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Wechselwirkungen reaktiver Sauerstoffspeziesmit Lipid-Modellmembranen

  • In der vorliegenden Arbeit wurden die Wechselwirkungen zwischen den reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und den Lipiden, die das Grundgerüst der Zellmembran bilden, sowie die daraus resultierenden chemischen und physikalischen Veränderungen der Membran untersucht. Außerdem wurde der Schutz einer Modellmembran durch Adsorption eines Polymers untersucht. Da natürliche Zellmembrane hoch komplexe Systeme sind, in und an denen chemische und strukturelle Prozesse häufig gleichzeitig ablaufen, wurden Lipidmonoschichten und Liposomen als Modellmembranen für die Untersuchungen gewählt. Die Radikale wurden mithilfe der Fenton-Reaktion erzeugt. Um ein vollständiges Bild des Radikalangriffs auf Modellmembrane zu erhalten, war es notwendig verschiedene Untersuchungsmethoden zu verwenden. Die Lipidmonoschichten und deren Phasenumwandlungen wurden vor und nach dem Radikalangriff mithilfe des Langmuir-Troges und den damit aufgenommenen Isothermen untersucht. Die Fluoreszenz- und die Brewsterwinkel-Mikroskopie wurde genutzt, um die Veränderungen des Phasenübergangs und somit die Veränderungen der Form und des Wachstums von Lipid-Domänen (flüssig-kondensierten Phase) durch den Radikalangriff zu beobachten. Die laterale periodische Struktur und das vertikale Elektronendichteprofil der Lipidmonoschicht wurden mit der Röntgendiffraktion und Röntgenreflexion vor und nach dem Radikalangriff untersucht. Mit der Infrarot-Reflexion-Absorption Spektroskopie (IRRAS) können Aussagen über die chemische Veränderungen der Lipide nach dem Radikalangriff getroffen werden. Die Liposomen wurden mit Differenzkalorimetrie untersucht, um die Verschiebung der Phasenübergangstemperatur durch den Radikalangriff zu beobachten. Der Radikalangriff auf Liposomen wurde mit Fluorenzmikroskopie verfolgt. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wechselwirkung von ROS mit zwitterionisch geladenen Lipiden untersucht. Die Modellmembranen bestanden aus Phosphatidylcholinen. Fasst man alle Ergebnisse der Untersuchungen zusammen, führt dies zum folgenden Resultat: Die Radikale reagieren bevorzugt mit der Kopfgruppe der zwitterionischen Phosphatidylcholinen. Es entstehen negativ geladene Phospholipide mit einer kleineren Kopfgruppe. Die Alkylketten bleiben nach dem Radikalangriff unverändert. Wie die Isothermen und die Brewsterwinkel-Mikroskopie bei Monoschichten sowie die Thermogramme bei Liposomen zeigen, hat die Reaktion keinen erkennbaren Einfluss auf das thermodynamische Verhalten. Erst durch Zugabe bzw. bei Vorhandensein von „freien“ Eisen-Ionen wird die Veränderung der Phosphocholine durch die Radikale beobachtbar. Die „freien“ Eisen-Ionen binden an die negativ geladenen Phospholipde. Dies führt im Fall von DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) Monoschichten zu einer irreversiblen Verfestigung. Weiterhin kommt es zur Abnahme der molekularen Fläche in der flüssig-kondensierten Phase. Im Fall von DMPC (1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) Liposomen führt der Radikalangriff, bei Vorhandensein von „freien“ Eisen-Ionen, ebenfalls zu einer Verfestigung. Am Ende des Radikalangriffs sind die Liposomen zerstört. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Wechselwirkung von ROS mit negativ geladenen Phospholipiden untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass die negative Ladung der Phospholipide nach dem Radikalangriff erhalten bleibt. Die Alkylkettenlänge bleibt konstant. Die durchgeführten IRRAS Messungen zeigen ebenfalls keine Veränderungen der Alkylketten. Aufgrund der Beobachtung, dass Eisen-Ionen negativ geladene Modellmembranen verfestigen, sollte im dritten Teil dieser Arbeit die Eisenanbindung an negativ geladene Monoschichten am Beispiel des Cardiolipin TMCL quantifiziert werden. Bei einem physiologischen pH-Wert führt eine Eisen-Ionen Konzentration im mikromolaren Bereich zu einer irreversiblen Verfestigung der Monoschicht. Der pH-Wert ist ein entscheidender Parameter. Eine irreversible Verfestigung der Monoschicht kann durch einen pH-Wert von 1,3 oder niedriger verhindert werden, wenn die Eisenkonzentration kleiner als 1000 µM ist. Bei höheren Eisenkonzentrationen tritt auch bei diesem pH-Wert eine Verfestigung ein. Im vierten Teil dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung von ROS mit einer negativ geladenen Lipid-Monoschicht (DMPG) mit adsorbierten Polykationen (Polyethylenimin (PEI)) untersucht. Die adsorbierte Polymerschicht dient zum Schutz der Lipidmonoschicht. Der Radikalangriff wurde mit verschiedenen Fenton-Konzentrationen durchgeführt. Es war eine signifikant höhere Fenton-Konzentration als bei dem Radikalangriff auf eine DPPC Monoschicht notwendig, um Veränderungen zu induzieren.
