxidation von Methanol zu Formaldehyd verwendet wird, 

wurde mittels Dichtefunktional-Methoden der Einfluss der Teilchen-


größe des Katalysators, von der idealen Kristalloberfläche bis hin zum 

Gasphasen-Cluster, studiert. 

Gernot Frenking (Marburg) beschäftigte sich mit der Interpretation 

der chemischen Bindung. Die Differenzierung in elektrostatische 

und kovalente Bindungsanteile anhand der Energie-Aufteilungs-Analyse 

wurde u.a. an Übergangsmetallkomplexen veranschaulicht. 

Von eindrucksvollen zustandsaufgelösten Experimenten an Molekül-Oberflächen-Reaktionen 

berichtete Rainer Beck (Lausanne). Die 

Chemisorption von Methan an einer Nickel-Oberfläche wurde für mehrere 

Schwingungsanregungen des Adsorbats untersucht, wobei deutlich 

verschiedene Reaktivitäten für unterschiedliche, aber nahezu 

isoenergetische Schwingungsniveaus gefunden wurden. John Maier 

(Basel) sprach über elektronische Spektren von Kohlenstoffketten sowie 

deren Kationen und Anionen, wobei er die Implikationen für die 

Astrophysik einerseits und die Nanotechnologie anderseits herausstellte. 

Samuel Leutwyler (Bern) präsentierte eine experimentelle 

Studie des komplizierten Protonentransfers entlang drahtförmiger, 

wasserstoffbrückengebundener Komplexe am Beispiel von 7-Hydroxychinolin-(NH3)3. 

Während des Symposiums wurde zum fünften Male der Hellmann- 

Preis verliehen. Diesjähriger Preisträger war Georg Kresse (Wien). Der 

Titel seines Vortrages lautete The importance of single electron orbitals 

for the description of CO adsorption 

on surfaces. Den Preis 

bekam Kresse für "die quantenmechanische 

Behandlung komplexer 

Systeme der kondensierten 

Materie". Mit der 

Weiterentwicklung von Dichtefunktionalmethoden 

für ebene 

Wellen und ihrer effizienten 

programmtechnischen Implementierung 

habe Kresse der 

first principles-Simulation von 

Festkörpern und Festkörper- 

Hellmann-Preisträger 

Georg Kresse 

TAGUNGEN 

oberflächen einen weiten Kreis 

neuer Anwendungen erschlossen. 

Das 40. Symposium für Theoretische Chemie wird von Gernot 

Frenking vom 19. 9. bis 23. 9. 2004 in Suhl (Thüringen) organisiert 

werden. 

17

TAGUNGEN 

Organisation: SFB 458 (Chair: Prof. Dr. K. Funke) and SPP 1136 (Chair: Prof. Dr. J. Janek) 

Ionic materials with disordered structures play a central role in the 

rapidly developing field of technological applications now known as 

SOLID STATE IONICS. These materials include crystals, glasses, and 

polymers. In crystals, the extent of disorder ranges from isolated point 

defects to completely disordered sublattices. Lattice periodicity is lost 

in the glassy state, and polymers even lack a rigid matrix. In ionic materials, 

disorder is both static and dynamic in character, ionic movements 

and ionic transport being highly correlated phenomena. This is 

a consequence of the combined effects of structure and interaction. 

The Discussion Meeting is devoted to fundamental aspects of ionic disorder, 

movement and transport as well as to future technological applications. 

Work being presented and discussed includes the synthesis 

and characterisation of new disordered ionic materials, the 

experimental study of ionic motion and mass transport by complementary 

techniques and the attempt to understand the complex ion 

dynamics by the help of numerical simulations and physical models. 

This comprehensive programme will provide a basis for designing materials 

with optimised ion-transport properties. In particular, there is 

now great interest in tailoring new ionic materials based on solid solutions 

containing a variety of different ions. Therefore, the meeting also 

includes contributions from exploratory work on new ionic materials 

in the field of solid state chemistry. 

THE MEETING CONCENTRATES ON THE 

FOLLOWING TOPICS: 

• New materials: synthesis and characterisation 

• Mobile ions: structural environments and elementary steps 

• Hopping dynamics: from elementary steps to macroscopic transport 

• Variation of composition: effects on structure and dynamics 

• Solid state ionics: future applications of ion conducting materials 


84th International Bunsen Discussion Meeting 

“Structure and Dynamics of Disordered Ionic Materials” 

Münster, October 6 – 8, 2004 

18 

A PRELIMINARY LIST OF SPEAKERS INCLUDES 

THE FOLLOWING COLLEAGUES: 

