Membrane interactions studied by advanced fluorescent techniques: From ions to macromolecules

Abstract

Pokročilé fluorescenční techniky byly využity ke studiu tří různých projektů týkajících se biologických membrán a jejich interakcí. Následující práce je tedy rozdělena do tří samostatných kapitol, z nichž každá pojednává o jednom tématu. 1) Vliv iontů na modelové lipidové membrány byl osvětlen experimentálně metodou časově rozlišených posuvů fluorescence (TDFS, time dependent fluorescence shifts) a teoreticky pomocí molekulárně-dynamických simulací. Kombinace těchto dvou přístupů je vhodná k určení zásadních vlastností membrán jako je pohyblivost a hydratace konkrétní části membrány, uspořádání lipidové dvojvrstvy nebo vazebná místa iontů. Anionty ClO4 - , Br- , Cl- a F- , reprezentující Hofmeisterovu řadu, mají tendenci specificky interagovat s kladně nabitými molekulami lipidů v dvojvrstvě, což má vliv na uspořádání membrány. Změny pozorovaných parametrů odpovídají řazení Hofmeistrovy serie iontů. Účinky iontů jsou jak důsledkem přímé interackce iont-lipid, tak zprostředkovány nepřímo, tzn. pozměněním struktury vody v bezprostřední blízkosti molekuly iontu. Další práce, týkající se vápenatých iontů, prokázala, že Ca2+ mají afinitu jak k elektrostaticky neutrálním tak k záporně nabitým fosfolipidovým membránám, vazba iontů ovlivňuje organizaci membrány. Bylo identifikováno několik vazebných míst...

Advanced fluorescence techniques were used to explore tree distinct topics concerning biological membrane and their interactions. Following thesis is according to the topic divided into three parts: 1) Ionic effects were studied employing time dependent fluorescence shift experiments and molecular dynamic simulations. Combination of these two approaches are suitable to reveal characteristic like mobility and hydration of particular bilayer segment, lipid packing or ion binding sites. Halide anions were reported to adsorb to the cationic lipid bilayer specifically, altering membrane mobility and organization. Changes in observed parameters follows Hofmeister order. Their effect is mediated either by direct ionic interaction (soft, polarizable ions) as well as via alteration of water structure (hard, non-polarizable ions) in proximity of ion molecule. Further, divalent calcium was shown to bind strongly to neutral and negatively charged lipid bilayers. Several types of binding sites depending on calcium concentration were identified. 2) Two complementary lipopeptides, CPK and CPE, incorporated into distinct lipid bilayers serve as a minimal model inducing membrane fusion. Effectiveness of fusion event might be influenced by lipopeptide-membrane and lipopeptide-lipopeptide interaction. To reveal...