Изучение самосборки мембран в термочувствительных липид-детергентных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат физико-математических наук Храмцов, Юрий Викторович

• Храмцов, Юрий Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Храмцов, Юрий Викторович

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Структурообразование в системах, содержащих один вид амфифильных молекул

4.2. Влияние строения липидов и детергентов на переход мицеллы-везикулы в смешанных системах

2.2. Структурные превращения в смешанных липид-детергентных системах

2.2.1. Солюбилизация липидных мембран детергентом

2.2.1.1. Фазовые диаграммы для смешанных липид-детергентных ^ систем

2.2.1.2. Свойства широко использующихся детергентов

2.2.1.3. Описание взаимодействия детергента с липидной фазой

2.2.1.4. Механизмы солюбилизации липидных мембран детергентом

2.2.2. Переход мицеллы-везикулы

2.3. Применения перехода мицеллы-везикулы

2.3.1. Изучение строения и условий существования бицелл

2.3.2. Солюбилизация мембранных белков и их встраивание в липидные 58 мембраны

3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

4.1. Термоиндуцируемые структурные и фазовые переходы в системе ДМФХ-ХН

4.2.1. Влияние строения жирнокислотных цепей фосфолипидных молекул

4.2.2. Влияние холестерина

4.2.3. Влияние строения молекул солей желчных кислот

4.2.4. Смеси додецилсульфата натрия (ДСН) с ДМФХ

4.2.5. Смеси октилглюкозида с фосфатидилхолином

4.2.6. Смеси алкильных эфиров полиэтиленгликоля (СпЕт) с фосфатидилхолином

4.3. Математическая модель, описывающая переход мицеллы-везикулы Ю

4.3.1. Описание модели

4.3.2. Определение состава смешанных липид-детергентных агрегатов

4.3.3. Использование предложенной модели для определения основных 120 параметров, характеризующих процесс самосборки мембран

5. ВЫВОДЫ

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Храмцов, Юрий Викторович

5. ВЫВОДЫ

1. Впервые проведено систематическое исследование влияния различных факторов на процесс самосборки мембран в термочувствительных липид-детергентных системах.

2. Установлено, что природа липида и детергента оказывает решающее влияние на характер термоиндуцируемого перехода мицеллы-везикулы в смешанных липид-детергентных системах.

3. Показано, что самосборка мембран при повышении температуры может быть вызвана как изменением состава смешанных липид-детергентных агрегатов, так и изменением площади, приходящейся на одну молекулу детергента на поверхности этих агрегатов.

4. Изучены тепловые процессы, протекающие в термочувствительных липид-детергентных системах при нагревании, и установлена их связь с происходящими при этом структурными превращениями. Для смесей, содержащих соли желчных кислот, предложена молекулярная модель, количественно описывающая поглощение тепла при переходе мицеллы-везикулы.

5. Разработана математическая модель, описывающая переход мицеллы-везикулы в липид-детергентных системах, которая позволяет предсказать условия самосборки мембран в этих системах и определять параметры геометрической упаковки липидных и детергент-ных молекул в смешанных агрегатах разного типа.

6. В рамках этой модели предложен новый способ определения состава смешанных липид-детергентных агрегатов, образующихся на различных этапах самосборки мембран.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Храмцов, Юрий Викторович, 2011 год

1. Gorter Е., Grendel F. On bimolecular layers of lipoids on the chromocytes in blood // J. Exp. Med. 1925. V. 41. P. 439-443.

2. Cevc G., Marsh D. Phospholipid bilayers. Physical principles and models // 1987. A Wiley -InterScience Publication, John Wiley & Sons.

3. Guida V. Thermodynamics and kinetics of vesicles formation processes // Adv. Colloid Interface Sci. 2010. V. 161. P. 77-88.

4. Tanford C. The hydrophobic effect: formation of micelles and biological membranes // 1980. 2nd Ed. John Wiley, New York.

5. Lichtenberg D. Micelles and Liposoms. In: Biomembranes. Physical Aspects // 1993. M. Schinitzky Ed. VCH.

6. Генис P. Биомембраны. Молекулярная структура и функции // 1997. М.: Мир.

7. Garavito R.M., Ferguson-Miller S. Detergents as tools in membrane biochemistry // J. Biol. Chem. 2001. V. 276. P. 32403-32406.

8. Prive G.G. Detergents for the stabilization and crystallization of membrane proteins // Methods. 2007. V. 41. № 4. P. 388-397.

9. Almgren M. Mixed micelles and other structures in the solubilization of bilayer lipid membranes by surfactants // Biochim. Biophys. Acta. 2000. V. 1508. P. 146-163.