N. Allan (Bristol), C.A. Angell (Tempe), M. Armand (Montréal), A.N. 

Cormack (Alfred), R. Dieckmann (Cornell), J. Fleig (Stuttgart), M. Forsyth 

(Monash), C. Grey (Stony Brook), R. Grimes (Imperial), J. Horbach 

(Mainz), E. Kamitsos (Athens), T. Kawada (Tohuku), J. Kilner (London), 

D.R. MacFarlane (Monash), T. Norby (Oslo), J. Schoonman (Delft), 

W. Sitte (Leoben), J.-M. Tarascon (Amiens), C.G. Vayenas (Patras), 

and several colleagues from SFB 458 and SPP 1136 

The Sessions of the Discussion Meeting will be held in the Lecture 

Hall of Physikalisches Institut/Institut für Materialphysik, Wilhelm- 

Klemm-Strasse 10, D 48149 Münster, Germany. Münster is connected 

to all major German cities by both motorway (“Hansalinie”) and 

rail (“IC system” of Deutsche Bahn). The local airport FMO (Münster/ 

Osnabrück) provides regular flight connections to and from Berlin, 

Frankfurt, London, München, Stuttgart, and Zürich. For accommodation, 

there is a reasonable choice of nearby hotels in Münster. 

Organising Committee: Klaus Funke (Münster), Jürgen Janek 

(Gießen), Helmut Mehrer (Münster), Michael Binnewies (Hannover)


Bernhard Dick 

Sparprogramme 

SPAREN IM STAATLICHEN ZOO 

Das Zooministerium beschließt im Februar, dem staatlichen Zoo 

10 % des Futters wegzunehmen. Im Juni wird die Quote auf 15 % erhöht. 

Im November wird schließlich eine weitere Kürzung von 10 % 

aller Resourcen des Zoos verfügt, also nicht nur Futter, sondern auch 

Betriebskosten und Personal. Gleichzeitig ergeht an alle Tiere der 

dienstliche Befehl, kräftig und gesund zu sein! 

Auf den Protest der Zooleitung hin verkündet der Minister, dass es 

zu den Kürzungen keine Alternative gebe. Gleichzeitig gibt er die Verantwortung 

an die Zooleitung weiter und fordert sie auf, durch profilbildende 

Maßnahmen die Einsparungen in der geforderten Höhe beizubringen. 

In dieser Zwangslage sieht der Zoo keine andere Möglichkeit als 

25% der Tiere zu schlachten. Um die Attraktivität des Zoos nicht zu 

gefährden, werden Publikumslieblinge (Delphine, Streicheltiere etc.) 

von dieser Maßnahme ausgenommen. Es werden daher hauptsächlich 

solche Tiere geschlachtet, die eigentlich niemand braucht und die 

sowieso demnächst aussterben würden. Der Minister lobt den mutigen 

Schritt als Beweis dafür, dass auch ein staatliche Zoo – mit Unterstützung 

durch ein wenig finanziellen Druck – in der Lage sei, seine 

vergangenheitsorientierte Haltung aufzugeben und sich 

entschlossen der Zukunft zuzuwenden. 

Einige Zoobesucher warfen der Zooleitung später übermäßige 

Grausamkeit vor mit der Behauptung, man habe das Fleisch der geschlachteten 

Tiere an die übrig gebliebenen Tiere verfüttert und sie so 

zum Kannibalismus gezwungen. Dem muss energisch widersprochen 

werden. Alles Fleisch wurde pflichtgemäß an die Küche des Zooministeriums 

abgeliefert. Aus üblicherweise gut unterrichteter Quelle 

wurde bekannt, dass das Fleisch auf einem Bankett des Zooministers 

mit hochrangigen Vertretern der Tierverwertungsindustrie verzehrt 

wurde. 

Im Februar des folgenden Jahres gibt der Zoominister bekannt, 

dass angesichts der finanziellen Situation der öffentlichen Haushalte 

der Zoologische Garten nicht länger von den Sparmaßnahmen ausgenommen 

werden dürfe sondern nun endlich auch einen Beitrag zur 

Konsolidierung liefern müsse. Daher habe er mit sofortiger Wirkung 

eine Kürzung der Futtermittel von 10 % angeordnet…. 

Epilog: Fünf Jahre später wird der Zoo vom Minister in „Besichtigungsanstalt 

für nützliche Tiere“ umbenannt. Ein weiteres Jahr später 

meldet der Zoo, dass zum Jahresende die letzten lebenden Tiere 

(eine Herde von Milchkühen) geschlachtet werden müssten. An ihrer 

Stelle sollen Plakatwände mit lebensgroßen Photographien aufgestellt 

werden. 

