In-situ analysis of the influence of gases and ions on biological interfaces

Abstract

In dieser Arbeit wurde das Adsorptionsverhalten verschiedener Substanzen aus der Gas- oder Flüssigphase an Modellmembranen untersucht. Lipidmembranen spielen in lebenden Organismen eine wesentliche Rolle. In Form von Doppelschichten organisieren sie die Abgrenzung der Zelle und der intrazellulären Kompartimente. In der Lunge reguliert eine komplexe Lipid-Protein Monolage, das sogenannte pulmonale Surfactant, den störungsfreien Gasaustausch. Heutzutage ist die menschliche Lunge vielen potenziell schädlichen Molekülen ausgesetzt, wie z.B. Lösungsmitteln und flüchtigen Substanzen, die in Farben, Lacken, Weichmachern, Waschmitteln und Anästhesiemitteln verwendet werden. Andererseits haben Substanzen wie Perfluorkohlenstoffe vielversprechende Eigenschaften, die geschädigtes Surfactant der Lunge unterstützen könnten. Um diese Wechselwirkungen besser zu verstehen, wurde der Einfluss von Alkanen und perfluorierten Substanzen auf Modellmembranen und ihre Wirkung auf pathophysiologische Proteinadsorptionsprozesse untersucht. Die natürliche Umgebung einer zellulären Membran ist eine Elektrolytlösung. Ionen spielen eine wichtige Rolle in Membran-assoziierten Prozessen, wie Signaltransduktion, Fusion, Endozytose und beeinflussen Protein/Membran-Wechselwirkungen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Kationen auf die Membranstruktur und auf Proteinadsorptionsprozesse. Mit den oberflächensensitiven Röntgenstreumethoden Röntgenreflektivität und Röntgendiffraktion unter streifenden Einfall ist es möglich, Strukturen an Grenzflächen mit sub-Ångström Auflösung in-situ zu analysieren. Als Modellsysteme wurden Langmuirfilme an der Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche sowie substratgebundene Lipidschichten an der Festkörper/Flüssigkeits- bzw. an der Festkörper/Gas-Grenzfläche untersucht.

In this work the adsorption behaviour of different substances from the gas or liquid phase at model membranes was investigated. Lipid membranes play an essential role in living organisms. In the form of bilayers they organise the boundary of the cell and of the intracellular compartments. In the lung, a complex lipid-protein monolayer, the so-called pulmonary surfactant, regulates the proper gas exchange. Nowadays, the human lung is exposed to various potentially harmful molecules, e.g. solvents and volatile substances used in paints, varnishes, plasticiser, detergents and anaesthetics. On the other hand, substances such as perfluorocarbons have promising properties that could support injured lung surfactant. For a deeper understanding of these interactions, the influence of alkanes and perfluorinated substances on model membranes and their effect on pathophysiological protein adsorption processes was investigated. The natural environment of a cellular membrane is an electrolyte solution. Ions play an important role in membrane-associated processes, such as signal transduction, fusion, endocytosis and affect protein/membrane-interactions. Therefore, another point of emphasis of this work is the investigation of the influence of cations on membrane structures and protein adsorption processes. With the surface-sensitive x-ray scattering techniques x-ray reflectivity and grazing-incidence x-ray diffraction it is possible to analyse structures at interfaces with sub-angstrom resolution in-situ. As model systems Langmuir films at the liquid/gas-interface and substrate-bound lipid layers at the solid/liquid- and solid/gas-interface were investigated.