Rotational diffusion membrane and fluorescence anisotropy.

Structural properties of model membranes, such as lipid vesicles, may be investigated through the addition of fluorescent probes. After incorporation, the fluorescent molecules are excited with linearly polarized light and the fluorescence emission is depolarized due to translational as well as rotational diffusion during the lifetime of the excited state. The monitoring of emitted light is undertaken through the technique of time-resolved fluorescence: the intensity of the emitted light informs on fluorescence decay times, and the decay of the components of the emitted light yield rotational correlation times which inform on the fluidity of the medium. The fluorescent molecule DPH, of uniaxial symmetry, is rather hydrophobic and has collinear transition and emission moments. It has been used frequently as a probe for the monitoring of the fluidity of the lipid bilayer along the phase transition of the chains. The interpretation of experimental data requires models for localization of fluorescent molecules as well as for possible restrictions on their movement. In this study, we develop calculations for two models for uniaxial diffusion of fluorescent molecules, such as DPH, suggested in several articles in the literature. A zeroth order test model consists of a free randomly rotating dipole in a homogeneous solution, and serves as the basis for the study of the diffusion of models in anisotropic media. In the second model, we consider random rotations of emitting dipoles distributed within cones with their axes perpendicular to the vesicle spherical geometry. In the third model, the dipole rotates in the plane of the of bilayer spherical geometry, within a movement that might occur between the monolayers forming the bilayer. For each of the models analysed, two methods are used by us in order to analyse the rotational diffusion: (I) solution of the corresponding rotational diffusion equation for a single molecule, taking into account the boundary conditions imposed by the models, for the probability of the fluorescent molecule to be found with a given configuration at time t. Considering the distribution of molecules in the geometry proposed, we obtain the analytical expression for the fluorescence anisotropy, except for the cone geometry, for which the solution is obtained numerically; (II) numerical simulations of a restricted rotational random walk in the two geometries corresponding to the two models. The latter method may be very useful in the cases of low-symmetry geometries or of composed geometries.

Festkörperunterstützte Lipid-Modellmembranen auf Gold zur Rekonstitution von Membranproteinen

Festkörperunterstützte Lipid-Modellmembranen auf Goldzur Rekonstitution von Membranproteinen Ziel der Arbeit war der Aufbau von Lipid-Modellmembranen auf Goldelektroden in welchen die funktionelle Aktivität von rekonstituierten Membranproteinen über elektrochemische Methoden nachgewiesen werden kann.Im Rahmen der Arbeit wurden Lipidbilayer mit und ohne hydrophile Ethylenglykol-Spacer durch Kombination von Selbstorganisation, Langmuir-Blodgett-Kuhn-Techniken und Vesikelfusion aufgebaut. Dabei dienten Thiolipide zur Verankerung der Membranen auf der Goldelektrode und es wurden diverse Wege verfolgt, deren Ankerdichte auf dem Substrat einzustellen.Eine Studie zum Aufbau von festkörperunterstützten Lipidbilayern durch Fusion von Vesikeln auf binäre Alkanthiol-/Hydroxythiol-Monolagen mit definierter Oberflächenenergie zeigte, daß eine minimale Grenzflächenenergie (Monolayer/Wasser) existiert, unterhalb welcher die Fusion nicht mehr zu einer zusätzlichen Monolage, sondern lediglich zur Ausbildung von adsorbierten oder teilgespreiteten Vesikeln führt.Zur Charakterisierung der Membranen wurden Oberflächenplasmonenresonanz, Impedanzspektroskopie, zyklische Voltammetrie, elektrochemische reduktive Desorption, Rasterkraftmikroskopie und Kontaktwinkelmessungen herangezogen.In die Modellmembranen wurden Membranproteine (Porin, Annexin V, H+-ATPase) sowie ganze Membranfragmente (Bande 3 aus roten Blutzellen) rekonstituiert und mittels elektrochemischer Methoden auf ihre funktionelle Aktivität überprüft.

