Thermodynamik der Demizellisierung und Solubilisierung von Alkylglucosiden mit ausgewählten Phospholipiden sowie das rheologische Verhalten der Solubilisierung am Beispiel Octylglucosid / Dimyristoylphosphatidylglyzerol

  • Demizellisierung Die isotherme Titrationskalorimetrie ist eine leistungsfähige, schnelle und einfache Methode, die den großen Vorteil bietet, aus ein und demselben Experiment die CMC und die Demizellisierungsenthalpie eines Tensids in einem weiten Temperaturbereich zu bestimmen [48,51,102,103]. Die in dieser Arbeit verwandten Detergentien Octylglucosid und Dodecylmaltosid zeichnen sich durch ihre milden Eigenschaften beim Herauslösen von Proteinen aus bakteriellen Membranen und bei deren Rekonstitution in definierten Lipidmatrizen aus [104-106]. Diese nichtionischen Tenside besitzen eine relativ hohe Aggregationszahl, woraufhin die Näherungen des Phasenseparationsmodells gemacht werden können. Die CMC ist eine Funktion der Temperatur, der Neutralsalzkonzentration und der Alkylkettenlänge. Bei Prozessen, die durch den hydrophoben Effekt bedingt sind kehrt sich mit steigender Temperatur das Vorzeichen der Enthalpie um; dort besitzt DHDemiz eine Nullstelle. Die entsprechende Temperatur wird TH genannt. Ebenso weist die Entropie eine Nullstelle bei TS auf. Im Bereich von TH ist es schwierig wenn nicht sogar unmöglich die CMC und die Demizellisierungsenthalpie auf titrationskalorimetrischem Wege genau zu bestimmen. Mit Hilfe der van t Hoff schen Reaktionsisobare lassen sich DHDemiz und die CMC aus den experimentell zugänglichen Werten mathematisch anpassen [51,55]. Die starke Temperaturabhängigkeit der Enthalpie und Entropie kompensieren sich weitgehend und es resultiert nach Gibbs-Helmholtz eine nur schwache Temperaturabhängigkeit der freien Enthalpie. Die Ableitung der Enthalpie nach der Temperatur ergibt die Wärmekapazität. Diese ist ein Maß inwieweit hydrophobe Oberfläche durch die Mizellbildung vom Einfluß des Wassers abgeschirmt wird. Solubilisierung Mit Hilfe der ITC lassen sich, für den Prozeß der Solubilisierung, die Phasengrenzen des Koexistenzbereichs einfach bestimmen. Sie sind aus den Kalorigrammen zugänglich als Wendepunkte des intermediären Extremwertes. Als Erste setzten Heerklotz et al. die Titrationkalorimetrie im Zusammenhang mit dieser Problemstellung ein [66]. Desweiteren läßt sich aus dieser Art von Experiment die Solubilisierungskraft verschiedener Tenside bestimmen. So besitzt Dodecylmaltosid eine deutlich höhere Solubilisierungskraft als Octylglucosid. Dies ist zu ersehen aus den für DM niedrigeren Re sol -Werten. Die Solubilisierung der synthetischen Lezithine in pH 6 Phosphatpuffer bei 70 °C zeigen einen linear ansteigenden Verlauf mit Zunahme der Acylkettenlänge des Lipids. Im Gegensatz dazu zeigt OG eine sprunghafte Änderung zwischen DPPC und DSPC. Dies deutet darauf hin, daß die Form und oder Größe der entstehenden Aggregate in der gemischtmizellaren Phase differieren. Die Werte in Pufferlösung liegen leicht unter denen in reinem Wasser. Dies wird verursacht durch die Verringerung der Hydratation der Kopfgruppen in den Aggragaten. Die Reihenfolge der Solubilisierung in Abhängigkeit der Kopfgruppe des Lipids nimmt sowohl für DM als auch für OG in der Richtung PA>PC>PG ab. Ursache hierfür sind die in dieser Richtung abnehmenden intermolekularen H-Brückenbindungen. Gleichzeitig nehmen in dieser Richtung die intramolekularen H-Brückenbindungen zu. Deshalb läßt sich PG leichter