Experimental and stimulation analyses of fluorescent solvent relaxation process in biomembranes : Inflence of ions and molecular interpretation of the dye dynamics

par Justyna Barucha-Kraszewska

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Christophe Ramseyer et de Martin Hof.

Soutenue le 31-10-2012

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Homme, environnement, santé (Besançon ; 2000-2012) , en partenariat avec Nanomédecine, imagerie, thérapeutique (Besançon) (laboratoire) et de Nanomédecine, imagerie, thérapeutique (Besançon) (laboratoire) .

Le président du jury était Mironel Enescu.

Le jury était composé de Christophe Ramseyer, Martin Hof, Mironel Enescu, Yves Mély, Semen Yesylevskyy, Mounir Tarek.

Les rapporteurs étaient Yves Mély, Semen Yesylevskyy.

  • Titre traduit

    Analyse expérimentale et numérique des processus de relaxation de solvant dans une membrane biologique : Rôle des ions et interprétation moléculaire de la dynamique des marqueurs fluorescents


  • Résumé

    De nombreux processus biologiques liés aux membranes cellulaires lipidiques sont encore très mal connus. La présence d'eau et d'ions à l'interface influence les propriétés structurelles et dynamiques de la bicouche lipidique. Les techniques de fluorescence sont très utiles pour étudier les membranes en raison de la grande sensibilité des sondes à leur environnement. Nous avons utilisé la technique de relaxation de solvant (SR) pour explorer l'hydratation et la mobilité de l'eau. Nous avons également réalisé des calculs quantiques (QM) et des dynamiques moléculaires (DM) pour étayer nos expériences. Les résultats SR montrent qu'un petit cation (Na+) est très attiré par la membrane et augmente sa rigidité à l'opposé des cations (NH4+, Cs+) plus gros. Les anions (CI04-, SCN-) s'adsorbent à l'interface plus facilement que Cl-. Ces anions changent la mobilité et l'hydratation des têtes polaires des lipides de la bicouche. Les études SR de la zone hydrophobe de la membrane montrent que les processus de relaxation sont ici très complexes. lis reflètent des processus rapides intramoléculaire (relaxation de torsion, transferts de charge) et des processus intermoléculaires lents. Les calculs QM ont permis de créer les champs de force de trois sondes fluorescentes (Prodan, Laurdan et C-laurdan). Les simulations DM ont permis de déterminer les positions des sondes dans une membrane DOPC. La modélisation reproduit correctement les résultats SR, en particulier les temps de relaxation : de l'ordre de la ps en solvant aqueux et de la ns dans la membrane. Les simulations MD sont complémentaires des méthodes SR et permettent de surveiller le comportement de molécules uniques.


  • Résumé

    Many biologically important processes and phcnomena in lipid membranes are still not fully understood. The presence of ions and water molœules has a significant influence on the structural and dynamical properties of lipid bilayers. Fluorescent techniques are versatile tools for studying the lipid membranes, because the fluorescence emission is strongly sensitive to dye environment. We have conducted fluorescent solvent relaxation (SR) experiments to explore the hydration and mobility properties in lipid membranes in the presence of different chaotropic ions. We have also carried out Quantum Mechanical (QM) calculations and Molecular Dynamics (MD) simulations for supporting the SR experiments. SR experiments show that small cation (Na+) is attracted to the membrane and increases rigidity ofbilayer, while larger cations (NH/, Cs+) should not. Large anions (CI04·, SCN') adsorl, at the membrane interface more easily than smaller ones (Cl') and significantly change tl!e mobility and hydration of the headgroup region oflipid bilayer. SR study ofhydrophobic part of the membrane show that SR processes are complex there and reflect botl!: faster, intramolecular (torsional relaxation or fonnation of charge transfer state) and slower, intermolecular (SR) relaxation processes. QM calculatiom were used to create force-field for three fluorescent dyes (Prodan, Laurdan and C-laurdan). MD simulations allow detennining position of the dye in the lipid membrane in the ground state and after excitation and reproduce correctly SR timescale- ps in water and ns in the membrane. MD simulations extend the capabilities of SR method and allow observing the behaviour of individual molecules.


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Informations

  • Détails : 1 vol (134 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 127-134 (158 réf.)

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : QH.509.BAR.2012
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