990 resultados para BILAYER-MEMBRANE


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We construct a hybrid bilayer membrane (HBM) on a new substrate-carbon electrode. It is an extension of HBM based on other substrates. Primary alkylamine was chemically modified onto the surface of a carbon electrode by electrochemical scans; thus, a monolayer was formed on the electrode. Because the alkane chains section is toward the outside, a hydrophobic surface was constructed. Then a lipid monolayer was spread on the hydrophobic surface of the carbon electrode. The formed HBM was characterized by electrochemical and ATR-FT-IR methods. From ATR-FT-IR results, the lipid order parameter (S) of 0.73 was obtained. This kind of hybrid membrane has the advantages of a lipid/alkanethiol HBM. A potential application of this HBM as a biosensor (detecting K+) was given.

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Adsorption of a monolayer of didecanoyl-L-alpha-phosphatidylcholine (DDPC) from dispersions of small unilamellar vesicles onto hydrophobic surfaces was investigated by mean of cyclic voltammetry and impedance spectroscopy. The hydrophobic surfaces were self-assembled monolayers of 2-mereapto-3-n-octylthiophene (MOT) on gold. One characteristic of the MOT monolayer is its permeability to organic molecules in aqueous solution, thus providing a more energetically favorable hydrophobic surface for the addition of phospholipid vesicles. The kinetics of the lipid monolayer formation were followed by measuring the time-dependent interfacial capacitance. Unusual values of thickness and capacitance of the MOT/ DDPC bilayers were observed. An interdigitating conformation of the bilayer structure was proposed to interpret the experimental results, The horseradish peroxidase reconstituted into the bilayer demonstrated the expected protein activity, showing practical use in research and in biosensor application.

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We aim in this study to characterize the effect of cations and polycations on the formation of hybrid bilayer membranes (HBMs), especially those that mimic the inner mitochondrial membrane (IMM), with a proper composition of phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE) and cardiolipin (CL) adsorbed on an alkanethiol monolayer. HBMs are versatile membrane mimetics that show promising results in sensor technology. Its formation depends on the fusion of vesicles on hydrophobic surfaces, a process that is not well understood at the molecular level. Our results showed to which extend and in which condition the presence of cations and polycations facilitate the formation of HBMs. The required time for lipid layer formation was reduced several times and the lipid layer reaches the expected thickness of 19.5 +/- 1.8 angstrom, in contrast to only 2 +/- 1.5 angstrom usually observed in the absence of cations. In the presence of specific concentrations of spermine and Ca2+ the amount of adsorbed phospholipids on the thiol layer increased nearly 70% compared to that observed when Na+ was used at concentrations 10 times higher. Divalent cations and polycations adsorb specifically on the lipid headgroups destabilizing the hydration forces, facilitating the process of vesicle fusion and formation of lipid monolayers. The concepts and conditions described in the manuscript will certainly help the development of the field of membrane biosensors. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

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We investigate the effect of bilayer melting transition on thermodynamics and dynamics of interfacial water using molecular dynamics simulation with the two-phase thermodynamic model. We show that the diffusivity of interface water depicts a dynamic crossover at the chain melting transition following an Arrhenius behavior until the transition temperature. The corresponding change in the diffusion coefficient from the bulk to the interface water is comparable with experimental observations found recently for water near 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) vesicles Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7732 (2011)]. The entropy and potential energy of interfacial water show distinct changes at the bilayer melting transition, indicating a strong correlation in the thermodynamic state of water and the accompanying first-order phase transition of the bilayer membrane. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.018303

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The preparation and characteristics of bilayer lipid membranes including conventional bilayer membrane, solid supported self-assembling bilayer lipid membrane, solid supported hybrid bilayer membrane are described in this paper, The applications of bilayer lipid membranes in electrochemical biosensors are reviewed and the future development of electrochemical biosensor based on bilayer lipid membranes is discussed.

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Hybrid bilayer membrane consisting of self-assembled alkanethiol and lipid monolayer on gold electrode was fabricated by the paint - freeze method. The interaction of a kind of polyanion, K7Fe3+P2W17O62H2 with such bilayer membrane was investigated by cyclic voltammetry and ac impedance. The hybrid bilayer membrane on the gold electrode showed remarkable insulating property, however, the property was lessened to some extent after interaction with the polyanion. It was found the process was in-eversible. It is presumed that the interaction between the polyanion and lipid is an interaction of K7Fe3+P2W17O62H2 with the polar head group of PC, which lessens the interaction among PC polar head groups. The resulting molecular arrangement becomes looser, even some pores are produced.