Systematic studies of the interaction between amyloid beta-protein and lipids

The amyloid peptide (Aß), a normal constituent of neuronal and non-neuronal cells, has been shown to be a major component of the extracellular plaque of Alzheimer’s disease (AD). The interaction of Aß peptides with the lipid matrix of neuronal cell membranes plays an important role in the pathogenesis of AD. In this study, we have developed peptide-tethered artificial lipid membranes by the Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer methods. Anti-Aß40-mAb labeled with a fluorophore was used to probe the Aß40 binding to the model membrane system. Systematic studies on the antibody or Aß-membrane interactions were carried out in our model systems by Surface Plasmon Field-Enhanced Fluorescence Spectroscopy (SPFS). Aß adsorption is critically determined by the lipid composition of the membranes. Aß specifically binds with membranes of sphingomyelin, and this preferential adsorption was markedly amplified by the addition of sterols (cholesterol or 25-OH-Chol). Fluorescence microscopy indicated that 25-OH-Chol could also form micro-domains with sphingomyelin as cholesterol does at the conditions used for the built-up of the model membranes. Our findings suggest that micro-domains composed of sphingomyelin and the sterols could be the binding sites of Aß and the role of sphingomyelin in AD should receive much more attention. The artificial membranes provide a novel platform for the study on AD, and SPFS is a potential tool for detecting Aß-membrane interaction. Numerous investigations indicate that the ability of Aß to form fibrils is considerably dependent upon the levels of ß-sheet structure adopted by Aß. Membrane-mediated conformational transition of Aß has been demonstrated. In this study, we focus on the interaction of Aß and the membranes composed of POPC/SM/25-OH-Chol (2:1:1). The artificial membrane system was established by the methods as described above. Immunoassy based on a pair of monoclonal antibodies (mAbs) against different epitopes was employed to detect the orientation of the Aß at the model membranes. Kinetics of antibody-Aß binding was determined by surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS). The attempt has also been made to probe the change in the conformation of Aß using SPFS combined with immunoassay. Melatonin was employed to induce the conformational change of Aß. The orientation and the conformational change of Aß are evaluated by analysing kinetic/affinity parameters. This work provides novel insight into the investigation on the structure of Aß at the membrane surface.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

Untersuchung multimerer Proteinkomplexe mit oberflächenanalytischen und röntgenspektroskopischen Methoden