als die anderen Lipide solubilisieren. Die temperaturabhängigkeit des Gesamtverhältnisses Rt # des Beispiels OG/P90g in Wasser zeigt analog der temperaturabhänigigkeit der Demizellisierung ein Minimum zwischen 42 und 46 °C (quadratisch angepaßt). Die typische, auf den hydrophoben Effekt basierende Umkehr der Reaktionsenthalpie findet hier bei 42 °C statt. Das effektive Molverhältnis Re # zeigt für die Solubilisierung einen leichten und für die Saturierung einen stärkeren Anstieg mit steigender Temperatur. Der Einfluß der Größe der ursprünglich eingesetzten Vesikel wurde bei dem System OG/DMPC in Wasser bei 27 °C untersucht. Es konnte kein Einfluß der Vesikelgröße festgestellt werden. Die Solubilisierung des Gemisches DMPC/DMPG mit OG wurde in pH 6 Phosphatpuffer bei 70 °C untersucht. Die Solubilisierungsgrenze der DMPC-Membran wird durch beimischung von DMPG bis zu einem Molenbruch XMG = 0,4 erhöht. Die DMPG-Membran wird durch den DMPC-Anteil bis XMC = 0,2 destabilisert. Verteilungsexperimente Die Experimente, bei denen Lipid zu einer Detergensvorlage titriert wurde, wurden mit konstantem Verteilungskoeffizienten P angepaßt. Der Verteilungskoeffizient und die Transferenthalpie nehmen mit zunehmendem OG-Gehalt in der DMPC-Membran bei 30 °C ab. Es scheinen anfängliche Fehlstellen abgesättigt zu werden. Gleiches Verhalten zeigt sich bei 70 °C. Lediglich die Transferenthalpie nimmt betragsmäßig leicht zu. Die Abhängigkeit von der Kopfgruppe des Lipids zeigt eine Zunahme des Verteilungskoeffizienten von DPPA<DPPC<DPPG bei 70 °C in pH 6 Phosphatpuffer. Dies läßt sich verstehen durch die bereits vorher erwähnte Abnahme der intermolekularen H-Brückenbindungen. Dadurch wird die Membran flexibler und der Detergenseinbau erleichtert. Die Konstanz des Verteilungskoeffizient P war zu erwarten, da der Vorgang sich innerhalb eines kleinen Konzentrationsbereichs abgespielt hat und immer derselbe Prozeß stattgefunden hat, nämlich der Einbau von wenig Detergens in die reine Lipidmembran. Die Experimente, bei denen Detergens zu einer Lipidvorlage titriert wurde, konnten, wegen des nichtidealen Mischungsverhaltens, nicht mehr mit einem konstanten Verteilungs-koeffizienten P angepaßt werden. Die Anpassung wurde mit dem athermischen Mischungsmodell von Guggenheim realisiert. Dabei enthält die Gibbs sche freie Mischungs-enthalpie einen Exzeßterm. Der Verteilungskoeffizient P0 nimmt mit steigendem Vesikeldurchmesser ab. Die Krümmung der Vesikel hat somit großen Einfluß auf die Fehlstellen in der Membran. Die Werte der Fit-Parameter schwanken leider sehr stark mit dem Intervall der Schrittweite für die Anpassung. Die Ursache hierfür liegt an der Qualität der experimentellen Werte. Bei der in dieser Arbeit durchgeführten Verteilungsexperimenten ist das Signal/Rausch Verhältnis recht klein und am Rande der Auflösung des Kalorimeters. Es ergeben sich somit schon bei der Integration und Basislinienkorrektur grobe Toleranzen. Für die mathematische Anpassung stehen desweiteren nur eine relativ geringe Datenmenge von ca. 20 - 40 Meßpunkten zur Verfügung. Es lassen sich somit bei Experimenten in diesem meßtechnischen Grenzbereich eher nur eine Abschätzung als genaue Absolutwerte bestimmen. Die Signale dieser Art von Experimenten sind deshalb so gering weil zu der geringen Verdünnungsenthalpie nur noch die Transferenthalpie weniger Detergensmoleküle beiträgt. Das nichtideale Mischungsverhalten dieses Verteilungsexperimentes ist zu verstehen, aus der