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A novel type of potassium sensor based on the capacitance change of valinomycin-incorporated bilayer supported on a gold electrode has been developed and characterized. The lipid membrane was Formed by painted method and monitored simultaneously by capacitance variation. The capacitance of the electrode-supported membrane was found to be modulated by different concentrations of K+. Investigating the capacitance change allows a simple and specific technique for the measurement of potassium ion in solution. Especially, the homemade capacitance meter is, to our knowledge, used to monitor the bilayer membrane formation and detect K+ for the first time. It has been proved that this capacitance measurement is a very useful technique because it is simple and sensitive compared to the other methods.

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Biologische Membranen sind Fettmolekül-Doppelschichten, die sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten. Die Energie einer solchen fluiden Oberfläche kann häufig mit Hilfe eines Hamiltonians beschrieben werden, der invariant unter Reparametrisierungen der Oberfläche ist und nur von ihrer Geometrie abhängt. Beiträge innerer Freiheitsgrade und der Umgebung können in den Formalismus mit einbezogen werden. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, die Mechanik fluider Membranen und ähnlicher Oberflächen zu untersuchen. Spannungen und Drehmomente in der Oberfläche lassen sich durch kovariante Tensoren ausdrücken. Diese können dann z. B. dazu verwendet werden, die Gleichgewichtsposition der Kontaktlinie zu bestimmen, an der sich zwei aneinander haftende Oberflächen voneinander trennen. Mit Ausnahme von Kapillarphänomenen ist die Oberflächenenergie nicht nur abhängig von Translationen der Kontaktlinie, sondern auch von Änderungen in der Steigung oder sogar Krümmung. Die sich ergebenden Randbedingungen entsprechen den Gleichgewichtsbedingungen an Kräfte und Drehmomente, falls sich die Kontaktlinie frei bewegen kann. Wenn eine der Oberflächen starr ist, muss die Variation lokal dieser Fläche folgen. Spannungen und Drehmomente tragen dann zu einer einzigen Gleichgewichtsbedingung bei; ihre Beiträge können nicht mehr einzeln identifiziert werden. Um quantitative Aussagen über das Verhalten einer fluiden Oberfläche zu machen, müssen ihre elastischen Eigenschaften bekannt sein. Der "Nanotrommel"-Versuchsaufbau ermöglicht es, Membraneigenschaften lokal zu untersuchen: Er besteht aus einer porenüberspannenden Membran, die während des Experiments durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in die Pore gedrückt wird. Der lineare Verlauf der resultierenden Kraft-Abstands-Kurven kann mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten Theorie reproduziert werden, wenn der Einfluss von Adhäsion zwischen Spitze und Membran vernachlässigt wird. Bezieht man diesen Effekt in die Rechnungen mit ein, ändert sich das Resultat erheblich: Kraft-Abstands-Kurven sind nicht länger linear, Hysterese und nichtverschwindende Trennkräfte treten auf. Die Voraussagen der Rechnungen könnten in zukünftigen Experimenten dazu verwendet werden, Parameter wie die Biegesteifigkeit der Membran mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu bestimmen. Wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, können Probleme der Membranmechanik genauer betrachtet werden. Oberflächenvermittelte Wechselwirkungen sind in diesem Zusammenhang ein interessantes Beispiel. Mit Hilfe des oben erwähnten Spannungstensors können analytische Ausdrücke für die krümmungsvermittelte Kraft zwischen zwei Teilchen, die z. B. Proteine repräsentieren, hergeleitet werden. Zusätzlich wird das Gleichgewicht der Kräfte und Drehmomente genutzt, um mehrere Bedingungen an die Geometrie der Membran abzuleiten. Für den Fall zweier unendlich langer Zylinder auf der Membran werden diese Bedingungen zusammen mit Profilberechnungen kombiniert, um quantitative Aussagen über die Wechselwirkung zu treffen. Theorie und Experiment stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Relevanz von krümmungsvermittelten Wechselwirkungen in der biologischen Zelle korrekt zu beurteilen. In einem solchen Fall bieten Computersimulationen einen alternativen Ansatz: Die hier präsentierten Simulationen sagen voraus, dass Proteine zusammenfinden und Membranbläschen (Vesikel) bilden können, sobald jedes der Proteine eine Mindestkrümmung in der Membran induziert. Der Radius der Vesikel hängt dabei stark von der lokal aufgeprägten Krümmung ab. Das Resultat der Simulationen wird in dieser Arbeit durch ein approximatives theoretisches Modell qualitativ bestätigt.

