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Struktur und Fluktuationen festkörpergestützter Phospholipidmembranen

structure and fluctuations of solid supported phospholipid membranes

by Ulrike Katharina Mennicke
Doctoral thesis
Date of Examination:2003-08-18
Date of issue:2003-12-18
Advisor:Prof. Dr. Tim Salditt
Referee:Prof. Dr. Tim Salditt
Referee:PD Dr. Helmut Grubmüller
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2965

 

 

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Name:mennicke.pdf
Size:4.35Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

In this work solid supported membranes are studied by X-ray reflectometry. Solid supported phospholipid membranes are model systems for biological membranes and are widely used to study their fundamental physical properties. The development of a new preparation method, allowing for the first time the controlled preparation of stacks of membranes consisting of 3-30 membranes on a substrate, is described. X-ray reflectivity curves of charged and uncharged multilamellar and oligo-membrane stacks have been measured at partial and full hydration. The level of hydration was controlled by the application of osmotic stress. A detailed model for the description of reflectivity measurements including the membrane fluctuations is developed based on kinematic theory. The membrane fluctuations of solid supported membranes are described by a smectic continuous model. The electron density profile of uncharged dmpc (dimyristoylphosphatidylcholine) membranes have been determined from fits to the measured reflectivity curves at varied osmotic pressure. The effects of the osmotic pressure on membrane hydration and fluctuations is beeing discussed in the framework of membrane potentials. By includig the membrane fluctuations in the mathematical model for reflectivity, the elastic properties, like bending rigidity and compression modulus could be derived as a function of osmotic pressure.
Keywords: lipid membrane; solid supported; spincoating; x-ray reflectivity; osmotic stress; elastic properties; membrane fluctuations

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In dieser Arbeit wird die Untersuchung festkörpergestützter Phospholipidmembranen mit der Methode der Röntgenreflektivität beschrieben. Sie sind Modellsysteme für biologische Membranen, an denen grundlegende physikalische Eigenschaften untersucht werden können. Eine Präparationsmethode, mit der erstmals Oligo-Membranstapel (Stapel aus ca. 2-30 Membranen auf einem Substrat) von Phospholipiden hergestellt werden konnten wird vorgestellt. Röntgenreflektivitätsmessungen wurden an geladenen und ungeladenen Oligo-Membranstapeln sowie an multilamellaren Systemen bei voller und partieller Hydratisation durchgeführt. Die Hydratisation wurde dabei durch Steuerung des osmotischen Druckes kontrolliert. Ausgehend von der kinematischen Theorie wird in der Arbeit ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Reflektivitätsmessungen unter Berücksichtigung der Membranfluktuationen abgeleitet. Die Fluktuationen in substratgestützten Membranstapeln werden durch ein, auf dem smektischen Kotinuumsmodell basierendes Modell beschrieben. Aus Anpassungen des Modells an die gemessenen Reflektivitätskurven wird das Elektronendichteprofil von Membranen des ungeladenen Phospholipids DMPC (Dimyristoylphosphatidylcholin) unter verschiedenen osmotischen Drücken bestimmt. Die Veränderungen des Membranstapels durch den osmotischen Druck werden im Rahmen der Theorie der Membranpotentiale diskutiert. Durch die Berücksichtigung der Fluktuationen in der Beschreibung der Reflektivitätsmessungen konnten nicht nur die Struktur der Membranen sondern auch die Abhängigkeit der Biegesteifigkeit und des Kompressionsmoduls vom osmotischen Druck bestimmt werden.
Schlagwörter: Lipidmembran; festkörpergestützt; spincoating; Röntgenreflektivität; osmotischer Druck; elastische Eigenschaften; Membranfluktuationen; 530 Physik
 

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