10. Stuart M.C.A., Boekema E.J. Two distinct mechanisms of vesicle-to-micelle and micelle-to-vesicle transition are mediated by the packing parameter of phospholipid-detergent systems // Biochem. Biophys. Acta. 2007. V. 1768. P. 2681-2689.

11. Elsayed M.M.A., Cevc G. The vesicle-to-micelle transformation of phospholipid-cholate mixed aggregates: A state of the art analysis including membrane curvature effects // Biochem. Biophys. Acta. 2011. V 1808. P. 140-153.

12. Sudbrack T.P., Archilha N.L., Itri R., Riske K.A. Observing the solubilization of lipid bilayers by detergents with optical microscopy of GUVs // J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. P. 269277.

13. Ollivon M., Lesieur S., Grabielle-Madelmont C., Paternostre M. Vesicle reconstitution from lipid-detergent mixed micelles // Biochim. Biophys. Acta. 2000. V. 1508. P. 34-50.

14. Полозова А.И., Дубачев Г.Э., Симонова Т.Н., Барсуков Л.И. Аномальное термотропное поведение бинарных смесей насыщенных фосфатидилхолинов с холатом натрия // Биоорганическая химия. 1993. Т. 19. С. 655-662.

15. Chopineau J., Lesieur S., Carion-Taravella B., Ollivon M. Self-evolving microstructured systems upon enzymatic catalysis // Biochimie. 1998. V. 80. P. 421-435.

16. Caffrey M. Membrane protein crystallization // J. Struct. Biol. 2003. V. 142. P. 108-132.

17. Arora A., Tamm L.K. Biophysical approaches to membrane protein structure determination // Curr. Opin. Struct. Biol. 2001. V. 11. P. 540-547.

18. Whiles J.A., Deems R., Void R.R., Dennis E.A. Bicelles in structure-function studies of membrane-associated proteins // Bioorg. Chem. 2002. V. 30. P. 431-442.

19. Prosser R.S., Evanics F., Kitevski J.L., Al-Abdul-Wahid M.S. Current applications of bicelles in NMR studies of membrane-associated amphiphiles and proteins // Biochemistry. 2006. V. 45. № 28. P. 8453-8465.

20. Raschle T., Hiller S., Etzkorn M., Wagner G. Nonmicellar systems for solution NMR spectroscopy of membrane proteins // Cur. Opin. Struct. Biol. 2010. V. 20. P. 471-479.

21. Van Dam L., Karlsson G., Edwards K. Direct observation and characterization of DMPC/DHPC aggregates under conditions relevant for biological solution NMR // Biochem. Biophys. Acta. 2004. V. 1664. P. 241-256.

22. Rowe B.A., Neal S.L. Fluorescence probe study of bicelle structure as a function of temperature: Developing it practical bicelle structure model // Langmuir. 2003. V. 19. P. 2039-2048.

23. Nieh M.P., Glinka C.J., Krueger S., Prosser R.S., Katsaras J. SANS study of the structural phases of magnetically alignable lanthanide-doped phospholipid mixtures // Langmuir. 2001. V. 17. P. 2629-2638.

24. Sinico C., Fadda A.M! Vesicular carriers for dermal drug delivery // Expert Opin. Drug Deliv. 2009. V. 6. P. 813-825.

25. Marzio L.D., Marianecci C., Petrone M., Rinaldi F., Carafa M. Novel pH-sensitive non-ionic surfactant vesicles: comparison between Tween 21 and Tween 20 // Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2011. V. 82. P. 18-24.

26. Yin H., Huang J., Lin Y., Zhang Y., Qiu S., Ye J. Heating-induced micelle to vesicle transition in the cationic-anionic surfactant systems: comprehensive study and understanding // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. P. 4104-4110.

27. Minewaki K., Kato T., Yoshida H., Imai M., Ito K. Small-angle X-ray scattering from the lamellar phase formed in a nonionic surfactant (C16E7)-Water system. Analysis of peak position and line shape // Langmuir. 2001. V. 17. P. 1864-1871.

28. Kocherbitov V. Driving forces of phase transitions in surfactant and lipid systems // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 13. P. 6430-6435.

29. Epand R.M. Membrane lipid polymorphism: relationship to bilayer properties and protein function // Methods Mol. Biol. 2007. V. 400. P. 15-26.

30. Seddon J.M., Robins J., Gulik-Krzywicki T., Delacroix H. Inverse micellar phases of phospholipids and glycolipids // Phys. Chem. Chem. Phys. 2000. V. 2. № 20. P. 4485-4493.

