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In der vorliegenden Arbeit wurden die Wechselwirkungen zwischen den reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und den Lipiden, die das GrundgerĂŒst der Zellmembran bilden, sowie die daraus resultierenden chemischen und physikalischen VerĂ€nderungen der Membran untersucht. AuĂerdem wurde der Schutz einer Modellmembran durch Adsorption eines Polymers untersucht. Da natĂŒrliche Zellmembrane hoch komplexe Systeme sind, in und an denen chemische und strukturelle Prozesse hĂ€ufig gleichzeitig ablaufen, wurden Lipidmonoschichten und Liposomen als Modellmembranen fĂŒr die Untersuchungen gewĂ€hlt. Die Radikale wurden mithilfe der Fenton-Reaktion erzeugt. Um ein vollstĂ€ndiges 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 VerĂ€nderungen des PhasenĂŒbergangs und somit die VerĂ€nderungen der Form und des Wachstums von Lipid-DomĂ€nen (flĂŒssig-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 ĂŒber die chemische VerĂ€nderungen der Lipide nach dem Radikalangriff getroffen werden. Die Liposomen wurden mit Differenzkalorimetrie untersucht, um die Verschiebung der PhasenĂŒbergangstemperatur 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, fĂŒhrt 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 unverĂ€ndert. 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 âfreienâ Eisen-Ionen wird die VerĂ€nderung der Phosphocholine durch die Radikale beobachtbar. Die âfreienâ Eisen-Ionen binden an die negativ geladenen Phospholipde. Dies fĂŒhrt im Fall von DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) Monoschichten zu einer irreversiblen Verfestigung. Weiterhin kommt es zur Abnahme der molekularen FlĂ€che in der flĂŒssig-kondensierten Phase. Im Fall von DMPC (1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) Liposomen fĂŒhrt der Radikalangriff, bei Vorhandensein von âfreienâ 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 AlkylkettenlĂ€nge bleibt konstant. Die durchgefĂŒhrten IRRAS Messungen zeigen ebenfalls keine VerĂ€nderungen 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 fĂŒhrt 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 ”M 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 durchgefĂŒhrt. Es war eine signifikant höhere Fenton-Konzentration als bei dem Radikalangriff auf eine DPPC Monoschicht notwendig, um VerĂ€nderungen zu induzieren.
Ausgangspunkt aller Untersuchungen sind Langmuir-Monoschichten an der Wasser/LuftgrenzflĂ€che. Denn mit diesen Monoschichten kann die OberflĂ€cheladungsdichte eingestellt werden. Sie werden durch amphiphile MolekĂŒle gebildet.Die hydrophoben Alkylketten sind zur Luftseite und die hydrophile Kopfgruppe zur Wasserseite orientiert.Die Phasen der Lipid- Monoschicht und die Belegungsdichte werden extern eingestellt. Die Lipid- Monoschicht kann je nach Anordnung der Alkylketten verschiedene unter- schiedliche Phasen zeigen. Um die adsorbierten Polyelekrolyte zu beschreiben zu können, benötigt man experimentelle Methoden, die in der Lage sind, Konformation und Be- legungsdichte von adsorbierten Polyelektrolyten an OberflĂ€chen aufzulösen. Diese Strukturen, auf der Nanometerskala, werden mit Röntgenreflektion und Röntgendiffraktion unter streifendem Einfall untersucht.Die Strukturda- ten werden durch thermodynamische Untersuchungen ergĂ€nzt. Die Untersuchungen werden fĂŒr elektrostatische KrĂ€fte mit hoher Ampli- tude und langer Reichweite durchgefĂŒhrt. Die Lösungen der Polyelektrolyte (c PSS = 0.01 mmol/L bezogen auf die Monomerkonzentration) sind so einge- stellt, dass