Unteschiedlichkeit beider Amphiphile hinsichtlich Ihrer Strukturformel und ihrem physikalischen Verhalten. DSC Die Solubilisierung wurde auch mit der DSC-Methode untersucht. Der Einbau von OG in DPPC zeigt schon bei geringen Detergensmengen ein Verschwinden der Vorumwandlung (Lb' -> Pb' ). Die Hauptumwandlung verschiebt sich mit steigender Detergenskonzentration zu niedrigeren Temperaturen. Beim Überschreiten der Saturierungsphasengrenze geht die Kooperativität der Umwandlung zunehmends verloren und die anfänglichen Umwandlungspeaks werden zu Umwandlungsbereichen. Sogar noch in der mizellaren Phase sind Umwandlungsbereiche zu erkennen, was darauf hindeutet, daß selbst dort noch Domänen mit kooperativem Umwandlungsverhalten existieren müssen, da in reinen OG-Mizellen keine Umwandlung detektiert werden konnte. Die Verschiebung der Umwandlung und die Schärfe der Bereiche ist reversibel. Der Einfluß von 150 mM NaCl-Puffer bewirkt lediglich eine Verschiebung der Umwandlungstemperaturen um ca. 5 °C zu niedrigeren Werten, was sicherlich auf die Änderung der Hydratation im Kopfgruppenbereich der Aggregate zurückzuführen ist. Lichtstreuung Mit Hilfe der dynamischen und statischen Lichtstreuung lassen sich die Grenzen des kalorimetrisch bestimmten Koexistenzbereichs bestätigen. Außerdem konnte ein kleiner lokaler Extremwert im Titrationskalorigramm als Ende der makroskopischen Phasenseparation identifiziert werden. Beim synthetischen Lipid DMPC reicht diese Mischungslücke vom Koexistenzbereich bis in den mizellaren Bereich. Bei dem natürlich vorkommenden SojaPC liegt diese Mischungslücke innerhalb des kalorimetrisch bestimmten Koexistenzbereich. Das anionische DMPG weist keine Mischungslücke auf. Rheologie Das Anionische Lipid DMPG weist beim titrieren mit OG in pH 6 Phosphatpuffer bei 30 °C eine starke Basislinienverschiebung auf. Die Ursache hierfür ist eine sprungartige Zunahme der Viskosität beim Überschreiten der Saturierungsphasengrenze. Diese Basislinienverschiebung nimmt mit steigender Temperatur ab bedingt durch die Zunahme der thermischen Energie. Die rheologischen Eigenschaften des Systems OG/DMPG wurden mit einem Rotationsviskosimeter näher untersucht. Im Koexistenzbereich zeigt sich scherverdünnendes, anti-thixotropes Verhalten. Dies läßt sich erklären durch die Bildung von würmchenähnlichen Mizellen. Vor Beginn der Scherung sind die Würmchenmizellen durch die Brown sche Molekularbewegung völlig ungeordnet. Mit eintretender Scherung findet eine Orientierung der Mizellfäden statt. Durch besseres aneinander Vorbeigleiten tritt eine Viskositätserniedrigung ein. Bei weiterer Erhöhung von & g kommt es verstärkt zu Rheo-destruktion und die Moleküle müssen sich neu assoziieren. Erniedrigt man die Scherrate wieder, kommt es durch die Reassoziation zu verstärkten Wechselwirkungen zwischen den verzweigten, fadenförmigen Mizellen. Dadurch ist die Viskosität beim Reduzieren der Scherrate höher und die Kurve verläuft linksherum (anti-thixotrop).

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Matthias Keller
URN (permanent link):urn:nbn:de:bsz:386-kluedo-12758
Advisor:A. Blume
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2001
Year of Publication:2001
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2001/07/06
Tag:Alkylglucosid ; Bilayer ; CMC; Doppelschicht ; ITC ; Lecitin ; Lezitin ; Lipid ; Octylglucosid ; Oktylglukosid ; Oktylglukosid
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften

$Rev: 12793 $