ZUR AKZEPTANZ DES BACHELORS 

LESERBRIEFE 

Das „Ministeriums für Berufsausbildung“ hat bekannt gegeben, 

dass es im Landtag ein Gesetz zur Steigerung der Akzeptanz des Bachelorabschlusses 

einbringen wird. Dieses Gesetz sieht vor, dass alle 

politischen Amtsträger sich nur noch von solchen Ärzten behandeln 

lassen dürfen, die ihr Studium in der 6-semestrigen Regelstudienzeit 

mit dem Bachelor abgeschlossen haben und dann in den Beruf gegangen 

sind. Ärzte, die nachweisen können, dass sie keine weiteren 

Qualifikationen besitzen, erhalten ein Zertifikat, das sie zur Durchführung 

dieser Behandlungen berechtigt. Das Zertifikat ist deutlich 

sichtbar im Wartezimmer anzubringen. Wie der Sprecher des Ministeriums 

auf der gestrigen Pressekonferenz mitteilte, wird dieses Gesetz 

das leider noch weit verbreitete Misstrauen gegen die angeblich 

mindere Qualität von Bachelorabschlüssen in kurzer Zeit abbauen. 

19

NACHRICHTEN 

EHRUNGEN 

Otto Dopfer, PD Dr., Universität Würzburg, 

Institut für Physikalische Chemie, Mitglied 

der Bunsen-Gesellschaft, erhielt von 

der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen 

den diesjährigen Akademiepreis für Chemie. 

Hartmut Fueß, Prof. Dr., an der Technischen 

Universität Darmstadt, Mitglied der 

Bunsen-Gesellschaft, erhielt für seine „herausragenden 

Beiträge zur Strukturforschung 

mit Neutronen und Synchrotronstrahlung“ 

die Würde eines Doctor honoris causa der 

Technischen Universität Bratislava, Slowakei. 

Gregor Hoogers, Prof. Dr., Wasserstofftechnologie 

und Brennstoffzellen am Umwelt-Campus 

Birkenfeld der Fachhochschule 

Trier, Mitglied der Bunsen-Gesellschaft, erhielt 

für seine besonderen Leistungen in Lehre 

und Forschung den mit 25.000 € dotierten 

Preis der Akademie der Wissenschaften und 

Literatur, Rheinland-Pfalz. 

Walter Richtering, Prof. Dr., Lehrstuhl für 

Physikalische Chemie II RWTH Aachen, Mitglied 

der Bunsen-Gesellschaft, erhielt den 

Raphael-Eduard-Liesegang-Preis der Kolloidgesellschaft. 

GEBURTSTAGE 

IM JANUAR 2004 

Klaus Luther, Prof. Dr., Göttingen, 60. Geburtstag 

am 1. Januar. 

Dieter Gold, Dr., Voreppe Cedex, 60. Geburtstag 

am 2. Januar. 

Horst Jahnke, Dr., Stuttgart, 70. Geburtstag 

am 17. Januar. 

Heinz Witschi, Dr., Bern, 70. Geburtstag 

am 19. Januar. 

Manfred Stockburger, Dr., Göttingen, 

75. Geburtstag am 4. Januar. 

Horst Gentsch, Prof. Dr., Hannover, 

80. Geburtstag am 14. Januar. 

20 

GEBURTSTAGE 

IM FEBRUAR 2004 

Claus D. Eisenbach, Prof. Dr., Stuttgart, 

60. Geburtstag am 14. Februar. 

Jürgen Garche, Prof. Dr., Ulm, 60. Geburtstag 

am 23. Februar. 

Hansjörg Paetow, Dr., Marsac, 60. Geburtstag 


Uwe Krüger, Dr., Konstanz, 65. Geburtstag 


Siegfried Ebel, Prof. Dr., Würzburg, 


Helmut Thomann, Prof. Dr., München, 


Karl-Heinz Drexhage, Prof. Dr., Siegen, 


Manfred Winnewisser, Prof. Dr., Worthington/Ohio, 


Hans-Jürgen Knopf, Dr., Frankenthal, 


Gerd Sandstede, Dr., Frankfurt/Main, 


Erhard W. Fischer, Prof. Dr., Mainz, 


Joao Simao, Prof. Dr. Dr., Aveiro, 75. Geburtstag 


VERSTORBEN 

Dr. Dieter Horn, Schröderstr. 69, 69120 

Heidelberg, verstorben am 20.10.2003 

Prof. Dr. Willi Lindemann, Pfisterstr. 3, 

96050 Bamberg, verstorben am 26.10.2003 

NEUANMELDUNGEN 

ZUR MITGLIEDSCHAFT 

Nr. 78476 Wilhelm-Ostwald-Gesellschaft zu 

Grossbothen e.V., Grimmaer 

Str. 25, 04668 Großbothen 

(durch K. Funke) 


Nr. 78477 Dr. Hans-Joachim Kohnke, 

Gaskatel GmbH, Holländische 

Str. 195, 34127 Kassel 

(durch H. Behret) 

Nr. 78478 Dr. Jacob Piehler, Johann-Wolfgang-Goethe 

Universität, Institut 

für Biochemie, Biozentrum N210, 

Marie-Curie-Str. 9, 60439 Frankfurt 


Nr. 78479 Dr. Timo Fleig, Heinrich-Heine- 

Universität Düsseldorf, Institut 

für Theoretische Chemie, Universitätsstr. 

