Promotion 2003 an der Georg-August-Universität
Göttingen
Einfache Modelle für komplexe Biomembranen:
Biomembranen versteht man als komplexe zweidimensionale Fluide, die aus
Proteinen und Lipiden bestehen.
In dieser Arbeit werden möglichst einfache molekulare Modelle zur Beschreibung
der 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.
Das Clusterverhalten kleiner Komponenten kann durch eine
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.
Dissertation: "magna cum laude"
Disputation: "summa cum laude"
"Wo damals die Grenzen der Wissenschaft waren, da ist jetzt die
Mitte"
Georg Christoph Lichtenberg
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