Die Wirkung der Membrankrümmung auf die elektroporative Deformation sondenmarkierter Lipidvesikel

Liese T. Die Wirkung der Membrankrümmung auf die elektroporative Deformation sondenmarkierter Lipidvesikel. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2002.Die Turbiditätsrelaxationen von kleinen, unilamellaren Vesikeln (SUV) in wässriger NaCl-Lösung zeigen bei elektrischen Rechteck-Feldpulsen der Feldstärke 2 < E /MV m-1 <= 8 eine Elektro-Elongation an, die an die Glättung von thermischen Oberflächenondulationen der Lipidmembran, deren Dehnung sowie die Membranelektroporation (MEP) gekoppelt ist. Ausmaß und Rate des elektromechanischen Prozesses für Vesikel mit unterschiedlichen Radien von a /nm = 25 - 170 sind bei der konstanten, nominalen Transmembranpotentialdifferenz [Delta][phi]N = -1,5·E·a = -0.3 V vom Radius abhängig. Die Zunahme der Membrankrümmung H = 1 / a im Bereich 0,006 <= H / nm-1 <= 0,04 führt zu einem Anstieg des Bruchteils der Elektroporenfläche fp = [Delta]Sp/S0 in der Membran von 1·10-3 für a = 170 nm bis auf 2,9·10-2 bei a = 25 nm. In gleichem Maße wie fp nimmt die Elektroporationsrate [tau]p-1 von 0,07 µs-1 für a = 170 nm auf 1,05 µs-1 für a = 25 nm zu. Die Erleichterung der Elektroporation durch die Membrankrümmung wird als Freisetzung der Flächen-Differenz-Elastizitätsenergie (Area difference elasticity energy) [Delta]rG ADE gedeutet. Bedingt durch die Differenz der relativen Lipidpackungsdichte, [Delta][rho]/[rho]0, zwischen der äußeren und inneren Lipidmonoschicht der Membran, verringert sie sich bei der Bildung eines Mols einer Pore mit dem mittleren Radius rp = 0,35 nm von [Delta]rG ADE = 3,3 RT bei einem Vesikelradius von a = 25 nm auf [Delta]rG ADE = 0,5 RT bei einem Vesikelradius von a = 170 nm. Eine große Membrankrümmung erleichtert demnach die elektrische Porenbildung. Ein Hauptergebnis ist, dass die erleichterte Elektroporation stark gekrümmter Lipidmembranen sich in den optischen Relaxationen von Membransonden quantitativ wiederfindet. Die Kinetik des - mit einer Ausnahme - negativen, elektrischen Absorptionsdichroismus [Delta]A der Sonden [beta]-DPH pPC, TMA-DPH, DPH, PATMAN, Zeaxanthin und DiIC16(3) ist unabhängig vom Farbstofftypus identisch, während sie sich im Ausmaß [Delta]A/A0 unterscheidet. Nur für DiIC16(3) ist [Delta]A/A0 unterschiedlich und hat ein positives Vorzeichen. Die Unterschiede |[Delta]A| der Sondentypen für einen gegebenen Vesikelradius und gleiche Feldstärke E sind mit dem Grad der Ausrichtung der Sonde in der Membran durch den mittleren Sonden-Konuswinkel [alpha]E verknüpfbar. Für die Abhängigkeiten des Sondenkonuswinkels [alpha]E von der Membrankrümmung H muss das bestehendende ADE-Modell erweitert werden. Die Auswirkung der aus der Krümmung abgeleiteten, winkelabhängigen relativen Lipidpackungsdichte [Delta][rho]/[rho]0([theta]) auf [alpha]E wird durch die anisotropen Krümmungseigenschaften des Ellipsoids elektro-deformierter Vesikel erklärt