title: Physikalische und chemische Strukturänderungen in Purpurmembranvarianten
title: Physical and chemical structure changes in purple membrane variants
Creators: name: Chizhik, Ivan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Chemie
Purpurmembran
Purple Membrane

description: Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein
      Vorgang der Selbstorganisation von PM bei Trocknung im Film
      beobachtet. Es wurde festgestellt, dass ab einer Periodizität
      von ca. 59 Å eine stabile lamellare Struktur mit senkrechten
      zur Oberfläche orientierten PM entsteht, das entspricht vier
      Schichten Wassermolekülen zwischen den Membranen. Zudem tritt
      eine Streuisotropie bei Drehung der Probe im SAXS-Experiment
      um eine Achse auf, die senkrecht zur Filmoberfläche steht.
      Daraus lässt sich schließen, dass die PM im Film eine
      Nahordnung und keine Fernordnung besitzen. Man kann vermuten,
      dass vier Wasserschichten 2+2 Schichten sind. Dabei handelt
      es sich um die erste und die zweite Hydrathülle von PM. In
      den vorgestellten in-situ-Experimenten zeigt sich eine
      schwache Wechselwirkung von PM mit der zweiten Hydrathülle.
      Das ist in den Trocknungs- und Gefriertrocknungsexperimenten
      zu erkennen. Es wurde gezeigt, dass in einer wässrigen
      Suspension PM eine chaotische Verteilung außerhalb der
      unmittelbaren Wasser-Luft-Grenzfläche aufweisen. In dieser
      Grenzschicht sind die Membranen wegen ihrer hydrophilen und
      hydrophoben Eigenschaften senkrecht zur Wasseroberfläche
      orientiert. Die PM stehen mit ihren hydrophoben Kanten
      senkrecht zur Wasser- Luft-Grenzfläche. Bei Trocknung
      konzentriert sich die Suspension, die oberste Schicht nähert
      sich den unteren Schichten an und induziert die Orientierung
      der nächsten orientierten Schicht. Ein Sedimentationsprozess
      oder ein Substrat haben keine Wirkung auf die Orientierung
      der PM bei der Filmherstellung aus einer wässrigen
      Suspension, PM steht in den Filmen senkrecht zur
      Filmoberfläche. Eine gleichmäßige Verteilung von PM in
      PM-Glycerin-Filmen wird möglicherweise durch die gegenseitige
      Abstoßung der negativ geladenen Membranen erreicht. Somit
      sind zwei Effekte zu beobachten: die Bildung der bevorzugten
      Orientierung der Membranen bezüglich der Filmoberfläche sowie
      die Bildung einer stabilen Lamellenstruktur, also die
      gleichmäßige Verteilung von PM in Filmen mit Glycerin. Die
      Stabilität der lamellaren Struktur mit einer Periodizität bis
      zu ca. 200 nm ist wahrscheinlich eine Folge der hohen
      Viskosität von Glycerin und daher der geringeren
      Beweglichkeit von PM im Film. Nach derzeitigem Kenntnisstand
      ist erstaunlich, dass sich PM in Filmen mit Glycerin nicht
      nur zu fast monomodaler Periodizität verteilen, sondern dass
      sie auch eine bevorzugte Orientierung haben. Wie im Fall
      reiner PM-Filme gezeigt wurde haben ein Substrat oder eine
      Sedimentation keine Wirkung auf die Selbstorganisation von PM
      in Filmen mit Glycerin. Es wurde gezeigt, dass bei Trocknung
      wässriger Suspensionen von PM in Gegenwart von Gelatine bei
      einer Temperatur der Ausgangssuspension von 35°C und bei
      einem Verhältnis PM/Gelatine von 1/1 die Membranen im
      getrockneten Film eine periodische, lamellare Struktur bilden
      und eine bevorzugte Orientierung aufweisen. Eine Erhöhung der
      Temperatur der Ausgangssuspension führt dazu, dass die
      getrockneten Filme keine periodische, lamellare Struktur mehr
      ausbilden, allerdings weist die PM in diesen Filmen eine
      Vorzugsorientierung in eine Raumrichtung auf.
description: In this work, a process of
      self-organization of PM during drying to films was observed.
