Assoziationskolloide und Membranen

Die Dispersion amphiphiler Moleküle führt, zu spontan aggregierenden supramolekularen Strukturen. Diese Aggregate können kugelförmig, zylindrisch oder flächenhaft sein. Im letzteren Fall bestehen sie aus Doppelschichten der amphiphilen Moleküle. Die Doppelschichten sind flexible Membranen, die ihrerseits wiederum verschiedene Strukturen ausbilden können. Dazu gehören aus einer Lamelle bestehende Blasen oder Vesikel, aber auch multilamellare Blasen, Zylinder und Membranstapel. Diese Strukturen sind sehr flexibel, da sich die Bausteine leicht gegeneinander bewegen können. Die "Weichheit" ist auch ein Charakteristikum von Biomembranen. Ein aktuelles Forschungsgebiet ist das Studium der Assoziationskolloide als Modellsysteme für die vom molekularen Aufbau her viel komplexeren Biomembranen.

Die Fülle der möglichen Formen, die Membranen annehmen können, untersucht man mit Hilfe von Modellen für die Membranflächen, in die verschiedene Parameter wie die Grenzflächenspannung, die spontane Krümmung und die Biegesteifigkeit eingehen. Solche Modelle gestatten es, Formänderungen beispielsweise von Vesikeln aus Lipidmembranen zu verstehen, die auftreten, wenn sich äußere Parameter wie Temperatur und osmotischer Druck ändern.

Polymeren verankern sich an eine Membran

Bildbeschreibung:

Verbundsystem aus Membran und verankerten Polymeren. Die Polymere sind mittels Ankersegmenten an die Membran geheftet. Sie bilden "Pilzzustände", solange die Membran nicht vollständig mit Polymeren bedeckt ist. Diese Polymerpilze üben Kräfte auf die Membran aus, die eine charakteristische Krümmung der Membran hervorrufen. (R. Lipowsky, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Golm)

Eine ähnliche Vorgehensweise hat es ermöglicht, das reiche Verhalten ternärer Systeme aus Wasser, Öl und amphiphilen Molekülen zu verstehen. In diesen als Mikroemulsionen bezeichneten Systemen können kleine Öltröpfchen in einer wasserreichen Phase und kleine Wassertröpfchen in einer ölreichen Phase existieren, wobei Wasser und Öl durch eine selbstorganisierte Membran aus amphiphilen Molekülen getrennt sind. Neben diesen "einfachen" Strukturen gibt es auch "bikontinuierliche", in denen sowohl Domänen aus Wasser als auch solche aus Öl als zusammenhängende Gebilde die gesamte Mikroemulsion durchziehen. Die Grenzflächen zwischen diesen Domänen sind flexibel, sie fluktuieren und reagieren empfindlich auf äußere Störungen.

Ein aktuelles Forschungsgebiet der Physik von Membranen beschäftigt sich mit der Erweiterung der Membranmodelle, so dass gewisse Charakteristika biologischer Membranen erfasst werden können. Biomembranen bestehen aus vielen Lipid- und Proteinkomponenten mit einer hohen seitlichen Beweglichkeit, und sie enthalten Biopolymere, die durch hydrophobe Segmente in der Membran verankert sind. Man studiert daher Modellmembranen, die wie die Biomembranen strukturiert und dekoriert sind. Wenn die Membran aus mehreren Komponenten besteht, so können sie sich aufgrund ihrer hohen seitlichen Beweglichkeit unter geeigneten Bedingungen teilweise entmischen. Die dabei entstehenden Domänen haben unterschiedliche elastische Eigenschaften, was sich wiederum auf die Gestalt der Membran auswirkt. So kann es energetisch günstiger sein, die Grenzlinie zwischen den Domänen zu verkürzen, was dann die Membran zur Ausbildung von Knospen veranlasst.

Die Verankerung eines Polymers in einer Membran kann verschiedene Auswirkungen auf die Membrankrümmung haben, je nachdem ob die nicht verankerten Monomere von der Membran abgestoßen oder angezogen werden. Ist beispielsweise ein einzelnes Polymer, das normalerweise von der Membran abgestoßen wird, mit einem Ende in der Membran verankert, so entsteht eine Kraft, die dazu führt, dass sich die Membran vom Polymer wegkrümmt. Die so entstehende spontane Krümmung hängt u. a. von der Polymergröße ab.

Ein ähnliches Verhalten beobachtet man an Membranen, die in Kontakt mit dispergierten Molekülen und Kolloiden stehen. Wenn mehrere Sorten solcher Teilchen vorhanden sind, kann die Membrankrümmung verändert werden. Stoßen die Membran und die Kolloidteilchen einander ab, und sind auf den beiden Seiten der Membran unterschiedlich große Teilchen suspendiert, so krümmt sich die Membran zu den größeren Teilchen hin. Bei anziehenden Wechselwirkungen können die großen Teilchen von der Membran vollständig eingeschlossen werden.