Biophysical Characterization of Oxidized Phospholipids : Implications for Altered Membrane Structure and Function

The present study aims to elucidate the modifications in the structure and functionality of the phospholipid matrix of biological membranes brought about by free radical-mediated oxidative damage of its molecular constituents. To this end, the surface properties of two oxidatively modified phospholipids bearing an aldehyde or carboxyl function at the end of truncated sn-2 acyl chain were studied using a Langmuir balance. The results obtained reveal both oxidized species to have a significant impact on the structural dynamics of phospholipid monolayers, as illustrated by the progressive changes in force-area isotherms with increasing mole fraction of the oxidized lipid component. Moreover, surface potential measurements revealed considerable modifications in the electric properties of oxidized phospholipid containing monolayers during film compression, suggesting a packing state-controlled reorientation of the intramolecular electric dipoles of the lipid headgroups and acyl chains. Based on the above findings, a model describing the conformational state of oxidized phospholipid molecules in biological membranes is proposed, involving the protrusion of the acyl chains bearing the polar functional groups out from the hydrocarbon phase to the surrounding aqueous medium. Oxidative modifications alter profoundly the physicochemical properties of unsaturated phospholipids and are therefore readily anticipated to have important implications for their interactions with membrane-associating molecules. Along these lines, the carboxyl group bearing lipid was observed to bind avidly the peripheral membrane protein cytochrome c. The binding was reversed following increase in ionic strength or addition of polyanionic ATP, thus suggesting it to be driven by electrostatic interactions between cationic residues of the protein and the deprotonated lipid carboxyl exposed to the aqueous phase. The presence of aldehyde function bearing oxidized phospholipid was observed to enhance the intercalation of four antimicrobial peptides into phospholipid monolayers and liposomal bilayers. Partitioning of the peptides to monolayers was markedly attenuated by the aldehyde scavenger methoxyamine, revealing it to be mediated by the carbonyl moiety possibly through efficient hydrogen bonding or, alternatively, formation of covalent adduct in form of a Schiff base between the lipid aldehydes and primary amine groups of the peptide molecules. Lastly, both oxidized phospholipid species were observed to bind with high affinity three small membrane-partitioning therapeutic agents, viz. chlorpromazine, haloperidol, and doxorubicin. In conclusion, the results of studies conducted using biomimetic model systems support the notion that oxidative damage influences the molecular architecture as well as the bulk physicochemical properties of phospholipid membranes. Further, common polar functional groups carried by phospholipids subjected to oxidation were observed to act as molecular binding sites at the lipid-water interface. It is thus plausible that oxidized phospholipid species may elicit cellular level effects by modulating integration of various membrane-embedded and surface-associated proteins and peptides, whose conformational state, oligomerization, and functionality is known to be controlled by highly specific lipid-protein interactions and proper physical state of the membrane environment.

Tandemmassaspektrometrinen menetelmä neutraalien isomeeristen oligosakkaridien rakenteen määrittämisessä

Tutkimuksen tavoitteena oli ottaa käyttöön tandemmassaspektrometrinen (MS/MS) menetelmä, jolla voidaan analysoida polysakkarideista purkautuneiden oligosakkaridien rakenteita. Tavoitteena oli, että menetelmällä voidaan määrittää glykosidisten sidosten eri asemat monosakkaridirakenteiltaan samanlaisista neutraaleista lineaarisista oligosakkarideista. Kirjallisuustutkimuksessa tarkasteltiin oligosakkaridien rakenteiden määrittämiseen käytettyjä MS/MS-menetelmiä ja oligosakkaridien pilkkoutumisreaktioita MS/MS-analyysissa. Kirjallisuuden perusteella MS/MS-analyysissa oligosakkaridien pilkkoutuminen voi tapahtua joko glykosidisen sidoksen katkeamisella tai monosakkaridirenkaan halkeamisella. Monosakkaridirenkaan pilkkoutumisesta muodostuvia tuoteioneja voidaan käyttää glykosidisen sidoksen aseman määrittämiseen. Kokeellisessa tutkimuksessa selvitettiin aluksi monosakkaridirakenteiltaan isomeerisilla disakkaridimalliaineilla glykosidisen sidoksen sijainnin vaikutus disakkaridin pilkkoutumiseen MS/MS-analyysissa. Tämän jälkeen pyrittiin löytämään tunnetuista tri- ja tetrasakkaridimalliaineista näitä eri sidoksille tyypillisiä tuoteionien jakaumia. Tunnettujen tri- ja tetrasakkaridien pilkkoutuminen yhdenmukaisesti disakkaridien pilkkoutumisen kanssa antaisi mahdollisuuden pitkäketjuisempien oligosakkaridien glykosidisten sidosten tunnistamiseen sovelletulla MS/MS-menetelmällä. MS/MS-analyysit tehtiin ioniloukkumassadetektorilaitteistolla käyttäen sähkösumutusionisaatiota (ESI). Oligosakkaridit määritettiin positiivisella ionisaatiolla litium- ja natriumaddukti-ioneina ja negatiivisella ionisaatiolla kloridiaddukti-ioneina. Vertaamalla tri- ja tetrasakkarideista MS/MS-analyyseissa muodostuneita tuoteioneja disakkarideista muodostuneisiin tuoteioneihin, voitiin sekä positiivisella että negatiivisella ionisaatiolla määrittää oligosakkaridin pelkistävän pään sidoksen asema. Negatiivisella ionisaatiolla tri- ja tetrasakkarideista muodostuneista tuoteioneista voitiin määrittää myös muiden kuin pelkistävän pään sidosten asemia. Positiivisella ionisaatiolla muiden sidosten määrittäminen ei ollut mahdollista, koska rengasfragmentti-ioneja muodostui pääosin oligosakkaridin pelkistävästä päästä. Glykosidisen sidoksen katkeamisesta muodostuneet tuoteionit analysoitiin edelleen MS3-analyysilla. MS3-analyysissa muodostuneista tuoteioneista ei voitu tulkita sidosten asemia, koska lähtöionit koostuivat sekä terminaalisen että pelkistävän pään isomeerisista ioneista.