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)
Recommended
