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Stefan Nuschele

• The second derivatives of thermodynamic potentials are directly related to thermodynamic susceptibilites like heat capacity and compressibility. Such susceptibilites are strongly enhanced in the phase transition of lipid membranes corresponding to high fluctuations in the variables, e.g. in enthalpy and area. Not only are phase transitions found in simple component lipid membranes but they also occur in biological membranes of simple organisms. When growth parameters of bacterias are changed then also the measured transition temperatures changes. In the context of enzyme-membrane interaction, phase transitions mark the temperature at which the activation energies of various lipid vesicle bound enzymes decreases when the membranes melted from the gel to the fluid phase. In addition, the activity of lipid vesicle bound Phospholipase A2 has been found to exhibit a maximum when the membrane is in its phase transition. In the present study the attention was directed at the investigation ofThe second derivatives of thermodynamic potentials are directly related to thermodynamic susceptibilites like heat capacity and compressibility. Such susceptibilites are strongly enhanced in the phase transition of lipid membranes corresponding to high fluctuations in the variables, e.g. in enthalpy and area. Not only are phase transitions found in simple component lipid membranes but they also occur in biological membranes of simple organisms. When growth parameters of bacterias are changed then also the measured transition temperatures changes. In the context of enzyme-membrane interaction, phase transitions mark the temperature at which the activation energies of various lipid vesicle bound enzymes decreases when the membranes melted from the gel to the fluid phase. In addition, the activity of lipid vesicle bound Phospholipase A2 has been found to exhibit a maximum when the membrane is in its phase transition. In the present study the attention was directed at the investigation of membrane-enzyme-hydration-layers based biological interfaces. One of the fastest enzymes in biology, Acetylcholinesterase, was incorporated into lipid monolayers and the activity as well as monolayer phase states were simultaneously recorded on a Langmuir-trough-photometer hybrid. We were able to detect a dramatic increase in the activity of Acetylcholinesterase by a factor of 2-3 when the monolayers were driven through the phase transitions. The finding proved to be invariant upon changes in thermodynamic properties induced through variations in lipids, pH and temperature and therefore was regarded as being of general character. The results were demonstrated to suggest a correlation of area fluctuations and activity. This is also conform with the theory of Konrad Kaufmann which states that biological interfaces obtain their own entropy and, further, that critical states within these systems resemble high fluctuations that can lead to enhanced enzyme activities. In addition, the membranes of both bacterial and human cells were investigated in terms of their phase behaviour and their adaptation to changes in temperature. The thermodynamic properties of the cell membranes were analyzed by applying a variety of methods including calorimetry, Langmuir monolayers, black lipid membranes, fatty acid analyses, enzyme activity assays and population studies. We found that human cell membranes exhibit phase transitions and probably a critical point as well as they adapt to changes in growth temperature. Due to the similarity of these results to the properties found in bacterias, the underlying principles of these phenomena were supposed to originate from an universal mechanism. Based on the experimental findings we therefore developed a thermodynamic model of adaptation. For this purpose we applied the entropy potential to biological membranes and therefrom derived adaptation as the evolution of the entropy potential. The findings strongly suggest a crucial role of biological interfaces in cell function.…
