Diffusion processes in membranes containing coexisting domains investigated by Fluorescence Correlation Spectroscopy
Diffusionsprozesse in Membranen mit koexistierenden Domänen nach Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie Messungen
von Agnieszka Hac
Datum der mündl. Prüfung:2003-12-17
Erschienen:2004-01-29
Betreuer:Prof. Dr. Tim Salditt
Gutachter:Prof. Dr. Thomas Heimburg
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Size:11.1Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
The aim of this study is to link domain and microdomain formation to diffusion behaviour in artificial planar membranes using Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Monte Carlo (MC) simulations. In recent years it has been established that the membrane structure is not homogeneous but contains various domains e.g. so called rafts those including cholesterol. However, even in simple pure lipid systems in a gel and fluid coexistence phase macrodomains and microdomains (in which the lipid states differ) can be observed. The existence of domains is also predicted from statistical thermodynamics simulations, and has been observed by Confocal Fluorescence Microscopy (CFM) or Atomic Force Microscopy (AFM).The presence of gel and fluid heterogeneities can influence diffusion processes in membranes. Therefore diffusion processes in hydrated multilamellar membranes of mixtures of various phospholipids supported on a quartz coverslip were investigated by FCS. Fluorescent intensity fluctuations, analysed via a correlation function, give information on the translational diffusion coefficient, Dτ, and the diffusion time, τD, as well as on the mean number of dye molecules in the laser focus,
Keywords: Membranes; Fluorescence Correlation Spectroscopy; Monte Carlo simulations; gel and fluid domains; microdomains
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Das Ziel dieser Studie ist es Domänen - und
Mikrodomänenbildung in künstlichen planaren
Lipidmembranen mit deren Diffusionsverhalten in
Verbindung zu bringen. Dies geschieht mittels
Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) und
Monte-Carlo Simulationen. Das Bild, dass die
Membranstrutur kein homogenes Gebilde, sondern ein
heterogenes ist, hat sich in den letzten Jahren
etabliert. Z.B. sind Diskussionen um sogenannte "Rafts"
im Gange. Domänen mit einem hohen Cholesterin- und
Spingholipidanteil. Jedoch sind bereits in reinen
Lipidmembranen gel und fluide Makro- und Mikrodomänen
(in denen sich die Lipidzustände unterscheiden)
beobachtbar. Die Existenz von Domänen wird von
Simulationen, die Methoden aus der statistischen Physik
verwenden, ebenfalls vorhergesagt. Experimentell wurden
sie durch konfokale Fluoreszenzmikroskopie (CFM) und
Kraftmikroskopie (AFM) beobachtet. Das Vorkommen von
gel und fluiden Heterogenitäten kann Diffusionsprozesse
in Membranen beeinflussen. Deshalb wurden
Diffusionsprozesse in hydratisierten multilamellaren
Lipidmembranen verschiedener Komposition, die auf
Quartzglasträger aufgebracht wurden, mittels FCS
studiert. Fluoreszenzintensitätsfluktuationen, die
mittels Autokorrelation analysiert werden, enthalten
unter anderem Informationen über die mittlere
Diffusionszeit durch den Laserfokus τD, die
Diffusionskonstante Dτ und die mittlere Anzahl an
Fluoreszenzmarkern im Fokus . Der
Diffusionskoeffizient in einer reinen fluiden
Lipidmembran ist ungefähr um zwei Größenordnungen
höher, als in einer rein gelförmigen Lipidmembran.
Erniedrigung der Probentemperatur oder Zugabe von Salz
erniedrigen den Diffusionskoeffizienten.Die Form des Korrelationsprofils in einer reinen
fluiden oder einer reinen gelförmigen Lipidmembran
unterscheidet sich von der in einem gel/fluid
Koexistenzbereich. Die Autokorrelationskurven in den
reinen Fällen können mittels eines Einkomponentenfits
(Annahme eines Diffusionskoeffizienten) beschrieben
werden. Im Koexistenzbereich werden zwei
Diffusionskoeffizienten zum Beschreiben des Profils
herangezogen. Dabei wird eine makroskopische
Domänentrennung angenommen. Hierbei ergeben sich
folgende Beobachtungen: Verlangsamung der schnellen
Diffusionskomponente und schnellere Diffusion der
langsamen Komponente. Dies kann ein Hinweis auf
Mikrodomänen bedeuten. Die experimentellen FCS Kurven
sind mittels Monte-Carlo Simulationen beschrieben
worden. Diese nutzen die mittles Kalorimetrie
bestimmten thermodynamischen Eigenschaften der
Lipidmembranen.Schappschüsse aus den Simulationen zeigen die
Existenz von mikroskopischen gel und fluiden Domänen
innerhalb makroskopischener fluider, bzw. gelförmiger
Domänen. Daunsere experimentellen Korrelationsprofile
mit den theoretisch vorhergesagten übereinstimmen, kann
dies eine Bestätigung des Vorkommens von Mikrodomänen
in einer Größenorndung kleiner als der Fokusdurchmesser
darstellen.Diese Studie stellt einen wichtigen Schritt zu einem
besseren Verständnis der lateralen Organisation einer
Lipidmembran, deren Dynamik und Kinetik dar.
Schlagwörter: Membranen; Fluorescence Correlation Spectroscopy; Monte Carlo Simulationen; gelförmiger und fluidförmiger Domänen; Microdomänen; 500 Naturwissenschaften allgemein