@phdthesis{Hildenbrand2004,
  author    = {Hildenbrand, Markus},
  title     = {Modulation kollektiver Membrandynamik im mesoskopischen Bereich durch Einbau und Adsorption von Biomolek{\"u}len},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14752},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Die Basis der vorliegenden Arbeit bildet die Eigenentwicklung eines neuen massiv verbesserten Experimentalaufbaus einer dynamischen Lichtstreuapparatur zur Untersuchung von kollektiven Membranbewegungen. Die technischen Verbesserungen erm{\"o}glichten Messungen in einem bisher nicht zug{\"a}nglichen Wellenzahlbereich der Membranundulationen. Dadurch konnte eine pr{\"a}zise Untersuchung der Abh{\"a}ngigkeiten der ihnen zugrunde liegenden mikromechanischen Gr{\"o}ßen Membranspannung und Membranviskosit{\"a}t von verschiedenen intrinsischen und extrinsischen Parametern durchgef{\"u}hrt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden fundamentale Untersuchungen zur Charakterisierung der Membranspannung beschrieben. Eine Vergr{\"o}ßerung der Temperatur oder des Anteils an geladenem Lipid bei Lipidmischungen f{\"u}hrte zu einer Erh{\"o}hung der Membranspannung. Diese Parameter besitzen aber keinen messbaren Einfluss auf die Membranviskosit{\"a}t. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Ankopplungsmechanismus von kurzen DNA-St{\"u}cken an kationische Membranen und deren Einfluss auf die Membranparameter untersucht. Die Experimente konzentrierten sich auf den Vergleich kurzer DNA Doppelstr{\"a}nge (ds-DNA) und Einzelstr{\"a}nge (ss-DNA). Die Adsorption der beiden DNA-Typen zeigte f{\"u}r die in der Dynamischen Lichtstreuung (DLS) messbaren charakteristischen Membrangr{\"o}ßen signifikante Unterschiede. W{\"a}hrend die ds-DNA die Membranspannung und die Membranviskosit{\"a}t im Vergleich zu einer Membran ohne DNA Adsorption erh{\"o}hte, wurde durch die ss-DNA die Membranviskosit{\"a}t nicht ver{\"a}ndert und die Membranspannung sogar erniedrigt. Die kurze ds-DNA (\&\#8804; 50 Basenpaare) beeinflusste die Undulationen durch eine rein elektrostatische Kopplung an die entgegengesetzt geladene Membranoberfl{\"a}che, ohne in diese einzudringen. Die kurzen ss-DNA-Str{\"a}nge zeigten neben der elektrostatischen Kopplung ein zumindest partielles Eintauchen in die Membran mit drastischen Auswirkungen auf deren mikromechanische Eigenschaften, die im v{\"o}lligen Gegensatz zur doppelstr{\"a}ngigen DNA standen. Die DLS erwies sich in diesen Experimenten als extrem empfindliche Methode, die sogar die L{\"a}ngenunterschiede der kurzen DNA-Str{\"a}nge detektieren konnte. Im dritten Teil der Arbeit wurde der Einfluss der drei evolutionsbiologisch bedeutsamsten Steroide Lanosterol, Ergosterol und Cholesterol auf die kollektive Membrandynamik studiert. Ziel war es, die m{\"o}glichen Korrelationen zwischen der molekularen Struktur der Steroide und den makroskopischen Funktionen der Komposit-Membranen zu identifizieren. Die drei untersuchten Steroide besitzen eine sehr {\"a}hnliche Struktur, unterscheiden sich jedoch sehr in ihrer molekularen Dynamik. Die Messung der kollektiven Dynamik der Undulationen konnte teils erstaunliche Auswirkungen aufdecken. Ergosterol versteift durch seine Anwesenheit die Membran und erh{\"o}ht die Membranspannung, verk{\"u}rzt allerdings die Haltbarkeit der Membranen. Lanosterol erh{\"o}ht die Membranspannung wesentlich st{\"a}rker, macht aber die Membranen etwas flexibler als Ergosterol, was sich auch positiv auf die Haltbarkeit auswirkt. Das Cholesterol ist aber das Einzige, das aufgrund seiner molekularen Dynamik bis in die andere H{\"a}lfte der zweischichtigen Membran vordringen kann. Damit koppelt es beide Schichten dynamisch miteinander, wodurch die Membran extrem flexibel und dadurch widerstandsf{\"a}higer wird. K{\"u}nstliche Cholesterolmembranen (Durchmesser 3,5 mm) weisen daher eine {\"a}ußerst erstaunliche Haltbarkeit von bis zu 9 Tagen auf. Unterschiede in der Membranspannung bedingen zum Teil extreme {\"A}nderungen der kollektiven Undulationsfrequenzen. Erst das Cholesterol scheint durch ein Zusammenspiel der Membranspannung mit der Membranviskosit{\"a}t, die im Gegensatz zu den anderen Steroiden beide extrem erh{\"o}ht werden, eine f{\"u}r Eukaryonten biologisch sinnvolle Abstimmung zu bieten. Die sehr hohe Membranviskosit{\"a}t wirkt der Frequenzerh{\"o}hung durch die Membranspannung entscheidend entgegen. Dieser Umstand erm{\"o}glicht es Zellen, dass sie die Vorteile des Cholesterols nutzen k{\"o}nnen und dennoch moderate kollektive Bewegungen stattfinden, die nicht durch sehr hohe Frequenzen Zell-Zell- oder Molek{\"u}l-Zell-Interaktionen außerordentlich erschweren.},
  subject      = {Membranschwingung},
  language  = {de}
}