Kinetics of Domain Formation Processes in Lipid Membranes
Kinetik von Domänenformationsprozessen in Lipidmembranen
by Heiko Seeger
Date of Examination:2006-03-08
Date of issue:2006-05-30
Advisor:Prof. Dr. Tim Salditt
Referee:Prof. Dr. Thomas Heimburg
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2777
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Description:Dissertation
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Abstract
English
In the vicinity of melting transitions in membranes, fluctuations in enthalpy, volume, area and concentration approach a maximum. Consequences are the formation of domains, increasing elastic constants and permeability, changes in the diffusion behavior and longer relaxation processes.Molecules such as anesthetics, neurotransmitters and antibiotics play a functional role in biological cells. They also influence the melting behavior of artificial membranes and thereby fluctuation, domain formation, diffusion and relaxation properties.In this study, the emphasis was on deepening understanding of the domain formation, fluctuation, diffusion and relaxation behavior in the melting regime of artificial membranes. Changes of these processes by anesthetics, neurotransmitters and antibiotics were also investigated. Both experimental and theoretical approaches were used. Fluorescence correlation spectroscopy experiments by A. Hac (A.Hac, Dissertation, University of Göttingen, 2004) and pressure perturbation calorimetry were accompanied by statistical thermodynamics simulations. All studied processes are related to each other and are intrinsic properties of the system.We found that relaxation times slow down in the melting transition regime and the addition of anesthetics, neurotransmitters or antibiotics reduces the maximum relaxation times. Diffusion processes are influenced by the time scale of relaxation processes. Domain formation is accompanied by large fluctuations at domain interfaces.We argue that the studied processes might play a role in the physiology of biological membranes.
Keywords: Biological Membranes; Lipid Membrane; Bilayer; Domain Formation; Fluctuations; Relaxation
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In der Nähe von Schmelzprozessen in Membranen erreichen Fluktuationen der Enthalpie, des Volumens, der Fläche und der Konzentration ein Maximum. Daraus erfolgen Domänenformation, größere elastische Konstanten, eine erhöhte Permeabilität, Veränderungen des Diffusionsverhaltens und längere Relaxationsprozesse.Moleküle wie Anästhetika, Neurotransmitter und Antibiotika besitzen in biologischen Zellen eine funktionelle Rolle. Sie beinflussen das Schmelzverhalten von künstlichen Membranen und dabei die Fluktuations-, Domänenformations, Diffusions- und Relaxationseigenschaften.In dieser Arbeit wurde der Schwerpunkt auf das Vertiefen der Kenntnisse über Domänenformationsprozesse, Fluktuationen, Diffusion und Relaxationsverhalten im Schmelzbereich von künstlichen Membranen gelegt. Die Beeinflussung dieser Prozesse durch Anästhetika, Neurotransmitter und Antibiotika wurden ebenfalls untersucht. Sowohl experimentelle, als auch theoretische Methoden wurden genutzt. Fluoreszenzkorrelationsexperimente bei A. Hac (A. Hac, Dissertation, Universität Göttingen, 2004) und drucksprungkalorimetrische Versuche wurden durch thermodynamische Simulationen begleitet. Alle untersuchten Prozesse hängen miteinander zusammen und sind intrinsische Eigenschaften des Systems.Wir fanden heraus, dass sich Relaxationsprozesse im Umwandlungsbereich verlangsamen und die Hinzugabe von Anästhetika, Neurotransmitter oder Antibiotika die maximale Relaxationszeit verringert. Diffusionsprozesse werden durch die Zeitskala von Relaxationsprozessen beeinflusst. Domänenformation wird von starken Fluktuationen an den Domänengrenzen begleitet.Wir argumentieren, dass die untersuchten physikalischen Prozesse eine Rolle in der Physiologie von biologischen Membranen spielen.
Schlagwörter: Biologische Membrane; Lipidmembran; Doppelschicht; Domänenformation; Fluktuationen; Relaxation