      It has been found that from a periodicity of about 59 Å a
      stable lamellar structure with perpendicular to the film
      surface oriented PM occurs, corresponding to four layers of
      water molecules between the membranes. In addition, a
      scattering isotropy occurs during rotation of the sample in
      the experiment SAXS about an axis perpendicular to the film
      surface. In can be suggested that PM in the film have a
      short-range and no long-range order. It can be assumed that
      these four water layers are 2+2 layers, the first and the
      second hydration shell of PM. The presented in situ
      experiments show a weak interaction of PM with the second
      hydration shell. This can be observed in the drying and
      freeze-drying experiments. It has been shown that in an
      aqueous suspension PM outside the immediate water-air
      interface have chaotic distributions. Inside the interface,
      the membranes are oriented perpendicular to the water surface
      because of its hydrophilic and hydrophobic properties. The PM
      is oriented perpendicular to the air-water interface with
      their hydrophobic edges. Upon drying the suspension
      concentrates, the top layer approaches the lower layers and
      induces the orientation of the next layer. Sedimentation and
      substrates have no effects on the orientation of the PM
      during formation of the film from aqueous suspensions, and PM
      in the films are oriented perpendicular to the film surface
      in all PM films prepared here. The regular distribution of PM
      in PM-glycerol films may be the result of a mutual repulsion
      of the negatively charged membranes. Thus, two effects can be
      observed: The formation of the preferred orientation of the
      membranes with respect to the film surface as well as the
      formation of a stable lamellar structure, which is the
      regular distribution of PM in films with glycerol. The
      stability of the lamellar structure with a periodicity of up
      to about 200 nm is probably due to the high viscosity of
      glycerol and therefore the lower mobility of PM in the film.
      According to the current knowledge, it is astonishing that PM
      spread in films with glycerol not only to almost single-mode
      periodicity, but also show a preferred orientation. Similar
      to the case of pure PM-films, a substrate or sedimentation
      have no effect on the selfassembly of PM in films with
      glycerol. It was shown that drying of aqueous suspensions of
      PM in the presence of gelatine at a temperature of the
      starting suspension of 35°C and at a ratio PM to gelatine of
      1/1, the membranes in the dried film form a periodic,
      lamellar structure and have a preferred orientation. An
      increase in temperature of the starting suspension result in
      films without a periodic, lamellar structure, but the PM in
      these films has a preferred orientation in one spatial
      direction. In the presence of PVA, the periodicity of the PM
      of a lamellar structure amounts 47 Å, this is as large as in
      a film of pure PM, that is, PVA is located outside the PM
      stacks in the film, while the membranes show a preferred
      orientation in the film. In this work, the different
      distributions of PM in films with direct contact between the
      membranes (PM-PVA films) or without contact (PM and
      PM-glycerol-gelatin films) were shown. This is important for
      the further understanding of the properties of PM-films. PM
      formed various lamellar structures during drying with
      glycerol, gelatin, or PVA, but all films show the same
      preferred orientation of PM. The self-assembly of PM upon
      drying was observed in the presence of these substances,
      without examining the interaction between PM and these
      substances, which are often used as matrices for PM-films for
      various applications. The interaction of PM with a water
      surface and the interaction between the PM are resulting in
      the orientation of PM during the drying process, leading to
      self-assembly of PM. This in turn results in a number of film
      variants to a monomodal periodicity of PM. These interactions
      leading to self-assembly are so strong, that they are not
      affected by the presence of different matrices such as
      glycerol, gelatin, or PVA in the suspension. In this work, it
      was demonstrated how a single-point mutation in the core of
      BR results in PMs undergoing structural changes from a non
      crystalline state to a 2D-crystalline state, depending on the
      physicochemical conditions. In BR variant D85T, the primary
      proton acceptor aspartic acid 85 is replaced by threonine,
      the equivalent residue in halorhodopsin, which converts BR
      into a chloride pump. By means of small-angle X-ray
      scattering (SAXS), it was demonstrated that PM-D85T, non
      crystalline under most conditions, is converted to a highly
      ordered hexagonal 2-D crystalline state as soon as the
      physicochemical conditions favor chloride binding of BR-D85T,
      i.e., pH values below pH 6 and high salinity. A model is
      presented which explains the crystallization tendency of
      PM-D85T in terms of conformational changes on the level of
      single BR-D85T molecules. Upon two-photon absorption of BR
      photoproducts outside the classical photocycle occur, changes
      in the hexagonal lattice of PM take place, but the PM as a
      whole is preserved. So these photophysical and photochemical
      induced changes can be used, e.g., for data storage. The
      present work is not only of theoretical, but also of
      practical importance. The studies presented here allow the
      evaluation of the orientation of PM in films and the control
      of the crystal structure of the membranes at various stages
      of film production.