31. Garg G., Saraf S., Swarnlata S. Cubosomes: An overview // Biol. Pharm. Bull. 2007. V. 30. №2. P. 350-353.

32. Israelachvilli J.N. Intermolecular and surface forces // 1992. Second edition. London, Academic Press, 450 p.

33. Gruen D.W.R., Lasey E.H.B. in "Surfactants in solution" V. 1 // 1984. Eds. Mittal K.N., Lindman B. / Plenum, New York. P. 279-306.

34. Fattal D.R., Ben-Shaul A. Lipid chain packing and lipid-protein interaction in membranes // Physica A. 1995. V. 220. P. 192-210.

35. Hauser H. Short-chain phospholipids as detergents // Biochim. Biophys. Acta. 2000. V. 1508. P. 164-181.

36. Corti M., Boretta M., Cantu L., Favero E.D., Lesieur P. Dependence of the form factor of ganglioside micelles on a conformational change with temperature // J. Mol. Struct. 1996. V. 383. P. 91-98.

37. Lamy-Freund M.T., Riske K.A. The peculiar thermo-structural behavior of the anionic lipid DMPG // Chem. Phys. Lipids. 2003. V. 122. P. 19-32.

38. Fernandez R.M., Riske K.A., Amaral L.Q., Itri R., Lamy M.T. Influence of salt on the-structure of DMPG studied by SAXS and optical microscopy // Biochim. Biophys. Acta. 2008. V. 1778. №4. P. 907-916.

39. Gawrisch K., Parsegian V.A., Hajduk D.A., Tate M.W., Gruner S.M., Fuller N.L., Rand R.P. Energetics of a hexagonal-lamellar-hexagonal phase transition sequence in dioleoylphos-phatidylethanolamine membranes // Biochemistry. 1992. Y. 31. P. 2856-2864.

40. Binder H., Gawrisch K. Dehydration induced lateral expansion of polyunsaturated 18:0-22:6 phosphatidylcholine in a new lamellar phase // Biophys. J. 2001. V. 81. P. 969-982.

41. Winter R. Effects of hydrostatic pressure on lipid and surfactant phases // Curr. Opin. Colloid In. 2001. V. 6. № 3. P. 303-312.

42. Winter R. Synchrotron X-ray and neutron small-angle scattering of lyotropic lipid mesophases, model biomembranes and proteins in solution at high pressure // Biochim. Bio-phys. Acta. 2002. V. 1595. P. 160-184.

43. Zulauf M., Weckstrom K., Hayter B., Degiorgio V., Corti M. Neutron scattering study of micelle structure in isotropic aqueous solutions of poly(oxyethylene) amphiphiles // J. Phys. Chem. 1985. V. 89. P. 3411-3417.

44. Strey R. Microemulsion microstructure and interfacial curvature // Colloid Polym. Sci. 1994. V. 272. P. 1005-1019.

45. Glatter O., Fritz G., Lindner H., Brunner-Popela J., Mittelbach R., Strey R., Egelhaaf S.U. Nonionic micelles near the critical point: Micellar growth and attractive interaction // Lang-muir. 2000. Y. 16. № 23. P. 8692-8701.

46. Bernheim-Groswasser A., Wachtel E., Talmon Y. Micellar growth, network formation, and criticality in aqueous solutions of the nonionic surfactant C12E5 // Langmuir. 2000. V. 16. № 9. P. 4131-4140.

47. Kato T., Nozu D. Structure and dynamics of concentrated micellar phase in nonionic surfactant-water systems // J. Mol. Liq. 2001. V. 90. P. 167-174.

48. Tate M.W., Shyamsunder E., Gruner S.M., Damico K.L. Kinetics of the lamellar inverse hexagonal phase-transition determined by time-resolved X-ray-diffraction // Biochemistry. 1992. V.31.P. 1081-1092.

49. Toombes G.E.S., Finnefrock A.C., Tate M.W., Gruner S.M. Determination of La-Hn phase transition temperature for l,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamine // Biophys. J. 2002. V. 82. P. 2504-2510.

50. Riske K.A., Fernandez R.M., Nascimento O.R., Bales B.L., Lamy-Freund M.T. DMPG gel-fluid thermal transition monitored by a phospholipid spin labeled at the acyl chain end // Chem. Phys. Lipids. 2003. V. 124. P. 69-80.

51. Riske K.A., Politi M.J., Reed W.F., Lamy-Freund M.T. Temperature and ionic strength dependent light scattering of DMPG dispersions // Chem. Phys. Lipids. 1997. V. 89. P. 31-44.55