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xGrenzfläche

Im Dokument Zellkern Nukleolus Nukleolus (Seite 48-55)

kus Fok k

(a)

z

x Spalt

(b)

z

x anal Ka a

(c)

z

x e Fallee

(d)

Abbildung3.7: Grenzachen, die dieDiusionbeeinussen: (a)Einfache Grenzache,(b)

Spalt, (c)Kanal, (d) Falle.

3.3.3 Einuss von Grenzachen

Einfache Grenzachen

Ein weiterer Grund fur die Behinderung der Beweglichkeit ist die Anwesenheit von

un-durchlassigen Grenzachen, z.B. MembranenvonZellkompartimenten.AktiverTransport

oderDiusiondurchMembranenisti.a.viellangsameralsfreieDiusion,unddieMembran

ist auf derfurFCSrelevanten Zeitskala nahezuundurchlassig. Nimmt man vereinfachend

an, dass die Membran parallel zur optischen (z-) Achse und senkrecht zur x-Achse des

verwendeten optischenSystemsbeix=0 liegt(Abb.3.7), sobeschreibtfurfreieDiusion

ohneBleachingoderchemischeBindungdieDiusionsgleichung(3.24)mitder

Randbedin-gung

@c(r;t)

@x

=0 bei x=0 (3.72)

das Verhalten. Einem Versatz des Fokusmittelpunktes zur Membran wird mit p

k 6= 0

Rechnunggetragen, sieheGl.(3.27).Folgt mandemLosungsansatzaus[39,6 ,46 ],sosind

Dierenzialgleichung undKonzentrationeiner Fouriertransformationzu unterziehen:

@~c (k;t)

@t

= D

0 k

2

~ c(k;t)

~

c(k;t) = 1

(2) 3=2

Z

1

1 dx

Z

1

1 dy

Z

1

1

dzcos (k

x x)e

i(kyy+kzz)

c(r;t): (3.73)

DabeiistobigeRandbedingungdurchdieBeschrankungaufcos-Termeinx-Richtungschon

erfullt. Die



Ubergangswahrscheinlichkeit P

D (r

2

;jr

1

;0) { Gl. (3.25) { ergibt sich dann

durchdie Rucktransformation, nachdem mandie jetzt lineareDierenzialgleichung erster

Ordnung mitderBedingung c(r;0)=Æ(r) gelost hat:

P

Jetzt kann der Beitrag zur Autokorrelationsfunktion furdie von der Membran

beein-ussteDiusionsrichtung, x,berechnet werden:

g

Dabei ist b

x

= 0, wenn sich nur auf einer Seite der Membran, bei x 0, uoreszierende

Molekule benden, und b

x

! 1, wenn sie



uberall sind. Ausfuhren der Integrationen

ergibt

) dienormierte Errorfunktion[19 ]. Um die

dreidimen-sionale Korrelationsfunktionzu erhalten, multipliziert man Gl. (3.76) mit den Beitragen

deranderenRaumrichtungen.

Abb. 3.8 zeigt den Verlauf der Korrelationsfunktion fur verschiedene Parameter mit

FluorophorenaufbeidenSeitensowiedieAnpassungandasModellderbehinderten

Diu-sion,Gl.(3.65).DerVerlaufderKurvenfurb

x

! 1undfurb

x

=0istnahezuidentisch.

Sehrnaheanundsehrweitentferntvon Grenzachenweicht dieDiusionnichtsehr

deut-lich von unbehindertem Verhalten ab, insbesondere fur p

k

= 0 erhalt man eine

"

freie\

KorrelationsfunktionmitdoppelterAmplitude.InunendlichweiterEntfernung

verschwin-det der Einuss der Membran, unddie Korrelationsfunktion geht in Gl. (3.33) uber. Bei

AbstandenaufderSkaladesFokusradiusistdieAbweichungjedochdeutlich,undauchdie

0.001 0.1 10 1000

Abbildung 3.8:

Korrelationsfunktio-nen fur verschiedene Abstande p

k;x in

x-Richtung von einer beidseitig von

Fluorophoren umgebenen Grenzache

(durchgezogen) und fur p

k;x

= w

k fur

eine einseitig von Fluorophoren

um-gebene Grenzache (gestrichelt;

Para-meter wie in Abb. 3.6): Der Grad

der Behinderung ist fur groe und

kleine Abstande vernachlassigbar, bei

Abstanden auf der Skala des F

okusra-dius jedoch deutlich.

