@phdthesis{Arand2010,
  author    = {Arand, Katja},
  title     = {Charakterisierung hydrophiler Permeationswege in der pflanzlichen Kutikula anhand der Permeationseigenschaften ionischer Aminos{\"a}uren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-49954},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Um sich vor dem Austrocknen zu sch{\"u}tzen, haben Pflanzen eine Transpirationsbarriere entwickelt, die als Membran alle prim{\"a}ren, oberirdischen Pflanzenteile {\"u}berzieht. Diese so genannte Kutikula besteht haupts{\"a}chlich aus den lipophilen Komponenten Kutin und Wachs und reduziert so effektiv den Verlust von Wasser und wasserl{\"o}slichen N{\"a}hrstoffen aus dem Blattinneren. Trotzdem ist sie nicht vollst{\"a}ndig undurchl{\"a}ssig, und so k{\"o}nnen Wasser und gel{\"o}ste Substanzen wie organische und anorganische N{\"a}hrstoffe, Pestizide oder Umweltchemikalien die Kutikula in beiden Richtungen permeieren. Dabei ist offensichtlich, dass die zu Grunde liegenden Transportmechanismen den Ern{\"a}hrungszustand der Pflanzen, die Effizienz von Pestiziden und die Wirkung von Umweltchemikalien beeinflussen. Ein genaues Verst{\"a}ndnis der Transportprozesse auf denen die kutikul{\"a}re Permeation basiert, kann helfen die Wirkweise von blattapplizierten D{\"u}nge- und Pflanzenschutzmitteln zu optimieren, indem gezielt Wirk- oder Zusatzstoffe modelliert werden k{\"o}nnen, welche die Aufnahme steigern. In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb der Einfluss physiko-chemischer Eigenschaften von hydrophilen Verbindungen auf die kutikul{\"a}re Permeation untersucht werden. Nicht zuletzt wegen ihrer strukturellen {\"A}hnlichkeit mit den blattapplizierten Herbiziden Glufosinat und Glyphosat wurden Aminos{\"a}uren als Modellsubstenzen ausgew{\"a}hlt. Die verwendeten Aminos{\"a}uren sind gut wasserl{\"o}slich, wobei alle Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten kleiner als 1 sind. Zus{\"a}tzlich liegen alle Aminos{\"a}uren in gel{\"o}ster Form als Ionen vor, was zu einer Hydratisierung der Molek{\"u}le f{\"u}hrt. Es wird spekuliert, dass hydratisierte Molek{\"u}le keinen Zugang zur lipophilen Phase der Kutikula haben. Welche Rolle die Hydrath{\"u}lle bei der Permeation tats{\"a}chlich spielt, ist allerdings noch unklar. Viele Aktivwirkstoffe liegen nur unter ganz bestimmten Bedingungen in geladener Form vor, w{\"a}hrend die Richtung der kontinuierlichen Nettoladung der Aminos{\"a}uren durch den pH Wert modifiziert wird. Damit kann der Einfluss verschiedener Ladungszust{\"a}nde auf die kutikul{\"a}re Permeation unter Verwendung eines einheitlichen Sets von Modellsubstanzen untersucht werden. Unter nat{\"u}rlichen Bedingungen sind Aminos{\"a}uren unter anderem auf Blattoberfl{\"a}chen zu finden, wo sie blattassoziierten Mikroorganismen eine profitable Nahrungsquelle bieten. Ob {\"a}ußere Faktoren f{\"u}r die Deposition dieser Recourcen verantwortlich sind, oder ob der Ursprung innerhalb des Blattgewebes liegt, wird kontrovers diskutiert. Die Sorption von Aminos{\"a}uren in isolierte Kutikularmembranen ist sehr gering, und korreliert - anders als bei lipophilen Substanzen - nicht mit dem Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten. Das zeigt, dass der Verteilung von lipophilen und hydrophilen Substanzen innerhalb der Kutikula verschiedene Mechanismen zu Grunde liegen. Unter einer gegebenen Bedingung werden die kutikul{\"a}ren Leitwerte der Aminos{\"a}uren negativ vom Molvolumen beeinflusst. Zudem {\"u}bersteigt die L{\"a}nge des Permeationswegs die eigentliche Dicke der Membran um ein Vielfaches. Diese Zusammenh{\"a}nge kennzeichnen eine gehinderte Diffusion innerhalb einer engporigen und weit verzweigten Umgebung. Eine {\"A}nderung des pH Wertes wirkt sich in unterschiedlicher Form auf die Leitwerte von Wasser und Aminos{\"a}uren aus. Mit steigendem pH Wert erh{\"o}ht sich die Wasserpermeabilit{\"a}t isolierter Kutikularmembranen, was durch eine zunehmende, messbare Wassersorption in die Kutikula erkl{\"a}rt werden kann. Eine pH abh{\"a}ngige Dissoziation funktioneller Gruppen bewirkt eine Schwellung des polaren Weges, weshalb auch f{\"u}r die anionischen Aminos{\"a}uren bei pH 11 die h{\"o}chsten Leitwerte gemessen wurden. Die zwitterionischen Aminos{\"a}uren bei pH 6 wiesen hingegen die geringsten Leitwerte auf, was im Widerspruch zu der Beobachtung steht, dass bei pH 1 die geringste Wassersorption in die Kutikula stattfindet. Eine Erkl{\"a}rung hierf{\"u}r liefern die Hydrath{\"u}llen, die bei den zwitterionischen Aminos{\"a}uren am st{\"a}rksten und bei den anionischen Species am geringsten ausgepr{\"a}gt sind. Eine negative Korrelation aller gemessenen Aminos{\"a}ureleitwerte mit den entsprechenden hydratisierten Molvolumen zeigt eindeutig, dass die Hydrath{\"u}lle eine wichtige Gr{\"o}ße f{\"u}r die Permeation durch die Kutikula darstellt. Dabei nimmt der Leitwert einer hydrophilen Substanz mit definiertem Molvolumen mit kleiner werdender Hydrath{\"u}lle zu. Intakte Bl{\"a}tter wurden in fl{\"u}ssiges Wasser als Rezeptorl{\"o}sung getaucht, um steady-state Bedingungen aufrecht zu erhalten. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Permeabilit{\"a}ten von intakten Kutikularmembranen, die anhand der nat{\"u}rlichen Aminos{\"a}urekonzentration innerhalb der Bl{\"a}tter bestimmt wurden, in derselben Gr{\"o}ßenordnung liegen, wie die f{\"u}r isolierte Membranen gemessenen. Außerdem konnte ein Vergleich der Flussraten auf der Ober- und Unterseite der Bl{\"a}tter zeigen, dass die stomat{\"a}ren Poren nicht direkt in den Leachingprozess involviert sind.},
  subject      = {Permeation},
  language  = {de}
}