1, 40225 Düsseldorf 

(AGTC) 

Nr. 78480 Dr. Daniel Sebastiani, MPI Polymerforschung, 

Ackermannweg 

10, 55128 Mainz (AGTC) 

Nr. 78481 Dr. Erwin Marti, APCh Marti 

Consulting, Im langen Loh 181, 

CH-4054 Basel, Schweiz 


Nr. 78482 Dominike Zielniok, M.Sc., Westfälische 

Wilhelms Universität 

Münster, Institut für Physikalische 

Chemie, Correnstr. 30, 

48149 Münster (durch K. Funke) 

Nr. 78483 Prabhakar Singh, Westfälische 

Wilhelms Universität Münster, 


Correnstr. 30, 48149 Münster 


Nr. 78484 Dr. Radha, Dilip Banhatti, Westfälische 



Chemie, Correnstr. 30, 

48149 Münster (durch K. Funke) 

Nr. 78485 Dr. Sevi Murugavel, Westfälische 





Nr. 78486 Dr. Halgard Staesche, Westfälische 



Chemie, Correnweg 30, 

48149 Münster (durch K. Funke)


Nr. 78487 Dr. Yong Gao, Westfälische 





Nr. 78488 Dr. Christian Graf, Universität 

Würzburg, Institut für Physikalische 

Chemie, Am Hubland, 

97074 Würzburg (durch E. Rühl) 

Nr. 78489 Dr. Roger de Souza, RWTH 

Aachen, Institut für Physikalische 

Chemie, Templergraben 59, 

52056 Aachen (durch M. Martin) 

Nr. 78490 Dr. Richard Sauter, Hochackerstr. 

11, 74535 Mainhardt, 


VERANSTALTUNGEN 

Tagungen der 

Deutschen Bunsen-Gesellschaft 

Bunsentagung 2004 

Thema: „Biomolekulare Grenzflächen“ 

20.–22. Mai, Dresden 

Wissenschaftliche Vorbereitung: 

A. Blume (Halle); R. Winter (Dortmund) 

Organisatorische Vorbereitung: 

Th. Wolff (Dresden) 

Vorbereitung des Industriesymposiums 

„Biologische Makromoleküle: zur Synthese, 

Analytik und Verarbeitung“ (Arbeitstitel): Dr. 

Schild (Leverkusen), Dr. Bender (Ingelheim) 

Bunsentagung 2005 

5.–7. Mai, Frankfurt 

Thema: „Detektion und Dynamik einzelner 

Moleküle“ 


Ch. Bräuchle (München), Th. Basché (Mainz) 


B. Brutschy (Frankfurt) 

Bunsentagung 2006 

25.–27. Mai 

Thema: „Heterogene Katalyse: Brücke 

zwischen Ideal- und Realsystemen“ 

(Arbeitstitel) 


R. Imbihl (Hannover) 


G. Grampp, Graz 

Informationen zu den Bunsentagungen: 

Geschäftsstelle der Deutschen Bunsen- 

Gesellschaft 

Joint Meeting 2004 

Deutsche Bunsen-Gesellschaft 

für Physikalische Chemie 

Koninklijke Nederlandse 

Chemische Vereniging 

The Royal Society of Chemistry – 

Faraday Division 

Società Chimica Italiana – 

Divisione di Chimica Fisica 

Société Française de Chimie – 

Division de Chimie Physique – 

82 th International 

Bunsen Discussion Meeting 

„Raman and IR-Spectroscopy in Biology and 

Medicine“ 

1.–2. März, Jena 

Scientific Organization: 

J. Popp (Jena), M. Manfait (Reims Cedex) 

83 rd International 


„In situ Spectro-Electrochemistry“ 

24.–27. Oktober 2004, Dresden 

Scientific Organization: L. Dunsch (Dresden) 

Information: 

E-Mail: l.dunsch@ifw-dresden.de 

(Ankündigung in diesem Heft) 



