Das Ziel dieser Bachelorarbeit soll es sein, die Einflüsse der amphiphilen bzw. polyphilen Polymere auf Modellmembranen (unilamellare 100 nm Vesikel) zu untersuchen und dabei die Veränderungen der Phasenumwandlungen zu beleuchten. Dazu werden temperaturvariable Methoden genutzt. Durch den Einsatz eines Polymeres und eines im Grundgerüst gleichen Polymeres mit perfluorierten Blöcken an den Enden, kann auch auf den Einfluss der perfluorierten Kohlenwasserstoffe auf Modellmembranen Rückschlüsse gezogen werden. Zu untersuchen sind hierbei die Veränderungen durch variierende Lipidkopfgruppen bzw. -kettenteile. Weiterhin ist der Einfluss der Polymere auf die Mischbarkeit der Lipide von Interesse.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. LIPIDE UND MODELLMEMBRANEN
1.2. POLYPHILE POLYMERE
1.3. ZIEL DER ARBEIT
2. Messmethoden
2.1. DIFFERENTIALKALORIMETRIE (DSC)
2.2. INFRAROTSPEKTROSKOPIE (ATR-IR)
3. Experimenteller Teil
3.1. VESIKELPRÄPARATION
3.1.1. Erzeugung von Vesikeln eines reinen Lipids
3.1.2. Erzeugung von Vesikeln eines Lipidgemisches
3.2. HERSTELLUNG DER POLYMER-LÖSUNGEN
3.3. EXPERIMENTELLE DURCHFÜHRUNG
3.3.1. DSC-Experimente
3.3.2. ATR-IR-Experimente
3.3.3. DLS-Experimente
3.3.4. Eingesetzte Geräte und Chemikalien
4. Auswertung
4.1. DSC-UNTERSUCHUNGEN
4.1.1. Einfluss der Polymere auf die Phasenumwandlung Phosphatidylcholine
4.1.2. Einfluss der Polymere auf die Phasenumwandlung der Phosphatidylethanolamine
4.1.3. Temperaturverschiebung in Abhängigkeit der Fettsäurekettenlänge
4.1.4. Einfluss der Polymere auf DMPC(14:0/14:0):DPPC(16:0/16:0)-Mischungen
4.1.5. Phasendiagramme der DMPC:DPPC:Polymer-Mischungen
4.1.6. Reproduzierbarkeit der DSC-Messungen
4.2. INFRAROTSPEKTROSKOPISCHE UNTERSUCHUNGEN
5. Zusammenfassung
Zielsetzung & Forschungsthemen
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht die Wechselwirkungen zwischen amphiphilen beziehungsweise polyphilen Polymeren und Lipid-Modellmembranen (Vesikeln), um den Einfluss dieser Polymere auf die thermodynamischen Eigenschaften und Phasenübergänge der Membranen zu verstehen und zu quantifizieren.
- Untersuchung des Einflusses von Polymeren auf die Phasenumwandlung von Phosphatidylcholinen und Phosphatidylethanolaminen.
- Analyse der Temperaturverschiebung in Abhängigkeit von der Fettsäurekettenlänge der Lipide.
- Einsatz der Differentialkalorimetrie (DSC) zur Bestimmung thermodynamischer Parameter.
- Anwendung der Infrarotspektroskopie (ATR-IR) zur Untersuchung der konformativen Änderungen.
- Untersuchung der Mischbarkeit und Phasenbildung in ternären Lipid-Polymer-Systemen.
Auszug aus dem Buch
1.1. LIPIDE UND MODELLMEMBRANEN
Zellen und Zellorganellen (z.B. Mitochondrien), welche die Grundlage allen Lebens darstellen, sind von Membranen umschlossen. Solche Membranen bestehen zu 40 - 60% aus Lipiden, die man allgemein als Moleküle mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil betrachten kann, welche durch eine Doppelschichtstruktur das Grundgerüst der Membran bilden. Die Eigenschaft der Lipide sowohl hydrophil als auch hydrophob zu sein, nennt man Amphiphilie. Der oftmals kleine hydrophile Teil eines Lipids wird schematisch als Kugel und die zweifach vorhandenen hydrophoben Fettsäureketten des Lipids an der Kugel befindliche Linien dargestellt (siehe Abb. 1.1). Übrige Bestandteile sind an die Membran gebundene Kohlenhydrate und Proteine.