Zusammenfassung rnrnIn dieser Arbeit wurden Untersuchungen an zwei verschiedenen multimeren Proteinkomplexen durchgeführt: Zum einen am Hämocyanin aus Homarus americanus mittels Röntgen-L-Kantenspektroskopie und zum anderen am α-Toxin aus Staphylococcus aureus, hinsichtlich der Interaktion an speziellen Raft-artigen Membranabschnitten, mittels AFM.rnFür das Hämocyanin aus Homarus americanus konnte ein neuer Aspekt bezüglich der Bindung von Sauerstoff aufgezeigt werden. Ein zuvor nicht in Betracht gezogener und diskutierter Einfluss von Wassermolekülen auf diesen Vorgang konnte mittels der Methode der Röntgen-L-Kantenspektroskopie dargestellt werden. Erstmals war es möglich die beiden verschiedenen Beladungszustände (Oxy-, Deoxy-Zustand) des Hämocyanin mittels dieser Methode in physiologisch ähnlicher Umgebung zu untersuchen. Vergleiche der erhaltenen L-Kanten-Spektren mit denen anorganischer Vergleichslösungen ließen auf eine Interaktion von Wassermolekülen mit den beiden Kupferatomen des aktiven Zentrums schließen. Dadurch wurde erstmals ein möglicher Einfluss des Wassers auf den Oxygenierungsprozess des Hämocyanins auf elektronischer Ebene aufgezeigt. Vergleichende Betrachtungen von Röntgenkristallstrukturen verschiedener Typ-3-Kupferproteine bestätigten, dass auch hier ein Einfluss von Wassermolekülen auf die aktiven Zentren möglich ist. Vorgeschlagen wird dabei, dass an Stelle der Überlappung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den 2p-Orbitalen des Sauerstoffs, wie sie im sauerstoffbeladenen Zustand auftritt, im sauerstoffunbeladenen Zustand eine Wechselwirkung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den LUMOS der Wassermoleküle möglich wird, und ein Elektronen- bzw. Ladungstransfer von den Kupfern auf die Wassermoleküle erfolgen kann. rnAFM-Untersuchungen hinsichtlich der Interaktion des α-Toxins aus Staphylococcus aureus mit oberflächenunterstützten Modellmembranen wiesen darauf hin, dass eine bevorzugte Anbindung und zumindest teilweise Integration der α-Toxine in Raft-artige Membranbereiche stattfindet. Für verschiedene ternäre Lipidsysteme konnten phasenseparierte Modellmembranen abgebildet und die unterschiedlichen Domänenformen zugeordnet werden. Der Anbindungsprozess der Toxine an diese oberflächenunterstützte Modellmembranen erfolgte dann wahrscheinlich vornehmlich an den speziellen Raft-artigen Domänen, wohingegen die Insertion der Poren vorrangig an den Grenzbereichen zwischen den Domänen auftrat. Mögliche Ursache dafür sind die räumlichen Besonderheiten dieser Grenzflächen. Membranen weisen an den Schnittstellen zwischen zwei Domänenformen eine erhöhte Unordnung auf, was sich u.a. in einer geringeren Packungsdichte der Phospholipide und dem erhöhten Freiheitsgrad ihrer Kopfgruppen bemerkbar macht. Außerdem kommt es auf Grund der Interaktion der beteiligten Membranbestandteile Sphingomyelin und Cholesterol untereinander zu einer speziellen Ausrichtung der Phosphocholin-Kopfgruppen und innerhalb der Raft-artigen Domänen zu einer erhöhten Packungsdichte der Phospholipide. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse unterstützten demnach die in der Literatur postulierte Vermutung der bevorzugten Interaktion und Integration der Toxin-Moleküle mit Raft-artigen Membrandomänen. Die Insertion der Pore erfolgt aber wahrscheinlich bevorzugt an den Grenzbereichen zwischen den auftretenden Domänen.rn

Solution structure and interaction of cupiennin 1a, a spider venom peptide, with phospholipid bilayers

The solution structure of cupiennin 1a, a 35 residue, basic antibacterial peptide isolated from the venom of the spider Cupiennius salei, has been determined by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. The peptide was found to adopt a helix−hinge−helix structure in a membrane mimicking solvent. The hinge may play a role in allowing the amphipathic N-terminal helix and polar C-terminal helix to orient independently upon membrane binding, in order to achieve maximal antibacterial efficacy. Solid-state 31P and 2H NMR was used to further study the effects of cupiennin 1a on the dynamic properties of lipid membranes, using zwitterionic chain deuterated dimyristoylphosphatidylcholine (d54-DMPC) and anionic dimyristoylphosphatidylglycerol (DMPG) multilamellar vesicles. In d54-DMPC alone, cupiennin 1a caused a decrease in the 31P chemical shift anisotropy, indicating some interaction with the lipid head groups, and a decrease in order over the entire acyl chain. In contrast, for the mixed (d54-DMPC/DMPG) lipid system cupiennin 1a appeared to induce lateral separation of the two lipids as evidenced by the 31P spectra, in which the peptide preferentially interacted with DMPG. Little effect was observed on the deuterated acyl chain order parameters in the d54-DMPC/DMPG model membranes. Furthermore, 31P NMR relaxation measurements confirmed a differential effect on the lipid motions depending upon the membrane composition. Therefore, subtle differences are likely in the mechanism by which cupiennin 1a causes membrane lysis in either prokaryotic or eukaryotic cells, and may explain the specific spectrum of activity.

Effect of indomethacin on bile acid-phospholipid interactions: implication for small intestinal injury induced by nonsteroidal anti-inflammatory drugs.

