Volker Oberle

Untersuchungen zum Einfluß freier Fettsäuren auf die Eigenschaften biologischer und Modellmembranen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 20.01.1999

Abstract
Ausgehend von der bekannten Zytotoxizität freier Fettsäuren, sollte der Mechanismus einer solchen Zellschädigung aufgeklärt werden.
Da zuerst die Zellmembran mit freien Fettsäuren in Wechselwirkung tritt, konzentrierten sich unsere Untersuchungen darauf, den Einfluß unterschiedlicher Fettsäuren auf Modell- und Bio-Membransysteme zu erfassen. Um zu interpretierbaren Ergebnissen zu gelangen, mußten wir zusätzlich die grundsätzlichen Eigenschaften von Fettsäuren in wäßrigen Systemen reevaluieren. Messmethodisch nutzten wir dabei dynamische und statische Lichtstreuung, Fluoreszenzspektroskopie, Kapillarelektrophorese, Monolayeruntersuchungen mit Fluoreszenz- und konventioneller Filmwaage, elektrische Messungen an Black Lipid Membranes, Isothermale Titrationskalorimetrie (ITC) und konfokale Laserscanning-Mikroskopie.
Es zeigte sich, daß freie Fettsäuren ein detergensähnliche Wirkung auf Membranen hat, was sich an einer erhöhten Fusogenität und einer größeren Permeabilität zeigt. Diese veränderten Membraneigenschaften begründeten wir mit einer auf der Fluoreszenzfilmwaage gemessenen Erhöhung der Domänenzahl während einer Phasenlateralseparation in Lipidmonolayern.
In einem zweiten Abschnitt verglichen wir die Daten, welche wir am Modellsystem erhielten mit den Auswirkungen freier Fettsäuren auf Zellmembranen. Prinzipiell zeigten auch Zellmembranen die gleichen Veränderungen ihrer Eigenschaften, wie sie zuvor im Modellsystem nachgewiesen wurden. Die Arbeit zeigte damit, daß die Gründe für die Zytotoxizität freier Fettsäuren physikalisch erklärbar sind. Die Arbeit erlaubt auch Einblick in vielfach noch nicht genügend untersuchte Eigenschaften freier Fettsäuren in wäßriger Umgebung.

Based on the fact, that fatty acids are known as cytotoxic agents, we tried to investigate the machanism of fatty acid induced cytotoxicity.
We concentrated our experiments on both model- and biomembranes, because of the first contact of the fatty acids with the cellmembrane during this event. To interprate our results derived from these experiments, we had to know basics about the physical behavior of fatty acid in aqueous environments. As measurement techniques we used dynamic and static light scattering, fluorescence-spectroscopy, capillary-electrophoresis, monolayer studies on normal and fluorescence-filmbalances, electric measurements with Black Lipid Membranes, Isothermal Titration Calorimetry and confocal Laser Scanning Microscopy.
We showed, that free fatty acids influenced membranes detergent like, proofed by an increase in fusogenity and by a higher permeability. These effects we interpreted in an increase of the number of domains derived from fluorescence-filmbalance experiments.
In a second part we compared the data from the modelsystems with experiments on cellular membranes. In principle the cellular membranes showed the same change in their behavior as the modelmembranes. This work showed that the cytotoxicity of free fatty acid is explainable with fundamental physical parameters. In addition the work gave insight into until now not carefully investigated paramters of fatty acids in an aqueous environment.

Keywords:
Fettsäuren, Cytotoxizität, Modell, Membran, Zellen, Schädigung, physikalische Eigenschaften, Liposomen

fatty acids, cytotoxicity, model, membrane, cell, damage, physical parameters, liposomes

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis (2-4)
1 Einführung (5-11)
2 Physikalische Eigenschaften von Fettsäuren: Löslichkeit, Dissoziationsverhalten, Phasenzustände (12-17)
3 Einbau von Fettsäuren in Modell- und Zellmembranen (18-38)
4 Bestimmung der Flip-Flop Geschwindigkeit von Fettsäuren im Lipidbilayer durch Potentialmessungen an Black-Lipid Membranes (BLM) (39-41)
5 Fettsäure-induzierte Schädigung von Membranen (42-70)
6 Bestimmung der Lateralphasenseparation und der Phasenzustände von Phospholipid/Fettsäuremischungen (71-81)
7 Entwicklung fettsäurehaltiger, nicht fusogener Donorvesikel (82-85)
8 Zusammenfassung (86-90)
9 Literatur (91-103)