Kanale und Spalte

Neben Grenzachen existieren in Zellen auch ein- oder zweidimensionale Strukturen in

Form von Kanalen oder Spalten, deren Inneresebenso wie die Umgebung diundierende

Molekuleenthalten (Abb. 3.7). Wenn dieGroe dieser Strukturen



ahnlich derdes F

okus-volumensist,d.h.wennderAbstandbegrenzenderFlachengroerodergleichdemhalben

FokusradiusinderentsprechendenRaumrichtungist,kanndieDiusionalsein-bzw.

zwei-dimensionalerProzessangesehen werden.Die Autokorrelationsfunktionen ergeben sich zu

G

wenn der Kanal oder der Spalt senkrecht zur z-Achse verlauft. Ist der Abstand der

be-grenzenden Flachenwesentlichkleinerals dieFokusradien,soistdie Korrelationsfunktion

in Anwesenheit eines Kanals in guter Naherung eine Summe von Gl. (3.77) undder

un-behinderten Korrelationsfunktion Gl. (3.33). Die Diusion in einem schmalen Spalt und

auerhalbderbegrenzendenFlachenmanifestiertsichineinemFCS-Experimentdurcheine

Summevon Gl. (3.77) und(3.76).

AuchKorrelationsfunktionen von ein- undzweidimensionalenDiusionsprozessen,

sie-he Gl. (3.77) undAbb. 3.9, konnen miteinem dreidimensionalenModellder behinderten

Diusion angepasstwerdenundzeigeneine wesentliche Abweichung von freier

dreidimen-sionalerBeweglichkeit.

Fallen { corralling

Wirdein Raumbereich indreiDimensionen begrenzt(Abb. 3.7), entsteht eine Kavitat,in

dereinbestimmterAnteilderuntersuchtenTeilchengefangenbzw.eingepferchtist(Caging

bzw.Corralling).OftbestehteinekleineWahrscheinlichkeitzurFluchtausdieserFalle,die

eine charakteristische Fluchtzeit

esc

deniert.Die KorrelationslangederKavitat deniert

denRadiusR fureine spharischeNaherung.

FurRw

k

beobachtetmanineinemFCS-ExperimentzweiKomponenten,eine

schnel-le dernicht gefangenen Molekulemitder freienDiusionszeit

di

undeinelangsame von

gefangenen MolekulenmitdermittlerenAufenthaltsdauer + .

WennR dieGroenordnung desFokusradius hat, ist dieDiusionsgleichungin

radial-symmetrischerForm mitgeeigneten Randbedingungen aufzustellen:

@c(r;t)

der Mittelpunkt liegt dabei im Ursprung, und h charakterisiert die Durchlassigkeit der

Grenzache.Die zugehorige



UbergangswahrscheinlichkeitlautetmitdenBesselfunktionen

J

dieKoeÆzienten

n

sinddie positivenLosungenvon

hR J

0

(R ) R J

1

(R )=0: (3.80)

Damitergibt sicheine AutokorrelationsfunktionderForm

G

also die Nullstellenvon J

1

(x), und aus einem

multiex-ponenziellen Fit an die gemessene Korrelationsfunktion lasst sich die Korrelationslange

derKavitatbestimmen,wennmanD

0

kennt. AlsSummevonExponenzialfunktionenfallt

Gl.(3.81) schnelleralsdieunbehinderteKorrelationsfunktionGl.(3.33) ab,daherfuhrt

ei-neAnpassungandasModellderanomalenDiusionzueinemAnomalieparameterd

w

<2.

3.3.4 Harmonisches Potenzial

In komplexen Systemen wie einer lebenden Zelle kommt es neben freier und geometrisch

behinderterDiusionvonMolekulenauchzu ihrerBindunganimmobilisierteStrukturen.

Dazu gehort auch der gerichtete Transport mit Hilfevon Motorproteinen, der wesentlich

langsamervorsichgeht alsdieBrown'scheBewegung[160].WenndieseStrukturenjedoch

selber beweglich sindund beispielsweiseals Teil eines Polymernetzwerks eingeschrankter

0.001 0.1 10 1000

0.0

Abbildung 3.9: Ein- und

zweidimen-sionale Korrelationsfunktionen

(Para-meterwiein Abb.3.6):Sielassen sich

andas Modellderbehinderten

Diusi-on anpassen, die Abweichungvon

frei-erDiusionistim

zweidimensionalen-Fall gering, im eindimensionalen Fall

jedoch markant.