„Structure and Dynamics of Disordered 

Ionic Materials“ 

4.–10. Oktober 2004, Münster 

Scientific Organization: K. Funke (Münster), 

J. Janek (Gießen), M. Binnewies (Hannover) 

NACHRICHTEN 



„Chemische Elementarprozesse von 

Molekül-Ionen“ (Arbeitstitel) 

15.–17. September 2004, Marburg 


K.-M. Weitzel (Marburg) 

Information: 

weitzel@chemie.uni-marburg.de 

Internet: 

http://chemie.uni-marburg.de/~weitzel/ion2004/ 



„International Workshop on the Structure 

and Dynamics of free Clusters and Nanoparticles 

using short wavelength radiation“ 

10.–12. September 2005, 

Physikzentrum, Bad Honnef 

Scientific Organization: E. Rühl, Würzburg 

87. Bunsen Kolloquium 

„Organische Festkörperelektrochemie: 

Grundlagen und Anwendungen 

31. März, 2004, Golm/ Potsdam 

Organisation: Silvia Janietz, IAP Golm, 

Lothar Dunsch, IFW Dresden 

Information E-Mail: bunsen87@iap.fhg.de 

Internet: 

http://www.iap.fhg.de/german/veme/bunsen 

88. Bunsen-Kolloquium 

zum 60. Geburtstag von Prof. Garche, Ulm 

„Brennstoffzellen und Batterien: 

Wo liegen die Gemeinsamkeiten und die 

Unterschiede?“ 

14./15. Juni 2004, 

Tagungszentrum Kloster Roggenburg 

Organisation: 

Dr. K.A. Friedrich und Dr. L. Jörissen, Ulm 

BUNSENTAGUNG 2004 – DRESDEN 

FRISTEN UND TERMINE 

Bitte beachten Sie folgende Fristen und Termine. Das vollständige Programm wird im 

nächsten Heft abgedruckt. 

31. Januar 2004 Anmeldeschluss für die Beantragung von Stipendien 

für Studierende und Doktoranden 

31. Januar–22. April 2004 Achtung: in diesem Zeitraum liegen die Verfallstermine 

der Hotelkontingente 

10. April 2004 Anmeldeschluss für die Teilnahme an der Tagung 

21

NACHRICHTEN 

40 th Symposium on Theoretical Chemistry 

„Computational Chemistry“ 

19.–23. September 2003, Suhl (Thueringen) 


G. Frenking (Marburg) 

WEITERE VERSAMMLUNGEN 

UND VERANSTALTUNGEN 

Faraday Discussion No: 127 

„Non-adiabatic effects in chemical dynamics“ 

5–7 April 2004, University of Oxford, UK 

Deutsche Glastechnische Gesellschaft 

Jahrestagung 2004 

7.–9. Juni 2004, Nürnberg 

Informationen: www.hgv-dgg.de 

ISE 2004 Annual Meeting 

55 th Annual Meeting on the International 

Society of Electrochemistry 

19–24 September 2004 Thessaloniki, Greece 

Information: www.isechemistry.gr 

SPICA 2004 

International Symposium on Preparative 

and Industrial Chromatography and Allied 

Techniques 

17–20 October 2004, Aachen 

Information: www.dechema.de/spica 

Weltingenieurkongress 

World Engineers’ Convention 

3–6 November 2004, Shanghai 

Informationen: 

Internetseite www.wec2004.org 

22 

IMPRESSUM 

Bunsen-Magazin Heft 1, Jahrgang 6 

Herausgeber: 

Vorstand der Deutschen 

Bunsen-Gesellschaft 

Klaus Funke 

Hans-Jürgen Leuchs 

Wolfgang Grünbein 

Kuratorium: 

Helmut Baumgärtel 

Dieter Distler 

Gerhard Ertl 

Friedrich Hensel 

Heinz-Georg Wagner 

VERSCHIEDENES 

Otto-Klung-Weberbank-Preis 

an der Freien Universität Berlin 

Seit 2001 wird der Otto-Klung-Weberbank- 

Preis in Kooperation zwischen der Freien Universität 

Berlin und der Fördergesellschaft der 

Weberbank, Berlin, vergeben. Gemeinsames 

Ziel der Stifter ist es, im jährlichen Wechsel 

zwischen Chemie und Physik jüngere 

deutsche Spitzenwissenschaftler/innen 

für herausragende Leistungen auszuzeichnen. 

Vier der bisherigen Preisträger wurden 

später mit dem Nobelpreis, andere mit bedeutenden 

nationalen und internationalen 

Auszeichnungen (u.a. acht Leibniz-Preisen) 

geehrt. Im Jahr 2002 erhielt Tom Tuschl (Göttingen, 

jetzt Rockefeller University, New 

York) den Chemiepreis für seine Arbeiten zu 

den Interference RNAs. J. Spatz (Heidelberg) 

wurde mit dem Physikpreis 2003 geehrt für 

seine Studien zur Biomechanik geehrt. 