The injurious effect of nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) in the small intestine was not appreciated until the widespread use of capsule endoscopy. Animal studies found that NSAID-induced small intestinal injury depends on the ability of these drugs to be secreted into the bile. Because the individual toxicity of amphiphilic bile acids and NSAIDs directly correlates with their interactions with phospholipid membranes, we propose that the presence of both NSAIDs and bile acids alters their individual physicochemical properties and enhances the disruptive effect on cell membranes and overall cytotoxicity. We utilized in vitro gastric AGS and intestinal IEC-6 cells and found that combinations of bile acid, deoxycholic acid (DC), taurodeoxycholic acid, glycodeoxycholic acid, and the NSAID indomethacin (Indo) significantly increased cell plasma membrane permeability and became more cytotoxic than these agents alone. We confirmed this finding by measuring liposome permeability and intramembrane packing in synthetic model membranes exposed to DC, Indo, or combinations of both agents. By measuring physicochemical parameters, such as fluorescence resonance energy transfer and membrane surface charge, we found that Indo associated with phosphatidylcholine and promoted the molecular aggregation of DC and potential formation of larger and isolated bile acid complexes within either biomembranes or bile acid-lipid mixed micelles, which leads to membrane disruption. In this study, we demonstrated increased cytotoxicity of combinations of bile acid and NSAID and provided a molecular mechanism for the observed toxicity. This mechanism potentially contributes to the NSAID-induced injury in the small bowel.

A host–guest system to study structure–function relationships of membrane fusion peptides

We designed a host–guest fusion peptide system, which is completely soluble in water and has a high affinity for biological and lipid model membranes. The guest sequences are those of the fusion peptides of influenza hemagglutinin, which are solubilized by a highly charged unstructured C-terminal host sequence. These peptides partition to the surface of negatively charged liposomes or erythrocytes and elicit membrane fusion or hemolysis. They undergo a conformational change from random coil to an obliquely inserted (≈33° from the surface) α-helix on binding to model membranes. Partition coefficients for membrane insertion were measured for influenza fusion peptides of increasing lengths (n = 8, 13, 16, and 20). The hydrophobic contribution to the free energy of binding of the 20-residue fusion peptide at pH 5.0 is −7.6 kcal/mol (1 cal = 4.18 J). This energy is sufficient to stabilize a “stalk” intermediate if a typical number of fusion peptides assemble at the site of membrane fusion. The fusion activity of the fusion peptides increases with each increment in length, and this increase strictly correlates with the hydrophobic binding energy and the angle of insertion.

Atividade da própolis verde contra o fitopatógeno Pythium aphanidermatum e análise da interação do composto majoritário Artepillin C com sistemas biomiméticos de membranas