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Amphiphile Blockcopolymere sind in der Lage in Wasser Morphologien auszubilden, die analog sind zur hydrophil-hydrophob-hydrophil-Struktur von natürlichen Lipiddoppelschichten. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Präparation und Charakterisierung von oberflächengestützten Polymerdoppelschichten aus Polybutadien-b-Polyethylenoxid (PB-PEO) beschrieben. Für die Herstellung dieser Strukturen wurden zwei unterschiedliche Präparationsstrategien verfolgt. Der erste Weg besteht aus einer zweistufigen Methode, bei der im ersten Schritt organisierte Monoschichten mittels Langmuir-Blodgett-Transfer auf Gold übertragen und kovalent angebunden werden. Im zweiten Schritt werden hydrophobe Wechselwirkungen ausgenutzt, um über Langmuir-Schaefer-Transfer eine weitere Schicht aufzubringen. Somit wurden homogene Architekturen erzeugt, die oberflächengestützten Lipiddoppelschichten gleichen. Als alternativer, einstufiger Ansatz zur Herstellung von Polymerdoppelschichten wurde das Spreiten von Polymervesikeln auf Gold verfolgt. Auch hierdurch ließen sich Doppelschichtstrukturen mit einer vollständigen Oberflächenbedeckung erzeugen. Die hergestellten Polymerdoppelschichten besitzen eine Dicke von 11-14 nm, die von der Präparationsmethode abhängt. Die Polymerstrukturen weisen bei Trocknung für 1.5 h eine Stabilität gegenüber Luft auf. Bei längeren Trocknungszeiten von ca. 12 h kommt es zu einer Reorganisation der Oberfläche. Dies deutet darauf hin, dass Wasser dazu notwendig ist die Strukturen auf lange Sicht zu stabilisieren. Um die Biokompatibilität der Polymerschichten nachzuweisen, wurden die Wechselwirkungen mit dem membranaktiven Peptid Polymyxin B und dem Transmembranprotein α-Haemolysin gezeigt. Mobilität ist ein wichtiger Faktor für die korrekte Funktion vieler Transmembranproteine. Um die laterale Diffusionsdynamik innerhalb der künstlichen Strukturen zu untersuchen, wurde die Mobilität eines integralen Modellpeptids und von fluoreszierenden Membransonden gemessen. Es konnte mit einzelmolekülempfindlichen Techniken gezeigt werden, dass das α-helikale Peptid und die kleinen Fluoreszenzfarbstoffe frei im hydrophoben Kern der Polymerdoppelschicht diffundieren können. Die Diffusion von beiden Spezies scheint stark von der Fluidität der Polymermatrix beeinflusst zu sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmet sich der Entwicklung eines angemessenen, lipidbasierten Referenzsystems für zukünftige Proteinuntersuchungen. Hierzu wurde eine neue Methode zu Herstellung von peptidgestützten Lipiddoppelschichtmembranen entwickelt. Dies wurde durch kovalente Befestigung eines Thiopeptids an einen Goldfilm und darauffolgende Anbindung eines Lipids erreicht. Zur Ausbildung der Lipiddoppelschicht auf dem Lipopeptidunterbau wurder der Rapid Solvent Exchange verwendet. Die Ausbildung der Lipiddoppelschicht wurde sowohl auf microskopischer als auch auf makroskopischer Ebene nachgewiesen. Im letzten Schritt wurde die Anwendbarkeit des Modelsystems für elektrochemische Messungen durch den funktionalen Einbau des Ionentransporters Valinomycin unter Beweis gestellt.

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The aim of this study was to elucidate the mechanism of membrane insertion and the structural organization of pores formed by Bacillus thuringiensis δ-endotoxin. We determined the relative affinities for membranes of peptides corresponding to the seven helices that compose the toxin pore-forming domain, their modes of membrane interaction, their structures within membranes, and their orientations relative to the membrane normal. In addition, we used resonance energy transfer measurements of all possible combinatorial pairs of membrane-bound helices to map the network of interactions between helices in their membrane-bound state. The interaction of the helices with the bilayer membrane was also probed by a Monte Carlo simulation protocol to determine lowest-energy orientations. Our results are consistent with a situation in which helices α4 and α5 insert into the membrane as a helical hairpin in an antiparallel manner, while the other helices lie on the membrane surface like the ribs of an umbrella (the “umbrella model”). Our results also support the suggestion that α7 may serve as a binding sensor to initiate the structural rearrangement of the pore-forming domain.