eine fast vollstĂ€ndige Ladungskompensation (70-90%) stattfindet. Unter diesen Bedingungen adsorbieren PE entweder flach als 2-dimensionales KnĂ€uel oder geordnet in einer 2-dimensionalen lamellaren Phase. Die Untersuchungen sollen herausfinden, welchen Einfluss die elektrostatische Wechselwirkung auf die Kettensteifigkeit von adsorbierten Polyelektrolyten,die durch die PersistenzlĂ€nge LP charakterisiert werden.So kann geklĂ€rt werden,ab welcher KonturlĂ€nge LK Polyelektrolyte nicht mehr stĂ€bchenförmig sondern als 2-dimensionales KnĂ€uel adsorbieren. Untersucht werden negativ geladene PSS (Polystyron Sulfonat) mit un- terschiedlichen KonturlĂ€ngen LK.Diese adsorbieren an die positiv geladene DODA Lipid-Monoschicht (Dioctadeyldimethylammonium). Die PersistenzlĂ€nge LP fĂŒr adsorbiertes PSS an DODA ist direkt aus den thermodynamischen Daten ermittelt worden. Als Funktion der KonturlĂ€nge LK wurde der OberflĂ€chendruck Ï c sowie die erste Ableitung dÏc /dT unter- sucht. Daraus lĂ€Ăt sich die PersistenzlĂ€nge des adsorbierten PSS LP â 210 Ă
bestimmen. Die OberflĂ€chenladungsdichte der Monoschicht wird durch die Kompression verdoppelt.Simultan wird der Abstand der Polyelektrolytketten dPE halbiert, so dass immer eine 70-90% Ladungskompensation erreicht wird. Es wird mit Röntgendiffraktion immer eine fache 2-dimensionale lamellare Phase der adsorbierten PSS Ketten detektiert.Hierbei bilden KonturlĂ€ngen LK < 110 Ă
eine Ausnahme. Es wird keine 2-dimensionale lamellare Phase fĂŒr geringe OberflĂ€chenladungsdichte (LE Phase der Lipide) gefunden. Die Röntgenreflektion kann aber zeigen, dass PSS Ketten, unabhĂ€ngig von der KonturlĂ€nge LK, immer flach an der Lipidmonoschicht adsorbieren. Wenn steife kurze Ketten (LKâ€110Ă
<LP ) an der LC Phase der Lipid- Monoschicht adsorbieren, liegen sie aber in der 2-dimensionalen lamellare Phase. Der Ăbergang von der LE in die LC Phase der Lipid-Monoschichten erfolgt gleichzeitig mit dem Ăbergang von der ungeordneten flachen zur 2- dimensionalen lamellare Phase der adsorbierten kurzen PSS Ketten. Daher zeigt die Enthalpie âH des LE/LC PhasenĂŒbergangs ein Maximum bei L K =110 Ă
. Im nĂ€chsten Schritt wird die Elektrostatik zwischen der Lipid-Monoschicht und den Polyelektrolyte untersucht.Die maximale OberflĂ€chenladungsdichte der Lipid-Monoschicht wird durch eine Mischung von geladenen DODA und ungeladenen DPPC (Dipalmitoylphosphatidylcholine) eingestellt. Röntgendiffraktionsmessungen zeigen bis zu einem DODA-Anteil von 75% die Ausbildung einer 2-dimensionalen lamellaren Phase an der LC Phase der Lipid-Monoschicht. Nimmt die maximale OberflĂ€chenladungsdichte weiter ab, so wird keine Bildung der 2-dimensionalen lamellaren Phase beobachtet. Die Abnahme der maximalen OberflĂ€chenladung fĂŒhrt zu einer niedrigen Belegungsdichte und so zu einem gröĂerem Kettenabstand dPE. Die Linienladungsdichte wird durch unterschiedliches PâTrisAAxârandâAMPS1âx auf 90% oder 50% verringert. Röntgendiffraktionsmessungen an PE mit unterschiedlichen Linienladungsdichten zeigen auch hier eine 2-dimensionale lamellare Phase. Die verringerte Linienladungsdichte erzwingt eine höhere Belegungsdichte um eine 70-90% Ladungskompensation zu erreichen. Dieses fĂŒhrt zu einem kleineren Kettenabstand dPE. Ein Grenzfall ist bei einer 50%-igen Linienladungsdichte zu beobachten. Dort konnte an der LC Phase der Lipid-Monoschicht keine 2-dimensionale lamellare Phase der PE beobachtet werden. Der Kettenabstand dPE ist so gering, dass er mit der Röntgendiffraktion nicht mehr aufgelöst werden kann.