Mit einer Preissumme von nunmehr 

25.000 Euro handelt es sich um eine der 

höchstdotierten Auszeichnungen für jüngere 

Naturwissenschaftler in Deutschland. Für 

den Chemiepreis 2004 erbittet die Auswahlkommission 

bis 15. Februar 2004 Vorschläge 

(Selbstbewerbung ausgeschlossen). Der/die 

Preisträger/in sollte zum Zeitpunkt der Verleihung 

das vierzigste Lebensjahr noch nicht 

überschritten haben, deutscher Abstammung 

sein und durch besonders originelle 

und richtungweisende Beiträge in der Chemie 

ausgewiesen sein. 

Kontaktadresse für Informationen zum 

Preis sowie Vorschläge für Kandidaten/innen: 

Prof. Dr. H.-U. Reißig, Institut für Chemie, 

Freie Universität Berlin, Takustr. 3, 14195 

Berlin. 

Schriftleiter: 

Peter C. Schmidt 

Institut für 

Physikalische Chemie 

Technische Universität 

Darmstadt 

Petersenstr. 20 

D-64287 Darmstadt 

Tel.: 0 61 51/16 27 07 

Fax: 0 61 51/16 60 15 

E-Mail: bunsen@pc.chemie.tudarmstadt.de 

Geschäftsführer 

der Deutschen 

Bunsen-Gesellschaft: 

Dr. Heinz Behret 

Varrentrappstr. 40–42 

D-60486 Frankfurt 

Tel.: 0 69/7 91 72 01 

Fax: 0 69/7 91 74 50 

E-Mail: h.behret@bunsen.de 

Internet: 

http://www.bunsen.de 


Neue Förderausschreibung im 

BioFuture-Wettbewerb 

für Nachwuchsforscher 

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung 

(BMBF) hat im Oktober 2003 eine 

weitere Runde im international beachteten 

und hoch dotierten BioFuture-Wettbewerb 

gestartet Dazu können sich Interessenten 

bis 22. März 2004 mit einer Projektskizze bewerben. 

Gefördert werden Nachwuchsgruppen, 

die aus dem Wettbewerb hervorgehen. Die 

Förderung schließt die Stelle des Nachwuchsgruppen-/Projektleiters 

bzw. der -leiterin 

mit ein. Von den Arbeitsgruppen sollen 

Themen bearbeitet werden, die im Grenzbereich 

zwischen Biologie und ihren Nachbardisziplinen 

wie Chemie, Physik, Mathematik, 

Informatik, Ingenieurwissenschaften, Nanotechnologie 

usw. angesiedelt sind. 

Gefördert werden jüngere deutsche oder 

ausländische Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, 

die promoviert oder habilitiert 

sind und bereits Erfahrung in der Leitung einer 

Arbeitsgruppe besitzen. 

Weitere Informationen unter: 

http://www.fz-juelich.de/ptj/index.php?index=474 

Analytische Chemie in der FECS 

Dr. Ernst-Heiner Korte, Sekretär der Federation 

of European Chemical Societies and Professional 

Institutions (FECS) und dort der Vertreter 

der Deutschen Bunsen-Gesellschaft, 

hat einen neuen Informationsbrief über die 

Analytische Chemie in der FECS herausgegeben. 

Information: E-mail: korte@isas-berlin.de 

Technische Herstellung: 

Brönners Druckerei 

Breidenstein GmbH 

Brüningstraße 580 

D-65929 Frankfurt am Main 

Tel.: 0 69/26 00-1 00 

Fax: 0 69/26 00-1 96 

E-Mail: 

i.rausch@broenner.de


FECS Presidents meet in Barcelona 

The Real Sociedad Española de Quimica hosted the largestever 

gathering of Presidents of chemical societies in Europe 

during the FECS meetings in Barcelona on 2–3 October. 

Participants included 48 Presidents or other representatives from 

35 chemical societies, including Prof. Funke, DBG, and professional 

institutions in 25 countries, together with representatives 

of other European and international organisations, meeting under 

the Chairmanship of the FECS President, Professor Gábor Náray- 

Szabó, Hungarian Chemical Society. 

Dr Reto Battaglia, Past President of FECS, launched the new 

FECS Database for Chemical Scientists, with a recommendation 

that member societies promote this initiative among their members, 

saying that it would 

• become a major source of expertise for chemical science 

across Europe 

• promote networking between chemists across national boundaries 

and specialist chemical areas 

• be a unique resource to identify experts in chemical science for 

comment and advice on policy issues from the EU 

European Chemistry Thematic Network, (http://www.cpe.fr/ectn/) 

deals with the latest proposal for a chemistry Eurobachelor which 

was endorsed by FECS, with a recommendation that member societies 

should give support in their respective countries to the 

emerging Eurobachelor qualification. 

On the recommendation of the Italian Chemical Society, FECS established 

a new working group on Chemistry in Life Sciences, to 

ensure that FECS can influence this area which has a key role in 

the post-genomic era and is attracting increasing numbers of 

young scientists. 

Professor Gábor Náray-Szabó reported preliminary arrangements 

for the 1st FECS European Chemistry Congress, 27–31 August 

2006, which included an impressive list of applications to mount 

‘hot-topic’ sessions, the final selection to be made by the Scientific 

Advisory Board under the chairmanship of Professor Jean- 

Marie Lehn. 

NACHRICHTEN 

A FECS Lectureship was awarded to Professor Andreas Manz, 

Imperial College, London and he will deliver his Lecture during Euroanalysis 

XIII which is being organised by the FECS Division of 

Analytical Chemistry in Salamanca, Spain, on 5–10 September 

2004. 

The FECS Award for Service was given to 

• Professor Leiv Sydnes, Norwegian Chemical Society, and President 

Elect of IUPAC, in recognition of his significant contribution 

to European cooperation in chemistry and public appreciation 

of chemistry 

• Professor Wilhelm Fresenius, German Chemical Society and 

member of DBG, in recognition of his significant contribution to 

European cooperation in analytical chemistry. 

A discussion group examined ways in which FECS societies could 

cooperate in promoting chemistry as a subject of choice at university 

and in improving the image of chemistry as a career among 

young people; while the numbers of young people studying chemistry 

at school are relatively stable in several countries, in many 

countries the numbers opting for chemistry at university countries 

are continuing to decline. A second discussion group explored issues 

affecting the movement of highly qualified young scientists 

from EU countries towards the US and from the candidate countries 

towards the west and towards the US. The creation of a legal 

entity for FECS to enable it to hold a centralised budget and 

support future FECS projects, including activities to influence EU 

decision makers, was discussed by a third group. Reports on all 

three discussion groups will be posted on the FECS web site 

Further information on FECS is available from Evelyn McEwan 

mcewane@rsc.org or on the web site www.fecs-chemistry.org – 

the AllChemE web site is www.allcheme.org 

Secretariat Ms Evelyn McEwan, Royal Society of Chemistry, 

Burlington House, Piccadilly, London W1J 0BA 

Tel:+44 20 7440 3303 

Fax:+44 20 7437 8883 

e-mail: mcewane@rsc.org 

23

ZEITSCHRIFT FÜR 

PHYSIKALISCHE CHEMIE PCCP 

HEFT 11 (2003) 

Ion-Solvent Interactions and Determination 

of Single-Ion Gibbs Energies of Transfer from 

the Studies of the Solubility and Dissociation 

Constants of Oxalic Acid in Aquo + Methanolic 

Mixtures 

S. K. Gumtya, S. C. Lahiri 1341 

Formation of Nanoparticles by Photolysis 

from Metal and Carbon Bearing Molecules 

A. Emelianov, A. Eremin, H. Jander, H. Gg. 

Wagner 1361 

Electrochemical Behavior and Enhanced Stability 

of a Thin Film of Prussian Blue Deposited 

under Magnetic Field 

A. Eftekhari 1369 

Influence of Iron Content on the Electrical 

and Dielectric Properties of 

La0.7Ba0.3Co1-yFeyO3 

M. Sh. Khalil 1387 

Establishment of Micellar Catalytic Field 

Using the p-Nitro-o-Carboxylbenzeneazo-8- 

Amino-quinoline – Cetyltrimethylammonium 

Bromide – Co(II) Ternary Complexation 

H.-W. Gao, J.-X. Yang, J.-F. Zhao 1399 

Heteroassociation of Selected Diols with 

some Tertiary Amines 

A. Kolbe, M. Plass 1411 

Bursting Oscillations in the Revised Mechanism 

of the Hemin – Hydrogen Peroxide – 

Sulfite Oscillator 

R. Straube, St. C. Müller, M. J. B. Hauser 

1427 

HEFT 12 (2003) 

Special Issue dedicated to Professor Hans- 

Heinrich Limbach on the occasion of his 60th 

birthday 

Hydrogen Bond Mediated Association of 

Dinucleotide Analogs 

E. M. Basílio Janke, K. Weisz 1463 

Revealing CSA Tensors and Hydrogen Bonding 

in Methoxycarbonyl Urea: A combined 

13 15 13 14 C, N and C N2 Dipolar Chemical Shift 

NMR and DFT Study 

S. Macholl, F. Börner, G. Buntkowsky 1473 

24 

The Intramolecular Hydrogen-Bond in Malonaldehyde 

as Seen by Infrared Spectroscopy. 