Als Vereinfachung zu komplexen biologischen Membranen lassen sich hierbei Modellmembranen heranziehen, die lediglich aus einer Lipiddoppelschicht bestehen, welche durch Selbstaggregation der Lipide in Wasser entsteht. Der Triebkraft der Bildung von Doppelschichten liegt in dem Bestreben der hydrophoben Kettenteile vom Wasser entfernt miteinander wechselzuwirken und gleichzeitig der Wechselwirkung der hydrophilen Kopfteile mit dem umschließenden Wasser. Der hydrophobe Effekt beruht dabei auf der Entropieabnahme des Wassers durch die Störung der ladungsneutralisierenden Funktion des dipolaren Wassermoleküls (Ausrichtung des Dipols entsprechend der umgebenden Ladung) durch unpolare Moleküle. Es erfolgt beispielsweise daher die Abstoßung des Wassers von Kohlenwasserstoffen bzw. Molekülteilen sorgen attraktive Wechselwirkungen wie VAN DER WAALS-Anziehungskräfte und Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und polaren Molekülteilen für eine räumliche Annäherung.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die biologische Relevanz von Membranen und die Definition der Zielsetzung der Arbeit bezüglich der Lipid-Polymer-Wechselwirkungen.
2. Messmethoden: Erläuterung der physikalisch-chemischen Messverfahren, speziell der Differentialkalorimetrie (DSC) und der Infrarotspektroskopie (ATR-IR), zur Charakterisierung von Membranphasenübergängen.
3. Experimenteller Teil: Beschreibung der Probenvorbereitung, insbesondere der Vesikelpräparation und Polymerlösungen, sowie der detaillierten experimentellen Durchführung.
4. Auswertung: Detaillierte Darstellung der experimentellen Ergebnisse, inkl. DSC-Daten, Temperaturverschiebungen und infrarotspektroskopischen Untersuchungen der Lipid-Polymer-Systeme.
5. Zusammenfassung: Synthese der gewonnenen Erkenntnisse über die stabilisierenden und destabilisierenden Effekte der Polymere auf die Lipiddoppelschicht.
Schlüsselwörter
Lipiddoppelschicht, Modellmembranen, DSC, Infrarotspektroskopie, Phasenumwandlung, Polymer-Wechselwirkung, Amphiphilie, Vesikel, Phosphatidylcholin, Phosphatidylethanolamin, Fettsäurekettenlänge, Aggregation, Thermodynamik, Kooperativität, Phasenübergang.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit untersucht die Auswirkungen von speziellen amphiphilen und polyphilen Polymeren auf die strukturellen und thermodynamischen Eigenschaften von Lipiddoppelschichten bzw. Modellmembranen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentral sind die Untersuchung von Phasenübergängen (Gel- zu flüssig-kristallin), der Einfluss von Molekülstruktur (Kettenlänge, Kopfgruppe) und die Wechselwirkung mit Polymeren unter Einsatz kalorimetrischer und spektroskopischer Methoden.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist es, durch temperaturvariable Messungen zu beleuchten, wie unterschiedliche Polymere (z.B. mit perfluorierten Blöcken) die Stabilität und das Mischungsverhalten von Modellmembranen beeinflussen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Die Arbeit nutzt hauptsächlich die Differentialkalorimetrie (DSC) zur Analyse von Phasenumwandlungstemperaturen und -enthalpien sowie die ATR-Infrarotspektroskopie zur Untersuchung der konformativen Ordnung der Fettsäureketten.
Was umfasst der Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in eine detaillierte Auswertung der DSC-Daten für verschiedene Lipidtypen, die Erstellung von Phasendiagrammen sowie die ergänzende infrarotspektroskopische Charakterisierung der Lipid-Polymer-Systeme.
Welche Schlüsselbegriffe definieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Lipid-Polymer-Interaktion, Phasenumwandlung, thermische Stabilität, Vesikel, amphiphile Polymere und thermodynamische Analyse.
Wie unterscheiden sich die Effekte auf DMPC und DAPC?
Während Polymere bei kurz-kettigen Lipiden wie DMPC eher eine Destabilisierung der Gel-Phase bewirken können, zeigen sie bei länger-kettigen Lipiden wie DAPC oft eine stabilisierende Wirkung, bedingt durch stärkere Wechselwirkungen innerhalb der Membran.
Welche Rolle spielt die Konzentration bei der Stabilisierung?
Die Stabilisierung ist häufig konzentrationsabhängig; bei sehr geringen Konzentrationen sind Effekte wie Wasserstoffbrückenbildungen dominierend, während bei höheren Konzentrationen Insertionseffekte oder Phasenheterogenitäten in den Vordergrund treten können.
- Arbeit zitieren
- Bachelor of Science Sven Scholz (Autor:in), 2012, DSC- und Infrarotspektroskopische Untersuchungen am System polyphiles Polymer/Lipidmembran, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/203246
