Einfache Modelle für komplexe Biomembranen

Abstract

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.