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Phospholipide: Gemeinsam Fließen statt einsam Hüpfen

TOFTOF TOFTOF Sebastian Busch (left) und Dr. Tobias Unruh vor dem Neutronenspektrometer TOFTOF.

Sebastian Busch (l.) und Dr. Tobias Unruh vor dem Neutronenspektrometer TOFTOF.OF.

Phospholipide sind von großem Interesse, da sie ein wesentlicher Bestandteil der Lipiddoppelschicht in Zellmembranen sind. Letztere enthalten eingebettete Proteine, die für diverse Signalübertragungsprozesse verantwortlich sind.

Wie sich diese Phospholipide innerhalb der Zellmembranen bewegen und wie sie Proteine in Kontakt miteinander bringen, hat Wissenschaftler Jahrzehnte beschäftigt. Seit Jahren verfolgten Biophysiker das falsche Modell: Statt sich hüpfend einzeln von Leerstelle zu Leerstelle vorwärts zu bewegen, fließen die Phospholipide der Membran im Verbund.

Simulationen von finnischen Biophysikern um Ilpo Vattulainen an Dipalmitoylphosphatidylcholin Doppelschichten in der flüssigen Phase haben im Jahr 2008 erste Hinweise auf fließende statt hüpfende Bewegungen der Phospholipide gegeben. Deutsche Wissenschaftler, Dr. Sebastian Busch und Dr. Tobias Unruh, haben an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz mit Messungen an einem typischem Phospholipid, Dimyristoylphosphatidylcholin (DMPC), am Neutronenspektrometer TOFTOF tatsächlich die Theorie der Finnen im Jahr 2009 bestätigt. Sie waren auch in der Lage, die fließenden Bewegungen der Moleküle mit Hilfe von Neutronenstreuexperimenten nachzuweisen. Die Zellmembranmoleküle bewegen sich dabei ähnlich wie Personen in einer Menschenmasse: Nur wenn mehrere im Verbund in eine Richtung drängen, kommt auch das Individuum vorwärts. Ein einsames Hüpfen der Moleküle gibt es also nicht, nur ein gemeinsames Fließen.

Der Physiker Dr. Sebastion Buch untersuchte DMPC, hydriert mit schwerem Wasser. Die Bewegung der Zellmembran wurde in Zeitabständen von 35 bis 1000 Billionstel Sekunden bei 30 °C beobachtet. Im Spektrometer TOFTOF werden Neutronen mit einer genauestens bekannten Geschwindigkeit ausgewählt. Sie treffen auf die Probe und interagieren mit den Atomkernen. Wenn diese in Bewegung sind, ändern die Neutronen ihre Geschwindigkeit, was in einem Detektor gemessen wird. Weltweit ist TOFTOF das einzige Spektrometer, das mit einer so großen Genauigkeit diese kleinen Bewegungen auf der Nanoskala messen kann.

Wie sich die Bewegungen der Phospholipide verändern, wenn verschiedene Stoffe beimengt werden, sind Gegenstand nachfolgender Untersuchungen. Solche Mischungen werden z.B. in Arzneimitteln verwendet. Geeignete Zusätze können die Haltbarkeit der Stoffe drastisch erhöhen. Wenn der Stabilisierungsmechanismus im Detail verstanden ist, können zukünftig für die jeweilige Anwendung optimierte Mischungen vorgeschlagen werden.

Originalpublikation

[1] Molecular Mechanism of Long-Range Diffusion in Phospholipid Membranes Studied by Quasielastic Neutron Scattering, S. Busch, C. Smuda, L.C. Pardo Soto, T. Unruh, Journal of the American Chemical Society, Publication Date (Web): February 17, 2010 DOI: 10.1021/ja907581s

Link zur Simulation des Modells durch die finnischen Wissenschaftler auf YouTube:

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