Untersuchungen zur Kinetik der Hauptphasenumwandlung wässriger Phospholipidsysteme mit Drucksprung-Relaxation

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden weitere Erkenntnisse über den zeitlichen Ablauf der Vorgänge während der Hauptphasenumwandlung wässriger Phospholipidsuspensionen dargestellt. Phasenübergänge sind u. a. durch Faktoren wie Druck und Temperatur bestimmt. Das Studium der Kinetik dieser Umwandlungen setzt dabei eine sprunghafte Änderung solcher Parameter voraus. Bisher veröffentlichte Untersuchungen mit Drucksprung-Relaxation zeigen, dass die Umwandlung mit einer Mehrprozesskinetik abläuft. Aufgrund der verwendeten Detektionsmethoden (Trübungsmessung, Fluoreszenz) lassen die Ergebnisse jedoch keine Aussagen über die Vorgänge auf einer molekularen Ebene zu. Als neuer Ansatz sind in der vorliegenden Arbeit der Aufbau und die Funktionsweise einer Drucksprungapparatur mit Millisekunden-Auflösung und FTIR-Spektroskopie als Detektionsmethode beschrieben, die das zeitaufgelöste Beobachten von molekularen Prozessen, wie die Änderung der Alkylketten-Konformation oder der Kopfgruppen-Hydratation, ermöglicht. In der Arbeit beschriebene Untersuchungen an fünf verschiedenen Lipiden zeigen erstmals, dass auch die o. g. Änderungen mit einer Mehrprozesskinetik ablaufen und somit in einen Umwandlungsmechanismus von Keimbildung und Keimwachstum eingebettet sind. Weiterhin werden die Ergebnisse Drucksprung-kalorimetrischer Untersuchungen präsentiert, die Umwandlungsprozesse auf einer (im Vergleich zur Drucksprung-FTIR-Spektroskopie) langsameren Sekunden-Zeitskala aufklären. Die Ergebnisse beider Methoden zeichnen ein weitgehend einheitliches Bild der Phasenumwandlung, welches in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert ist.

In this thesis, further findings about the time development of processes occurring during the main phase transition of aqueous phospholipid suspensions are presented. Phase transitions are determined by factors such as pressure and temperature. The study of the kinetics of these transitions requires a fast change (jump) of such parameters. Experiments using pressure jump relaxation technique show the multi-process characteristic of the transition but cannot assign processes on a molecular level due to the detection methods used. As a new approach, in this work the setup and functionality of a pressure jump relaxation instrument with millisecond time resolution using FTIR spectroscopy is described that offers the observation of molecular processes like changes in alkyl chain conformation or head group hydration. Investigations on five lipids using this instrument show for the first time that these processes have a multi-process characteristic in time and are thus embedded in a transition mechanism including domain formation and domain growth. Furthermore, the results of pressure jump calorimetric studies are presented that provide insights into transition processes occurring on a (relative to the pressure jump FTIR spectroscopy) slower seconds time scale. Both methods draw a uniform picture of the phase transition, which is discussed intensively in this thesis.