A Four-Dimensional Model Study 

N. Dosˇlić, O. Kühn 1507 

Proton Transfer to Organometallic Hydrides 

via Unconventional Hydrogen Bonding: Problems 

and Perspectives 

N. V. Belkova, E. I. Gutsul, E. S. Shubina, L. 

M. Epstein 1525 

Synthesis of Monodisperse Heptanol Stabilized 

Ruthenium Nanoparticles. Evidence for 

the Presence of Surface Hydrogens 

K. Pelzer, K. Philippot, B. Chaudret 1539 

Interpretation of Hydrogen/Deuterium Isotope 

Effects on NMR Chemical Shifts of [FHF] – 

Ion Based on Calculations of Nuclear Magnetic 

Shielding Tensor Surface 

N. S. Golubev, S. M. Melikova, D. N. Shchepkin, 

I. G. Shenderovich, P. M. Tolstoy, G. S. 

Denisov 1549 

Computed EOM-CCSD 19 F- 19 F Spin-Spin 

Coupling Constants in Small Organic Molecules 

J. E. Del Bene, I. Alkorta, J. Elguero 1565 

Quantum Simulations for Isotope Effects of 

IR + UV Laser Pulses on Symmetry and Selective 

Hydrogen Bond Breaking 

N. Elghobashi, L. González, J. Manz 1577 

The Freezing of n-Alkanes C15H32 and 

C17H36. 

An Unsual Mechanism of Homogeneous 

Nucleation 

I. M. Weidinger, J. Klein, P. Stöckel, E. Biller, 

H. Baumgärtel, Th. Leisner 1597 

Influence of Cation Exchange on the 27 Al- 

NMR Spectra of Zeolites 

W. Masierak, T. Emmler, G. Buntkowsky, a. 

Gutsze 1613 

Solid State NMR Connectivity Studies in Dipolarly 

Coupled Inorganic Networks: Site Assignments 

in the Solid Electrolyte Material 

(CuI)8P12 

G. Brunklaus, J. C. C. Chan, H. Eckert 1627 

2D NMR Nutation Analysis of Non-Thermal 

Polarization of Coupled Multi-Spin Systems 

K. L. Ivanov, K. Miesel, H.-M. Vieth, A. V. Yurkovskaya, 

R. Z. Sagdeev 1641 

Das Heft 23/2003 PCCP enthält Beiträge 

zum Hauptthema „Sensorik“ der Bunsentagung 

vom 29.-31. Mai 2003 in Kiel 

vii Editorial: Chemical sensors and 

sensor technology 

5155 Review: Organic semiconductors in 

molecular electronics 

Jiri Janata 

5159 Review: Sensors and analytical 

chemistry 

Sensitivity versus quality, 

Karl Cammann 

5169 Supramolecular functional interfacial 

architectures for biosensor applications, 

Wolfgang Knoll, Fang Yu, 

Thomas Neumann, Stefan Schiller, 

Renate Naumann 

5176 A directly linked pyrene–dimethylaniline 

derivative as a potential biochemical 

sensor for the microenvironmental 

dielectric properties of the 

active site of enzymes 

Angela S. F. Ramos, Simone Techert 

5182 Optical sensing with photon density 

waves: Investigation of model media 

Oliver Reich, Hans-Gerd Löhmannsröben, 

Frank Schael 

5188 Optical gas sensing by semiconductor 

nanoparticles or organic dye molecules 

hosted in the pores of mesoporous 

siliceous MCM-41 

Michael Wark, Yven Rohlfing, 

Yücel Altindag, Hartwig Wellmann 

5195 Development and working principle of 

an ammonia gas sensor based on a 

refined model for solvate supported 

proton transport in zeolites 

Marion E. Franke, Ulrich Simon, 

Ralf Moos, Aleksandar Knezevic, 

Ralf Müller, Carsten Plog 

5199 Amperometric measurements with a 

nitrosyl cation conducting ceramic 

membrane 

A. Huerland, C. Plog, R. Moos, 

U. Simon 

5203 Tin oxide sensor element for the detection 

of organic compounds with 

hydroxy groups 

Andreas Eberheim, Dieter Kohl, 

Peter Schieberle 

5207 High temperature bulk acoustic wave 

properties of langasite 

H. Fritze, O. Schneider, H. Seh, H. 

L. Tuller, G. Borchard

Magazin 01/2004 - Deutsche Bunsengesellschaft für Physikalische ...

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