Je leest:

Membraanmoleculen hebben hekel aan water

Membraanmoleculen hebben hekel aan water

Een biologische cel zonder wand is geen cel. Dergelijke wanden of membranen bestaan uit een vernuftige constructie van zogeheten fosfolipiden. Dat zijn langgerekte moleculen die een wateraantrekkende kop en een of meer lange waterafstotende staarten bezitten. Natuurkundigen van de Stichting FOM, de Universiteit Leiden en de Universiteit van Amsterdam kunnen met een combinatie van twee fysische technieken het gedrag van die moleculen in detail volgen.

Ze hebben als eersten precies kunnen waarnemen wanneer zo’n membraan uiteenvalt. Voor onderzoekers die het gedrag van membranen bestuderen of voor biotechnologen die membranen maken is dit nuttige informatie. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in de Physical Review Letters van 28 maart 2003.

Biologische organismen bestaan vrijwel geheel uit water en waterige oplossingen. In zo’n omgeving kan een dubbele laag fosfolipiden een wand opbouwen. De wateraantrekkende koppen zitten dan aan de buitenkant van de wand, de staarten wijzen naar binnen. Als de concentratie aan fosfolipiden heel hoog is, en de moleculen dus op elkaar zitten, ordenen de moleculen zich mooi parallel aan elkaar en loodrecht op de wand. Neemt de concentratie af, dan gaan de moleculen aanvankelijk scheef staan, maar blijft de ordening min of meer bestaan. Bij nog verder afnemende concentratie beginnen de staarten verschillende kanten uit te wijzen en komt er ruimte tussen de moleculen; er ontstaan eilandjes van hoge concentratie. Die eilandjes worden steeds kleiner en verdwijnen uiteindelijk. Wat er gebeurt is dat de waterafstotende staarten steeds meer met water in contact komen.

Figuur 1: Het experiment aan het gedrag van fosfolipiden in beeld. Linksboven is een model van een fosfolipide te zien. Onderin staat de oriëntatie en de ordening van een laag fosfolipiden op een wateroppervlak schematisch weergegeven. Naar rechts toe neemt de concentratie aan fosfolipiden af. Uiteindelijk rollen de moleculen zich op. Dat blijkt een scherpe overgang te zijn, die nu voor het eerst experimenteel zichtbaar is gemaakt. De grafieken rechtsboven laten het som-frequentiespectrum zien van niet-opgerolde moleculen (boven) en opgerolde moleculen (onder) zien. Zo lang de moleculen niet opgerold zijn, vertoont zo’n spectrum twee scherpe pieken. Zodra de moleculen zich oprollen, verdwijnen deze, en blijft slechts wat water signaal over. Illustratie Sylvie Roke.

Met gebruikelijke technieken om biomoleculen te bekijken (zoals fluorescentiemicroscopie en diverse chemische methoden) kan wel het oplossen van het membraan in eilandjes worden gevolgd. Dat is dan ook al langer bekend. Onbekend was, dat beneden een bepaalde concentratie alle fosfolipiden collectief oprollen, om maar zo min mogelijk in contact te zijn met het water. Sylvie Roke en Mischa Bonn, werkend aan de Universiteit Leiden, en Juleon Schins en Michiel Müller van de Universiteit van Amsterdam, hebben de overgang nu voor het eerst experimenteel gezien, en bepaald waar de overgang precies plaatsvindt. Ze bestudeerden daarvoor een modelsysteem van één laag fosfolipiden op een ondergrond van water en keken van bovenaf op de lipiden. Dat deden ze tegelijkertijd met fluorescentiemicroscopie en een techniek die vibrationele som-frequentiespectroscopie heet. De fluorescentie ziet de moleculen als groepjes en maakt bijvoorbeeld de ordening van de moleculen goed zichtbaar. De vibrationele som-frequentiespectroscopie registreert het totaal aan trillingen in de chemische bindingen binnenin de moleculen en geeft dus vooral informatie over de vorm van de staarten van de fosfolipiden. De combinatie van deze twee technieken laat goed zien bij welke concentratie aan fosfolipiden aan het wateroppervlak de eilandjes verdwijnen en de moleculen zich oprollen. Dat blijkt een heel scherpe overgang te zijn. Ook in omgekeerde richting, van opgerold naar gestrekt, is de overgang scherp. Bovendien blijkt het proces zeer goed omkeerbaar. Verlaging van de concentratie fosfolipiden leidt op een gegeven moment tot oprolling. Wanneer de concentratie vervolgens weer wordt verhoogd, rollen de moleculen keurig weer uit.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 maart 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.