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Application of electric fields tangent to the plane of a confined patch of fluid bilayer membrane can create lateral concentration gradients of the lipids. A thermodynamic model of this steady-state behavior is developed for binary systems and tested with experiments in supported lipid bilayers. The model uses Flory’s approximation for the entropy of mixing and allows for effects arising when the components have different molecular areas. In the special case of equal area molecules the concentration gradient reduces to a Fermi–Dirac distribution. The theory is extended to include effects from charged molecules in the membrane. Calculations show that surface charge on the supporting substrate substantially screens electrostatic interactions within the membrane. It also is shown that concentration profiles can be affected by other intermolecular interactions such as clustering. Qualitative agreement with this prediction is provided by comparing phosphatidylserine- and cardiolipin-containing membranes.

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Fluorescence spectroscopy andmicroscopy have been utilized as tools in membrane biophysics for decades now. Because phospholipids are non-fluorescent, the use of extrinsic membrane probes in this context is commonplace. Among the latter, 1,6-diphenylhexatriene (DPH) and its trimethylammonium derivative (TMA-DPH) have been extensively used. It is widely believed that, owing to its additional charged group, TMA-DPH is anchored at the lipid/water interface and reports on a bilayer region that is distinct from that of the hydrophobic DPH. In this study, we employ atomistic MD simulations to characterize the behavior of DPH and TMA-DPH in 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and POPC/cholesterol (4:1) bilayers. We show that although the dynamics of TMA-DPH in thesemembranes is noticeably more hindered than that of DPH, the location of the average fluorophore of TMA-DPH is only ~3–4 Å more shallow than that of DPH. The hindrance observed in the translational and rotational motions of TMA-DPH compared to DPH is mainly not due to significant differences in depth, but to the favorable electrostatic interactions of the former with electronegative lipid atoms instead. By revealing detailed insights on the behavior of these two probes, our results are useful both in the interpretation of past work and in the planning of future experiments using themasmembrane reporters.

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Coadsorption of ferrocene-terminated alkanethiols (FcCO(2)(CH2)(8)SH, Fc=(mu(5)-C5H5)Fe(mu(5)-C5H4)) with alkylthiophene thiols (2-mercapto-3-n-octylthiophene) yields stable, electroactive self-assembled monolayers on gold. The resulting mixed monolayer provides an energetically favorable hydrophobic surface for the adsorption of the surfactant aggregates in aqueous solution. The adsorptions have been characterized via their effect on the redox properties of ferrocenyl alkanethiols immobilized as minority components in the monolayers and on the interfacial capacitance of the electrode. Surfactant adsorption causes a decrease in the overall capacitance at the electrode and dramatically shifts the redox potential for ferrocene oxidation in a positive or negative direction depending on the identity of the surfactant employed. A structural model is proposed in which the alkane chains of the adsorbed surfactants interdigitate with those of the underlying self-assembled monolayer, leading to the formation of a hybrid bilayer membrane.

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Ru(bpy)(3)(2+) electrochemiluminescence (ECL) method and electrocatalysis method were first used to study the ion-gate behavior of supported lipid bilayer membrane (sBLM). We found that sBLM, made of dimethyldioctadecylammonium bromide (a kind of synthetic lipid), showed ion-gate behavior for the permeation of Ru(bpy)(3)(2+) in the presence of perchlorate anion. There existed a threshold concentration (0.1 muM) of perchlorate anion for ion-gate opening. Below the threshold the ion-gate was closed. Above the threshold, the number of opened ion-gate sites increased with the increase of perchlorate anion concentration and leveled off at concentrations higher than 1200 muM. Based on it, a new sensor for perchlorate was developed. Furthermore, the opening and closing of the ion-gate behavior was reversible, which means the sensor can repeatedly be used.

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As a kind of supported bilayer lipid membranes, hybrid bilayer membrane (HBM) was applied to the interaction between Ca2+ and lipid for the first time. By using Fe(CN)(6)(3-) as a probe, we found that Ca2+ could induce the ion channel of HBM to be in open state. STM images study proved this phenomenon.