Einfache Modelle für komplexe Biomembranen
Simple Models For Complex Biomembranes
by Hergen Schultze
Date of Examination:2003-10-06
Date of issue:2003-10-22
Advisor:Prof. Dr. Reiner Kree
Referee:Prof. Dr. Reiner Kree
Referee:Prof. Dr. Annette Zippelius
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Description:Dissertation
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Description:Programme und Daten
Abstract
English
Biomembranes are complex two-dimensional fluids consisting of proteins and lipids. In this work, simple molecular models are developed, applied and discussed to describe the thermodynamic properties of biomembranes.These models explain lateral structures and characterise them as clusters or domains ("rafts"). The starting point is a lattice gas (Ising-Model) with a temperature-dependent field to describe the conformation changes of the lipids in a single flat membrane. The proteins are included in the model as additional lattice components. The main topics of this study are firstly the differences between peripher and included components in a multi layer model and secondly the characterisation of soft extended components. The clustering of small components can be described by a mean field approximation with next neighbour correlations (cluster variation method). The model of lipid membranes with expanded adsorbates is mapped on the one hand analytically onto an effective lipid system with multi particle coupling, and on the other hand with Monte-Carlo-Simulation onto a protein system with effective pair interaction. Both approaches show a new cooperativity compared to the interactions in the starting model.Computer simulations presented in this work show a segragation of adsorbates due to the fluctuations in the lipid system. The boundary layer between the phases in remarkably rough which leads to an increased static scale exponent compared to typical two-dimensional models. The successful fitting of the model parameters to experiments shows that peripheral proteins can be viewed asinteracting with more lipids than they cover.The discussion finally leads to a model, that describes the curvature of the membrane surface in terms of the internal degrees of freedom of the membrane components.
Keywords: Saft Matter; Complex Fluid; Biomembrane; Cluster; Demixing; Lattice Gas; Lipid; Protein; Adsorbate; Curvature
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Biomembranen versteht man als komplexe zweidimensionale Fluide, die aus Proteinen und Lipiden bestehen. In dieser Arbeit werden möglichst einfache molekulare Modelle zur Beschreibungder thermodynamischen Eigenschaften von Biomembranen entwickelt, angewendet und diskutiert. Die Modelle geben Aufschluss über laterale Strukturen und charakterisieren diese als Cluster oder Domänen ("Rafts"). Den Ausgangspunkt bildet ein Gittergas (Ising-Modell) mit temperaturabhängigem Feld zur Beschreibung der Zustandsänderungen der Lipide in einer einzelnen flachen Membran. Die Proteine werden als zusätzliche Komponenten des Gitters in das Modell integriert.Die wesentlichen Aspekte der Untersuchung bestehen erstens in der Unterscheidung von peripheren und integralen Komponenten in einem Mehrschicht-Modell und zweitens in der Charakterisierung von weichen ausgedehnten Komponenten.Mittlere-Feld-Approximation inklusive Nachbarschafts-Korrelationen (Cluster-Variationsverfahren) ausreichend beschrieben werden. Das Modell der Lipidmembran mit ausgedehnten Adsorbaten wird einerseits analytisch auf ein effektives Lipidsystem mit Mehrteilchen-Kopplung abgebildet und andererseits durch Monte-Carlo-Simulation auf ein Proteinsystem mit effektiver Paar-Wechselwirkung.Beide Ansätze zeigen gegenüber der Wechselwirkung im Ausgangsmodell eine neue Kooperativität. Tatsächlich kann in Simulationen eine Entmischung des Gesamtsystems in einen bedeckten und unbedeckten Bereich aufgrund der Fluktuationen im Lipidsystem nachgewiesen werden.Die Grenzfläche zwischen den Phasen ist ungewöhnlich rau, was sich in einem statischen Skalenexponenten äußert, der signifikant größer ist als für typische zweidimensionale Modelle.Die erfolgreiche Anpassung der Modell-Parameter an Experimente zeigt, dass die Vorstellung von peripheren Proteinen, die mit mehr Lipiden wechselwirken als sie bedecken, realistisch ist.Die Diskussion schließlich führt zu einem Modell, das nur mit Hilfe der inneren Zustände der Komponenten die Krümmung der äußeren Membran-Oberfläche beschreibt.
Schlagwörter: Weiche Materie; Komplexes Fluid; Biomembran; Cluster; Entmischung; Gittergas; Lipid; Protein; Adsorbat; Krümmung