Diusionunterliegen,konnenmitdiesenStrukturenassoziierteFluorophoreFluktuationen

ineinem FCS-Experiment hervorrufen.

Imeinfachsten Fall ndet die Brown'sche Bewegung in einemharmonischenPotenzial

derForm

mit einem Minimum bei r

c

statt. Der Parameter

^

K ist der Tensor der Federkonstanten,

derineinem isotropen System eineKonstantek ist.Mitdem Tensor

^

der

Reibungskoef-zienten, dersich ineinemisotropen Systemauf eine Konstante reduzierenlasst,ergibt

sichdie Bewegungs-oderLangevin-Gleichung

m

Die statistischenKrafteF

stoch

(t)bewirken eine zufallige AuslenkungausderRuhelage.

In einemoben beschriebenenbiologischen System kommt esneben Isotropie meist zu



uberkritischerDampfung [122, 121, 59 ], so dass der Tragheitsterm vernachlassigt werden

kann:

DarausresultierteinzusatzlicherTeilchenussj=cv= c=rU,unddaszweiteFick'sche

GesetzGl.(3.24) wirderweitertzurSmoluchowski-oderFokker-Planck-Gleichungder

Dif-fusionineinemPotenzial

@c(r;t)

Die Losung dieser Dierenzialgleichung fur ein Teilchen mitder Randbedingung, dass es

sich zur Zeit = 0 am Ort r

) {, beschreibt den

sogenanntenOrnstein-Uhlenbeck-Prozess 5

undist die



Gl.(3.86) gehtfureinverschwindendesPotenzial (k=!0)inGl.(3.25)uber, unddie

stationare Gleichgewichtsverteilunglautet

W

Der Ornstein-Uhlenbeck-Prozessstellt den einfachsten Fall eines stationaren Markow-Prozesses dar,

DieGroe k=ist diecharakteristische Relaxationskonstante des



uberkritischgedampften

Oszillators.Das VerhaltnisderAufenthaltsdauer imFokusim Fallefreier Diusion

di

zurRelaxationszeitstatistischerAuslenkungen

relax

undumsogroer, je starkerdasPotenzial ist.

In Analogie zu Abschnitt3.2.2 kann dieAutokorrelationsfunktion faktorisiert werden.

Setzt manGl.(3.86) und(3.87) ein,ergeben sich

g

die Verschiebung von

PotenzialminimumundFokusmittelpunkt. Gl.(3.28) wird zu

G

Da ein solcherdiundierenderOszillator immer wiederin denFokus zuruckkehrt und

sich deutlich langsamer bewegt als ein freies Brown'sches Teilchen, ist Photobleaching zu

berucksichtigen. NurwennAustausch zwischenstrukturgebundenen undfreien

uoreszie-rendenMolekulenstattndet,stelltsicheinGleichgewichtein,undderBleichprozesskann

als reversibel analog zur Besetzung der Triplettzustande betrachtet werden. Genahert ist

also Gl.(3.90) miteinem exponenziellen Korrekturfaktorzu versehen:

exp

Gl.(3.90) mit(3.91) beschreibtfurN =1eine punktformigediundierendeStruktur.

Der andere Grenzfall ist ein in q homogen verteiltes Ensemble unabhangiger, gleich

heller Oszillatoren, diejeweils als einzelneSpeziesbetrachtet werdenkonnen. Wie in

Ab-schnitt 3.2.7 beschrieben, wird die Korrelationsfunktion dann als Summe von

Korrelati-onsfunktionenGl. (3.90) einzelnerSpeziesberechnet,gewichtet mitderrelativen

Konzen-tration { indiesem Fall 1=V { unddem Quadrat derHelligkeit.Die Summe geht



d.h. der zeitabhangige undder -unabhangige Summand, die sich aus Gl. (3.90) ergeben,

konnen getrennt faktorisiertundberechnet werden.Gl. (3.92) wirdzu

G

0.001 0.1 10 1000

Abbildung 3.10: Korr

elati-onsfunktionen fur

verschie-dene Verhaltnisse von freier

Diusions- zu Relaxationszeit mit

D

undwirdbestimmtdurchdiemittlereZahlderTeilchenimFokuscV

e

,dieRelaxationszeit

=k und deren Verhaltnis zur

"

freien\ Aufenthaltsdauer im Fokus w 2

0

=4D

0

. Auch fur

eine Verteilung diundierenderOszillatoren kann Photobleaching genahert mitGl. (3.91)

berucksichtigt werden.

