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

Kinetyka membran biologicznych - stałość w zmienności 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]

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

Koronen C24H12 Grupa punktowa symetrii D6h l (nm) 400 420 440 460 480 500 520 540 Fluorescencja (j. w.) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Grupa punktowa symetrii D6h r0 = 0.1, jedna składowa zaniku r(t)

DPPC znakowane koronenem T=23 oC !?? 50 100 150 200 250 1000 2000 3000 4000 c 2 1 00 = . 1.0 0.5 czas (ns) vs fit-scatter Wsp. autokorelacji 0.0 VV-VH = r(t)·F(t) (zliczenia) -0.5 100 200 # kanału 3 Residua -3 Czas (ns) Czas zaniku fluorescencji DPH

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 5 10 15 20 25 30 35 40 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 b F G N Rozmiary frakcji Temperatura (oC) Temperatura (oC) s

Wybrane stałe szybkości 5 10 15 20 25 30 35 40 Temperatura (oC) 1e+7 2e+7 3e+7 5e+8 1e+9 kFG kF Wybrane stałe szybkości s

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

Własności zaniku fluorescencji koronenu w małych liposomach DPPC Temperatura (°C) 25 30 35 40 45 50 150 200 250 300 Czasy zaniku składowych t i (ns) 5 10 15 20 2 4 Wsp. wagowe składowych a i Temperatura (°C) 5 10 15 20 25 30 35 40 0.0 0.1 0.2 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Własności zaniku fluorescencji koronenu w małych liposomach DPPC

Model frakcyjny F r a k c j a w y m i e n n a F r a k c j a s t a ł a G F F r a k c j a k w y m i e n n a F G F G F r a k c j a s t a ł a N C i e k ł y k r y s z t a ł Ż e l

Model dystrybucyjny . . . . S = 0 S > 0 F r a k c j w y m i e n G1 d(S1,T) G1 d(S2,T) G2 F F r a k c j w y m i e n d(S3,T) G3 . . . . d(Sn,T) Gn C i e k ł y r s z t a Ż l S = 0 S > 0

Model dystrybucyjny - podstawowe zależności

Model dystrybucyjny - najważniejsze wyniki Tt=39 oC Tt=39 oC o C ) 5 10 15 20 25 30 35 40 5.0e+7 1.0e+8 1.5e+8 5 10 15 20 25 30 35 40 50 100 3 d¥ (s-1) g Temperatura (oC) Temperatura (oC) Efekty ciśnieniowe 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 Temperatura Temperatura ekwiwalentna ( o C) 5 10 15 20 25 30 35 40 d ¥ (s -1 ) 5e+6 2e+7 5e+7 2e+8 5e+8 1e+7 1e+8 Temperatura Temperatura ekwiwalentna ( o C) 5 10 15 20 25 30 35 40 g 3 7 50 70 100 p= 0.1 MPa T=45.6 o C T=53.3 T=35.6

Równoważność ciśnienia i temperatury w membranach fosfolipidowych Ciśnienie hydrostatyczne (Mpa) 50 100 150 < r > (DPH) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 P 1/2 Temperatura ekwiwalentna T eq ( o C ) -30 -20 -10 10 20 30 40 50 60 Anizotropia emisji <r> 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 < r > (koronen) Temperatura ( o C ) 25 30 35 40 45 50 55 Ciśnienie P 1/2 (MPa) 20 60 80 100

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.

Energia swobodna F(S,T) F(S,T) (kJ/mol) Temperatura (oC) Parametr uporządkowania S

Gęstość prawdopodobieństwa P(S,T) Temperatura (oC) Parametr uporządkowania S