  • This thesis investigates the interaction of reactive oxygen species with lipids, which are the backbone of the cell membrane and the resulting chemical and physical changes. Additionally the protection of the model membrane by the adsorption of a polymer is examined. Therefore lipid monolayers and liposomes were chosen as model membranes instead of cell membranes. Cell membranes are high complex systems in which chemical and structural processes take place at the same time. The radicals were generated with the help of the Fenton reaction. Thermodynamic data about the effect of ROS on the phase behaviour of lipids monolayers are obtained with isotherms. Possible changes in the molecular composition are investigated with IRRAS (infrared reflection absorption spectroscopy). The in-plane order and its changes are monitored with grazing incidence X-ray diffraction. The electron density profile perpendicular to the water surface is measured with X-ray reflectivity. The coexistence region of the fluid and the condensed phase is imaged with fluorescence- and Brewster angle microscopy to visualize the effect of ROS on the phase composition. The Thermodynamic data about the effect of ROS on the phase behaviour of Liposomes are obtained with thermograms. In the first part of the thesis the interaction of ROS with zwitterionic lipids (phosphatidylcholine) is investigated. It could be shown that the radicals react predominantly with the headgroup of the zwitterionic phosphatidylcholine. As the result negative charged phospholipids with a smaller headgroup are formed. The alkyl-chains remain unchanged after the radical attack. The reaction has no influence on the thermodynamic behaviour. The changes of the phosphocholine by the radicals could only be observed by addition or in presence of free iron ions. The free iron-ions bind to the negative charged phospholipids. That results in an irreversible solidification - the case of DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine). Furthermore, the molecular area decreases in the liquid-condensed phase. The radical attack on DMPC (1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) liposomes results also in a solidification in the presence of free iron ions. In the end all liposomes are destroyed. In the second part of the thesis the interaction of ROS with negative charged phospholipids are investigated. The results show, that the negative charge of the headgroup as well as the alkyl chains of the phospholipids remain unchanged after the radical attack. The presence of free iron- ions leads again to solidification. That’s why the iron binding to a negative charged cardiolipin TMCL model membrane was quantified in the third part of the thesis. An irreversible solidification of the lipid monolayer appears at a micromolar iron-ion concentration under a physiological pH-value. An irreversible solidification of the monolayer could be prevented at a pH-value of 1.3 or lower and at an iron-ion concentration less than 1000 µM. At a higher iron-ion concentration an irreversible solidification occurs also at these low pH-values. In the last part of the thesis the interaction of ROS with the negative charged lipid-monolayer with adsorbed polycations (polyethylenimine (PEI)) is investigated. The adsorbed polymer layer serves as a protection of the lipid-monolayer. The radical attack was done with different Fenton concentration. A significant higher Fenton concentration was necessary to induce changes in comparison with radical attacks on a lipid-monolayer without an adsorbed polymer layer.

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Metadaten
Author: Andreas Gröning
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002396-1
Title Additional (English):Interaction between reactiv oxygen spezies and lipid-modell membranes
Advisor:Prof. Dr. Christiane A. Helm
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2016/01/05
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/08/31
Release Date:2016/01/05
GND Keyword:Biomembran, Lipide, Polymer, Radikal, Reaktive Sauerstoffspezies
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik