Responding Model Membranes. Lipid Phase Behaviour, Domain Formation and Permeability

Abstract: Popular Abstract in Swedish Ett membrans främsta funktioner är dels att fungera som en barriär och dels reglera transport mellan membranets omgivningar. I biologiska membran så utgörs barriären till stor del av lipider. Lipider är amfifila molekyler som består av en polär del som trivs i vattenrika miljöer, och opolär del som skyr vatten. I membranet så ordnar sig lipiderna i bilager. Ett bilager är ett dubbelskikt där de opolära delarna i de båda lagrens lipider vänds mot varandra och de polära delarna är i kontakt med vattenmiljörena på bilagrets båda sidor. De flesta biologiska membran består av ett enkelt bilager, men det finns flera undantag. Ett viktigt exempel på ett membran som består av många staplade bilager återfinns i hornlagret i den yttre skiktet av människans hud. Hornlagret kan ses som ett stort membran som hindrar kroppen från uttorkning och som skyddar den mot olika skadliga ämnen i omgivningen. Permeabiliteten av ett bilager beror på det lipidernas fysikaliska tillstånd. I de flesta biologiska membran är bilagerna flytande kristallina. Detta innebär att lipidernas opolära kolkedjor är flytande. Om kolkedjorna är kristallina så sägs bilagrena vara i gel eller i kristallint tillstånd. Generellt kan man säga att ett flytande kristallint bilager har mycket högre permeabilitet än ett gel bilager. Biologiska membran innehåller ett stort antal olika lipider. De olika lipiderna är inte nödvändigtvis blandbara. Lipiderna kan därför fasseparera i bilagret och bilda domäner med olika sammansättningar och olika fysikaliska egenskaper. Storleken och formen av domänerna är viktiga för membranets permeabilitet. De olika bilagerstrukturerna förekommer som jämviktstrukturer under vissa förhållanden. Genom att ändra till exempel temperaturen eller vattenhalten, eller genom att tillsätta någon annan substans kan man rubba jämvikten och framkalla en fasseparation eller en fasövergång. En diffunderande molekyl kan också påverka lipidernas struktur. Om bilagrenas struktur ändras så påverkas även membranets permeabilitet. Detta leder till en koppling mellan flöde och fasbeteende. Syftet med detta arbete har varit att undersöka samspelet mellan fasbeteende, domänbildning och permeabilitet. En stor del av arbetet är inspirerat av hudens barriäregenskaper. I experimentella och teoretiska studier har vi undersökt fasbeteendet av fosfolipider och kolesterol vid låga vattenhalter. Domänbildning har studerats i monolager (’halva bilager’) av fettsyror, ceramider och kolesterol. Resultaten från dessa studier har använts för att förutspå permeabiliteten av lipidmembran. Vi har utvecklat en modell för att beräkna flöde av vatten och andra substanser genom ett membran bestående av många staplade bilager. Det som utmärker denna modell är att vattenflödet är kopplat till ändringar i fasbeteendet. Om vattenhalten på de båda sidorna av membranet är olika så kommer vattenhalten också att variera i membranet. Denna variation kan leda till fasseparation eller fasövergångar. Detta betyder att man kan reglera membranets permeabilitet genom att variera vattenhalten i membranets omgivning. De beräknade flödena visar kvalitativ överensstämmelse med experimentella resultat för flöde över huden.