InsbesonderegehtGl.(3.93)inGl.(3.33)



uber,wenndasPotenzialverschwindet(k=!

0).Die Korrelationbrichtzusammenbzw.G

kk

()!0,wenndasPotenzial growirdund

die Bewegungen einfrieren (siehe auch Abb. 3.10). Daruberhinaus stimmt Gl. (3.93) mit

(3.90)fureinelateraleVerschiebungvon(q 2

undeineaxialevonq

z

=z

0



uber-ein.EineAnpassungderKorrelationsfunktionennachdem ModellderanomalenDiusion

fuhrt zu einem Anomalieparameter d

w

< 2 und kleineren anscheinenden Diusionszeiten

(Abb. 3.10),da eine gerichtete Bewegungdiestatistische



uberlagert.Die mittlere

quadra-tische Verschiebung verlauft also fur ausreichend kleineZeiten miteiner Potenz derZeit,

diegroer alseinsist.

DerParameterd

w

erlaubtsomiteineUnterscheidungzwischenfreier(d

w

>2) undraumlicheingeschrankter Diusion(d

w

<2).

3.4 UntersuchungvonintramolekularenFluktuationen inder

FCS

3.4.1 Nichtstrahlende Zustande am Beispiel EGFP

Wie in Abschnitt 2.2.2 gesehen, kommt es zu Fluktuationen des Protonierungs- bzw.

Io-nisationszustandes des Chromophors von EGFP (der F64L-S65T-Mutante von

Wildtyp-GFP). Nur inder anionischenKonformationB (bzw. im Intermediarzustand I, Abb. 2.7)

emittiertEGFPFluoreszenzoberhalbvon500nmbeiAnregungmit488nm.Mogliche

Me-chanismen der Protonierung sind der Konformationsubergang in die quasineutrale Form

A oder die Bindung eines H +

-Ions aus dem Losungsmittel. Ein vereinfachtes

Termsche-ma zur Beschreibung der Fluoreszenz sieht dann wie in Abb. 3.11 aus [54, 158 ]: Da die

Protonierungsreaktionennichtphotoinduziertsind,sindsiedeutlichlangsameralsdie

uo-reszierenden



Ubergange[24,30 ].EsstelltsichsehrschnelleinGleichgewichtzwischenBund

B*ein,dieFluoreszenzintensitatistalso proportionalzurBesetzung vonB:F

k

(t)/B(t).

DasweitereVorgehen



ahneltderBerucksichtigungderTriplettbesetzung:Die zeitliche

Entwicklung der Besetzungswahrscheinlichkeiten fur die drei Zustande A, B (eigentlich

- O

Abbildung 3.11: Vereinfachtes Termschema des Protonierungsgleichgewichts des

EGFP-Chromophors (Abb. 2.7). Es ist P=B{H.

B+B*) undP=B{H beschreiben diefolgendengekoppelten Ratengleichungen

d

ZurKorrelationsfunktiontragennurMolekule bei,diezur Zeitt=0ein Photonemittiert

habenundsich inBbenden:

0

Es stelltsich ein Protonierungsgleichgewicht ein.Mit dieser Randbedingungkann der

zeitliche VerlaufderBesetzung von Banalytischangegeben werden:

B(t)=(1

dabeiergibtsich furdieAmplitudenundZeitkonstanten derexponenziellen Zerfalle

Nimmt man weiter an, dass die



Ubergangsraten nicht von der Beleuchtungsintensitat

abhangen{diestritallerdingsnurfurkleineIntensitatenzu[54 ,139 ]{unddasssiekleiner

alsdieDiusionsrate1=

di

sind,kanndenFluoreszenzuktuationenaufgrunddessich

ein-stellendenProtonierungsgleichgewichtsmiteinemKorrekturfaktorauszweiexponenziellen

Zerfallenanalogzur Triplettkorrektur(Abschnitt3.2.4) Rechnung getragen werden:

1

Da diemittlereFluoreszenzintensitat proportionalzurGleichgewichtsbesetzung B(1)

ist,charakterisiert dasSaure-Base-Gleichgewicht der Protonierung[21]nach

hF

wasauch ausGl.(3.96) und(3.97) abgeleitetwerdenkann.

DieFluktuationen unddiemittlereIntensitatderFluoreszenzmachenEGFPzueinem

moglichennichtinvasivenIndikatordeslokalenpH-WertesineinerlebendenZelle.

Im Dokument Zellkern Nukleolus Nukleolus (Seite 48-55)