Kinetyka membran biologicznychKinetyka membran biologicznych- zmienność w stałości- zmienność w stałości

Piotr TargowskiPiotr Targowski

Kolokwium czwartkowe Instytut Fizyki UMK

Toruń - 18 maja 2000

Kinetyka membran biologicznychKinetyka membran biologicznych- stałość w zmienności- stałość w zmienności

Piotr TargowskiPiotr Targowski

Kolokwium czwartkowe Instytut Fizyki UMK

Toruń - 18 maja 2000

Schemat komórki[Encyklopedia multimedialna PWN - Biologia]

• ogranicza przestrzeń komórki• umożliwia i kontroluje transport substancji

odżywczych• stanowi środowisko dla pewnych reakcji

biochemicznych• dostosowuje kształt komórki do

wymogów tkanki

Membrana komórkowaMembrana komórkowa

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

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

Plan wykładuPlan wykładu• Wstęp• Obiekt badań• Modele fluktuacji membrany

– model frakcyjny– model dystrybucyjny

• Podsumowanie

• Aspekt krajoznawczy

WO

DA

WO

DA

. . . . . . .

. . . . . . .Model przestrzenny przekroju dwuwarstwowej błony fosfolipidowej [L. Stryer „Biochemia”, PWN, 1997 ]

OH C P N

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

50 nm50 nm

Środowisko - małe liposomy DPPC

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 10 20 30 40 50 60

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 10 20 30 40 50 60

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 50 100 150

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 50 100 150

DPH

Koronen

Temperatura (oC)

Temperatura (oC)

Ciśnienie (MPa)

Ciśnienie (MPa)

< r >

< r >

< r >

< r >

T = 53 oC

Koronen C24H12

Grupa punktowa symetrii D6h

r0 = 0.1, jedna składowa zaniku r(t)

F 220ns

(nm)400 420 440 460 480 500 520 540Fl

uore

scen

cja

(j. w

.)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

DPPC znakowane koronenem T=23 DPPC znakowane koronenem T=23 ooCC

czas (ns) vs fit-scatter

2 1 00 .

0 50 100 150 200 250

0

1000

2000

3000

4000

Residua

-3

0

3

# kanału0 100 200

Wsp

. aut

okor

elac

ji

-0.5

0.0

0.5

1.0

VV

-VH

= r(

t)·F(

t) (

zlic

zeni

a)

Czas (ns)Czas zanikufluorescencji DPH

r t C e C e r ek t k tN

k tN( ) 1 2 0

1 2 !??

k

F G

N

GF

k FG

k Gk F

k N

Ciekły kryształ

Frakcjawymienna

Frakcjastała

Żel

Model frakcyjnyModel frakcyjny

Model frakcyjny - podstawowe zależności

• Ponieważ fluorescencja sondy nie zależy od stanu środowiska, to

r t r t r t r tF F G G N Nbg bg bg bg 0

• Kinetyka procesów wymiany środowisk:

dR tdt

k R t k k R t

dR tdt

k R t k k R t

FFG G GF F F

GGF F FG G G

bg bgb g bgbg bgb g bg

r t R t R t r tF G N Nbg bg bg bg 0albo

szczegóły

Model frakcyjny- najważniejsze wyniki

Roz

mia

ry fr

akcj

i

5 10 15 20 25 30 35 400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F

G

N

5 10 15 20 25 30 35 40

0

1

2

3

4

5

Temperatura (oC) Temperatura (oC)

kkFG

GF

sk kF FG

5 10 15 20 25 30 35 40

Temperatura (oC)

1e+7

2e+7

3e+7

5e+8

1e+9

0

kFG

kF

Wybrane stałe szybkości

s

Model frakcyjny - szczegóły rozwiązań

r t C e C e r ek t k tN

k tN( ) 1 2 0

1 2

kD k k k k

D k k k kD

C CC C

kk kk

kk k k k D

D k k k k D k k k k

r C Ck

k kr C C

kk k

F

FGF

GF

FFG

FG GFG

GF

FG GF

12

22

12

22

1 2 1 2

2 1

2 1

1 2 1 2 1 22 2

12

22

12

22

1 2 1 2

0 2 1 0 2 1

1

c hc hb gb gb gc h

c hc h b gb gb g b g

;

Wynik eksperymentu może mieć postać zaniku o 3 składowych

Przy założeniu k k kF G N można wyznaczyć parametry fizyczne

Temperatura (°C)

253035404550

150200250300

Cza

sy z

anik

u sk

łado

wyc

h i (n

s)

5 10 15 20 25 30 35 40024

Wsp

. wag

owe

skła

dow

ych

i

Temperatura (°C)

5 10 15 20 25 30 35 400.0

0.1

0.2

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Własności zaniku fluorescencji koronenuWłasności zaniku fluorescencji koronenu w małych liposomach DPPC w małych liposomach DPPC

k

F G

N

GF

kFG

Ciekły kryształ

Frakcjawymienna

Frakcjastała

Żel

Model frakcyjnyModel frakcyjny

F

Frakcjawymienna

Ciekły kryształ Żel

Model dystrybucyjnyModel dystrybucyjny

. . . .

G1

G2

G3

Gn

d(S1,T)

d(S2,T)

d(S3,T)

d(Sn,T)

S = 0 S > 0

Model dystrybucyjnyModel dystrybucyjny- podstawowe zależności- podstawowe zależności

d S T d TE S Tk TB

, exp,b g bg b g

FHG IKJ

act

E S T F S T F S T

a S a T T S a S a S

act , , ,

( *)

b g b g b g

012

13

141 2

23

34

4

P S TE S Tk T

P S T dSB

, exp,

, ,b g b g b g FHG IKJ z act 1

0

1

r t r t r P S T e dSF Dd S T taf af a f a f z , ,

0

1

s

Model dystrybucyjnyModel dystrybucyjny- - najważniejsze wyniki

oC )

5 10 15 20 25 30 35 40

5.0e+7

1.0e+8

1.5e+8

0

5 10 15 20 25 30 35 40

5

20

50

10

100

3

Temperatura (oC)Temperatura (oC)

d (s

-1)

Tt=39 oCTt=39 oC

d TT T

bg

Efekty ciśnieniowe s

Zespół zaangażowany w badaniaZespół 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 ciśnienioweModel dystrybucyjny, pomiary ciśnieniowe

TemperaturaTemperatura ekwiwalentna (

oC)

5 10 15 20 25 30 35 40

3

5

7

20

30

50

70

10

100

TemperaturaTemperatura ekwiwalentna (

oC)

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

p= 0.1 MPa

T=45.6 oC

T=53.3 oC

T=35.6 oC

Równoważność ciśnienia i temperatury w membranach fosfolipidowych

Temperatura ( o C )

25 30 35 40 45 50 55

Ciś

nien

ie P 1

/2 (

MPa

)

0

20

40

60

80

100<

r > (k

oron

en)

Ciśnienie hydrostatyczne (Mpa)0 50 100 150

< r >

(D

PH)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

P1/2P1/2

Temperatura ekwiwalentna T eq ( oC )

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Ani

zotro

pia

emis

ji <r

>

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

T T p T peq ( , ) . . 0 26 0 01 K / MPab g

PodsumowaniePodsumowanie

• 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.

( 100 ns )

Parametr uporządkowania S

Energia swobodna Energia swobodna F(S,T)F(S,T)

Tem

pera

tura

(o C

)

F(S

,T)

(kJ/

mol

)

P(S

,T)

Parametr uporządkowania S

Tem

pera

tura

(o C

)

Gęstość prawdopodobieństwa Gęstość prawdopodobieństwa P(S,T)P(S,T)