• Die zweiten Ableitungen von thermodynamischen Potentialen sind direkt verbunden mit thermodynamischen Suszeptibilitäten, wie der Wärmekapazität und der Kompressibilität. Die Werte solcher Suszeptibilitäten sind in Phasenübergängen von Lipidmembranen stark erhöht. Dies korrespondiert mit großen Fluktuationen der Variablen, z.B. der Enthalpie oder der Fläche. Solche Phasenübergänge treten nicht nur in einkomponentigen Lipidmembranen auf, sondern wurden auch in den biologischen Membranen einfacher Organismen gefunden. Ändert man die Wachstumstemperatur von Bakterien, so verschieben sich auch die gemessenen Phasenübergangstemperaturen dieser Membranen. Im Fall von Enzym-Membran Wechselwirkungen stellen Phasenübergänge den Temperaturbereich dar, in welchem die Aktivierungsenergien sich verändern. Sie sinken, wenn die umgebende Membran von der gelförmigen in die fluide Phase schmilzt. Für das Enzym Phospholipase A2 wurde in der Vergangenheit zudem eine maximale Aktivität gefunden, wenn sichDie zweiten Ableitungen von thermodynamischen Potentialen sind direkt verbunden mit thermodynamischen Suszeptibilitäten, wie der Wärmekapazität und der Kompressibilität. Die Werte solcher Suszeptibilitäten sind in Phasenübergängen von Lipidmembranen stark erhöht. Dies korrespondiert mit großen Fluktuationen der Variablen, z.B. der Enthalpie oder der Fläche. Solche Phasenübergänge treten nicht nur in einkomponentigen Lipidmembranen auf, sondern wurden auch in den biologischen Membranen einfacher Organismen gefunden. Ändert man die Wachstumstemperatur von Bakterien, so verschieben sich auch die gemessenen Phasenübergangstemperaturen dieser Membranen. Im Fall von Enzym-Membran Wechselwirkungen stellen Phasenübergänge den Temperaturbereich dar, in welchem die Aktivierungsenergien sich verändern. Sie sinken, wenn die umgebende Membran von der gelförmigen in die fluide Phase schmilzt. Für das Enzym Phospholipase A2 wurde in der Vergangenheit zudem eine maximale Aktivität gefunden, wenn sich die umgebende Membran im Phasenübergang befand. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit galt der Untersuchung von biologischen Membran-Enzym-Hydrathülle-Grenzschichten. Eines der schnellsten bekannten Enzyme, die Acetylcholinesterase, wurde hierzu in Lipid-Monoschichten eingebaut. Auf einem Langmuir-Fotometertrog wurde seine Aktivitäte gleichzeitig mit dem Phasenzustand der Membran aufgezeichnet. Wir konnten einen dramatischen Anstieg der Acetylcholinesteraseaktivität um einen Faktor 2-3 feststellen, wenn die Monoschichten durch den Phasenübergang getrieben wurden. Der Effekt wurde als ein sehr grundlegender erachtet, da er auch bei Veränderungen der Lipide, dem pH und der Temperatur erhalten blieb. Es wurde daraufhin gezeigt, dass die Ergebnisse auf eine Korrelation von Fluktuationen und Aktivitäten schließen lassen. Dies ist auch mit der Theorie von Konrad Kaufmann vereinbar. Er schlägt vor, dass biologische Grenzschichten ihre eigene Entrope besitzen und dass kritische Zustände innerhalb solcher Systeme hohen Fluktuationen entsprechen. Diese wiederum führen zu erhöhten Enzymaktivitäten. Darüberhinaus wurden die Membranen von Bakterien und menschlichen Zellen bezüglich ihres Phasenverhaltens und ihrer Adaption und Temperaturveränderungen untersucht. Verschiedene Methoden wurden verwendet, um die thermodynamischen Eigenschaften der Zellmembranen zu untersuchen: Kalorimetrie, Langmuir Monoschichten, Black Lipid Membranes, Fettsäureanalysen, Aktivitätsassays und Populationsstudien an Zellen. Wir konnten zeigen, dass menschliche Zellmembranen Phasenübergänge aufweisen und sehr wahrscheinlich auch einen kritischen Punkt besitzen. Sie sind ebenfalls in der Lage sich an Änderungen in der Umgebungstemperatur anzupassen. Da diese Ergebnisse an menschlichen Zellen sehr ähnlich zu denen sind, die in Bakterien entdeckt wurden, wurde angenommen, dass die zu Grunde liegenden Mechanismen von sehr allgemeiner Natur sind. Unter Berücksichtigung der experimentellen Ergebnisse wurde ein thermodynamisches Modell zur Zelladaption entwickelt. Dazu wurde das Entropiepotential auf biologische Membranen angewendet und Zelladaption als Evolution dieses Potentials abgeleitet. Die Ergebnisse untermauern die essentiell wichtige Rolle von Grenzschichten für die Funktion von Zellen.…