Simulation of processes in cellular membranes

Abstract

Probing orientations of fluorescent molecules embedded in or attached to cell membranes has a great potential to reveal information on membrane structure and processes occurring in living cells. In this thesis, we first describe one- and two-photon linear dichroism measurements on a fluorescent probe embedded in a phospholipid membrane with a well- defined lipid composition. On the basis of experimental data, we determine the distribution of the angle between the one-photon transition dipole moment of the probe and the membrane normal. At the same time, we perform molecular dynamics simulations of the fluorescent probe and quantum calculations of its one-photon and two-photon absorption properties. By comparing the orientational distribution gained from experiments with that predicted by simulations, we test the ability of linear dichroism measurements to report on the orientation of a fluorescent molecule in a lipid membrane. We also examine the applicability of molecular simulations as a basis for the interpretation of experimental data.

Zkoumáním orientace fluorescenčních molekul ukotvených v buněčných membránách lze získat významné informace o struktuře membrán a procesech probíhajících v živých buňkách. V této diplomové práci nejprve popisujeme měření jedno- a dvoufotonového lineárního dichroismu fluorescenční sondy ve fosfolipidové membráně s přesně definovaným složením. Na základě experimentálních dat určujeme distribuci úhlu mezi dipólovým momentem jednofotonového přechodu a normálou membrány. Zároveň provádíme molekulární dynamiku fluorescenční sondy a kvantové výpočty jejích jedno- a dvoufotonových absorpčních vlastností. Srovnáním distribuce úhlů získané z experimentů s rozdělením předpovězeným simulacemi ověřujeme možnost určování orientace fluorescenční molekuly v lipidové membráně pomocí měření lineárního dichroismu. Rovněž prověřujeme možnost použití molekulárních simulací jako základu pro interpretaci experimentálních dat.