O aumento da resistência microbiana devido a fatores como uso excessivo e ineficiente de antibióticos convencionais acarreta a necessidade da busca por novos compostos bioativos que atuem por mecanismos de ação diferentes aos fármacos já conhecidos. Na agricultura, o uso intensivo de pesticidas para o combate de microrganismos que comprometem principalmente a parte alimentícia também traz diversos problemas relacionados à resistência antimicrobiana e a riscos ambientais, oriundos do acúmulo dessas substâncias no solo. Dentro deste aspecto, o pseudofungo Pythium aphanidermatum, da classe dos oomicetos, destaca-se por ser uma espécie agressiva e altamente resistente a fungicidas comuns, apodrecendo raízes e frutos de cultivos de tomate, beterraba, pepino, pimentão, etc. A própolis verde, constituída em sua grande parte por material resinoso coletado e processado pela abelha da espécie Apis mellifera tem sido utilizada na medicina tradicional devido ao seu amplo espectro de ações preventivas e tratamentos de doenças, possuindo propriedades anti-inflamatórias, antimicrobianas, anticancerígenas e antioxidantes, tornando-se um produto de grande interesse na busca de novos compostos bioativos. Dentro destes aspectos apresentados, neste trabalho investigamos a ação da própolis verde contra o fitopatógeno P. aphanidermatum e identificamos através da técnica de cromatografia e bioensaios que a Artepillin C (3,5-diprenil-4-ácido-hidroxicinâmico), majoritária na própolis verde, foi o principal composto nesta ação. Os efeitos terapêuticos desta molécula tem sido foco de muitos estudos, porém ainda não há evidência em sua interação com agregados anfifílicos que mimetizam membranas celulares. O caráter anfifílico do composto, elevado pela presença dos grupos prenilados ligados ao ácido cinâmico, favoreceram a sua inserção nas membranas modelo, principalmente em seu estado agregado. Estas conclusões puderam ser inferidas devido às alterações nas propriedades das bicamadas lipídicas na presença da Artepillin C, podendo causar, especificamente para o caso de fitopatógenos como o P. aphanidermatum, perdas funcionais das proteínas de membranas, liberação de eletrólitos intracelulares e desintegração citoplasmática dos micélios e esporos. Ainda, as diferentes composições lipídicas nas vesículas influenciam no modo de interação do composto e consequentes alterações em suas estruturas, principalmente na presença do colesterol, que auxilia na manutenção da permeabilidade da bicamada lipídica, que pode contribuir para a integridade do conteúdo citoplasmático da célula.

The cyclic antimicrobial peptide RTD-1 induces stabilized lipid-peptide domains more efficiently than its open-chain analogue

The effects of a mammalian cyclic antimicrobial peptide, rhesus theta defensin 1 (RTD-1) and its open chain analogue (oRTD-1), on the phase behaviour and structure of model membrane systems (dipalmitoyl phosphatidylcholine, DPPC and dipalmitoyl phosphatidylglycerol, DPPG) were studied. The increased selectivity of RTD-1 for anionic DPPG over zwitterionic DPPC was shown by differential scanning calorimetry. RTD-1, at a molar peptide-lipid ratio of 1:100, induced considerable changes in the phase behaviour of DPPG, but not of DPPC. The main transition temperature, T-m, Was unchanged, but additional phase transitions appeared above T-m. oRTD-1 induced similar effects. However, the effects were not observable below a peptide:lipid molar ratio of 1:50, which correlates with the weaker biological activity of oRTD-1. Small-and wide-angle X-ray scattering revealed for DPPG the appearance of additional structural features induced by RTP-1 above T-m, which were interpreted as correlated lamellar structures, with increased order of the fatty acyl side chains of the lipid. It is proposed that after initial electrostatic interaction of the cationic rim of the peptide with the anionic DPPG headgroups, leading to stabilized lipid-peptide clusters, the hydrophobic face of the peptide assists in its interaction with the fatty acyl side chains eventually leading to membrane disruption. (C) 2004 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Lipid rafts and plasma membrane microorganization: insights from Ras

The spatial organization of plasma membrane components in discrete microdomains is thought to be a key factor in the generation of distinct signal outputs. A detailed characterization of plasma membrane microdomains, including descriptions of their size, dynamics and abundance, has proved to be a taxing problem for cell biologists and biophysicists. The use of novel techniques is providing exciting new insights into the challenging problem of plasma membrane microstructure and has allowed the visualization of domains with the characteristics expected of lipid rafts - microdomains of the plasma membrane enriched in cholesterol and sphingolipids. This review focuses on some of these recent advances and uses Ras signaling as a paradigm for understanding inner plasma membrane organization and the role of lipid rafts in cellular function.

Lipid rafts: contentious only from simplistic standpoints

The hypothesis that lipid rafts exist in plasma membranes and have crucial biological functions remains controversial. The lateral heterogeneity of proteins in the plasma membrane is undisputed, but the contribution of cholesterol-dependent lipid assemblies to this complex, non-random organization promotes vigorous debate. In the light of recent studies with model membranes, computational modelling and innovative cell biology, I propose an updated model of lipid rafts that readily accommodates diverse views on plasma-membrane micro-organization.