Piotr Targowski Kinetyka membran biologicznych zmienno w staoci

Piotr Targowski Kinetyka membran biologicznych - zmienność w stałości Kolokwium czwartkowe Instytut Fizyki UMK Toruń - 18 maja 2000

Piotr Targowski Kinetyka membran biologicznych - stałość w zmienności Kolokwium czwartkowe Instytut Fizyki UMK Toruń - 18 maja 2000

Schemat komórki [Encyklopedia multimedialna PWN - Biologia]

Membrana komórkowa • ogranicza przestrzeń komórki • umożliwia i kontroluje transport substancji odżywczych • stanowi środowisko dla pewnych reakcji biochemicznych • dostosowuje kształt komórki do wymogów tkanki

[ Z. Lengren - „Średniowieczne żarty”, RSW 1959 ]

[D. Voet, J. G. Voet, „Biochemistry”, J. Willey, 1980]

Plan wykładu • Wstęp • Obiekt badań • Modele fluktuacji membrany – model frakcyjny – model dystrybucyjny • Podsumowanie • Aspekt krajoznawczy

WODA . . . . H C O P . . . . N Model przestrzenny przekroju dwuwarstwowej błony fosfolipidowej [L. Stryer „Biochemia”, PWN, 1997 ]

50 nm Liposom - jednowarstwowy pęcherzyk fosfolipidowy, [D. Voet, J. G. Voet, „Biochemistry”, J. Willey, 1980]

<r> DPH Ciśnienie (MPa) T = 53 o. C <r> Temperatura (o. C) Koronen Temperatura (o. C) Środowisko - małe liposomy DPPC Ciśnienie (MPa)

Fluorescencja (j. w. ) Koronen C 24 H 12 Grupa punktowa symetrii D 6 h r 0 = 0. 1, jedna składowa zaniku r(t) 1. 0 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0. 0 400 420 440 460 480 500 520 540 l (nm)

DPPC znakowane koronenem T=23 o. C !? ? c 2 = 1. 00 Wsp. autokorelacji 1. 0 3000 czas (ns) vs fit-scatter 2000 0. 5 0. 0 -0. 5 0 100 200 # kanału 3 1000 0 -3 0 0 50 Czas zaniku fluorescencji DPH 100 150 Czas (ns) 200 250 Residua VV-VH = r(t)·F(t) (zliczenia) 4000

Model frakcyjny

Model frakcyjny - podstawowe zależności • Ponieważ fluorescencja sondy nie zależy od stanu środowiska, to albo • Kinetyka procesów wymiany środowisk: szczegóły

Model frakcyjny - najważniejsze wyniki 1. 0 4 0. 8 Rozmiary frakcji 5 3 2 0. 6 0. 2 0 0. 0 10 15 20 25 30 Temperatura (o. C) 35 40 b 0. 4 1 5 b b 5 10 15 F G N 20 25 30 Temperatura (o. C) s 35 40

1 e+9 k. F 5 e+8 3 e+7 k. FG 2 e+7 1 e+7 0 5 Wybrane stałe szybkości 10 15 20 25 30 Temperatura (o. C) s 35 40

Model frakcyjny - szczegóły rozwiązań Wynik eksperymentu może mieć postać zaniku o 3 składowych Przy założeniu można wyznaczyć parametry fizyczne

Czasy zaniku składowych t i (ns) Wsp. wagowe składowych a i 1. 0 0. 9 0. 8 0. 7 0. 6 0. 2 0. 1 0. 0 5 10 15 20 25 30 Temperatura (°C) 35 40 300 250 200 150 50 45 40 35 30 25 4 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperatura (°C) Własności zaniku fluorescencji koronenu w małych liposomach DPPC 40

Model frakcyjny k. GF F k. FG G Frakcja wymienna Frakcja stała N Ciekły kryształ Żel

Model dystrybucyjny F d(S 1, T) G 1 d(S 2, T) G 2 d(S 3, T) G 3 . . d(Sn, T) Ciekły kryształ Żel S=0 S>0 Gn Frakcja wymienna

Model dystrybucyjny - podstawowe zależności s

Model dystrybucyjny - najważniejsze wyniki Tt=39 o. C 100 50 1. 0 e+8 g d¥ (s-1) 1. 5 e+8 Tt=39 o. C 20 10 5. 0 e+7 5 0 3 5 10 15 20 25 30 35 40 o C) Temperatura (o. C) Efekty ciśnieniowe 5 10 15 20 25 30 35 40 Temperatura (o. C) s

Zespół zaangażowany w badania • • prof. dr Lesley Davenport dr Piotr Targowski (dr) Salvatore H. Atzeni (dr) Bo Shen dr Jay R. Kuntson (NIH) dr Michel Straher prof. dr hab. Andrzej Kowalczyk

Model dystrybucyjny, pomiary ciśnieniowe 100 5 e+8 2 e+8 50 1 e+8 30 20 5 e+7 g d ¥(s -1 ) 70 10 2 e+7 7 1 e+7 5 5 e+6 3 5 10 15 20 25 30 35 Temperatura o Temperatura ekwiwalentna ( C) 40 5 p= 0. 1 MPa o T=35. 6 C o T=45. 6 C o T=53. 3 C 10 15 20 25 30 35 Temperatura o Temperatura ekwiwalentna ( C) 40

Równoważność ciśnienia i temperatury w membranach fosfolipidowych 0. 3 0. 06 0. 2 0. 04 0. 1 0. 02 P 1/2 0. 0 Ciśnienie P 1/2 (MPa) 0 P 1/2 0. 00 50 100 Ciśnienie hydrostatyczne (Mpa) 150 80 60 40 20 30 35 40 Temperatura ( 45 o C) 50 0. 10 0. 08 0. 06 0. 04 0. 02 0. 00 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 o Temperatura ekwiwalentna Teq ( C ) 100 0 25 Anizotropia emisji <r> < r > (DPH) 0. 08 < r > (koronen) 0. 4 55

Podsumowanie • Membrana fosfolipidowa, poniżej temperatury przejścia fazowego, podlega powolnym fluktuacjom stanu uporządkowania, czasowo przechodząc do stanu ciekłego. • Fluktuacje uporządkowania można opisać w oparciu o model frakcyjny albo dystrybucyjny. • Jak dotąd eksperyment nie rozstrzyga, który model jest bliższy sytuacji fizycznej prawdopodobnie należy poszukiwać ich pewnej kombinacji.

uporząd kowania Tem Paramet r per a ( o. C tura ) F(S, T) (k. J/mol) Energia swobodna F(S, T) S

uporząd kowania S Tem Paramet r per a tura ( o. C ) P(S, T) Gęstość prawdopodobieństwa P(S, T)