Μελέτη των ειδικών ιοντικών αλληλεπιδράσεων σε μεμβρανομιμητικά συσσωματώματα διπολικών λιπιδικών τασιενεργών

Abstract

Ο όρος «ειδικές ιοντικές αλληλεπιδράσεις» αναφέρεται σε φαινόμενα, στα οποία ιόντα του ίδιου φορτίου έχουν σημαντικά διαφορετικές επιπτώσεις στα υπό μελέτη φυσικοχημικά και βιολογικά συστήματα και επηρεάζουν τις ιδιότητές τους. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση του μηχανισμού δράσης των ανιόντων της σειράς Hofmeister στις βιολογικές μεμβράνες με χρήση δύο απλών μεμβρανομιμητικών συστημάτων-μοντέλων: των μονοστιβάδων του φωσφολιπιδίου DPPC στη διεπιφάνεια νερού-αέρα και των μικυλίων του λιπιδίου DPC. Για την επίτευξη του στόχου αυτού μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων ηλεκτρολυτών στις δομικές, στις φυσικοχημικές, στις θερμοδυναμικές, και στις ηλεκτρικές ιδιότητες των δύο συστημάτων-μοντέλων, με τη χρήση διαφορετικών ομάδων τεχνικών για κάθε σύστημα-μοντέλο. Συγκεκριμένα για τις μονοστιβάδες του DPPC σε διάφορες θερμοκρασίες χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές: Langmuir Blodgett (ισόθερμα διαγράμματα Επιφανειακής Πίεσης-Επιφάνειας ανά μόριο, LB), Μικροσκοπία Γωνίας Brewster (BAM), Περίθλαση Ακτίνων Χ υπό Μικρή Γωνία (GIXD) και Φασματοσκοπία Ανάκλασης Απορρόφησης Υπερύθρου (ΙRRAS). Η ανάλυση των ισόθερμων διαγραμμάτων με κατάλληλα θεωρητικά μοντέλα κατέδειξε ότι μεταβολή της επιφανειακής πίεσης της μονοστιβάδας του DPPC στους 12οC οφείλεται τόσο σε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, όσο και στην αλλαγή της φασικής κατάστασης της μονοστιβάδας. Για τη μελέτη των ιοντικών επιδράσεων στα μικύλια του DPC επιλέχθηκαν οι τεχνικές: του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού, 1H, 13C, 31P, 23Na, 35Cl, 127I NMR, του Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (EPR), της χρονικά εξαρτώμενης απόσβεσης φθορισμού (TRFQ), της Δυναμικής Σκέδασης Φωτός (DLS), της Σκέδασης Νετρονίων και Ακτίνων Χ υπό Μικρή Γωνία (SANS,SAXS), της μέτρησης του ζήτα δυναμικού και του φθορισμού των χρωστικών RH421 και di-8-ANEPPS (ευαίσθητες στο επιφανειακό δυναμικό). Από την εφαρμογή θεωρητικών μοντέλων προέκυψαν τιμές του χημικού δυναμικού κατανομής των ανιόντων μεταξύ των μικυλίων και του νερού, Uanion. Σύγκριση των τιμών αυτών με αντίστοιχες τιμές που προέκυψαν από τις μονοστιβάδες οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η «διακριτική ικανότητα» της σφαιρικής γεωμετρίας για τα ανιόντα είναι αισθητά ελαττωμένη σε σχέση με τις μονοστιβάδες.

The term “specific ion effects” refers to phenomena, in which ions of the same charge have significantly different effects on the studied physicochemical and biological systems and influence their properties. The aim of this PhD thesis is to investigate the mechanism of action of anions of the Hofmeister series on biological membranes by using two simple membrane-mimetic models: the monolayers of, DPPC, and the micelles of DPC. To achieve the goals of the thesis, we studied the effects of anion on the physicochemical, thermodynamical, structural and electrical properties of the two model systems using different groups of modern surface and analytical techniques for each model system.The study of the effect of ions on DPPC monolayers in different temperatures was realized by using the techniques: Langmuir Blodgett (surface pressure - area per molecule isotherms), Brewster Angle Microscopy (BAM), Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GIXD) and Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy (IRRAS). Analysis of the isotherms with appropriate theoretical models showed that the changes of the surface pressure of DPPC monolayers in the presence of salts are due both to electrostatic interactions and to the observed phase changes. The study of specific ions effects was performed using the techniques: Nuclear Magnetic Resonance (1H, 13C, 31P, 23Na, 35Cl, 127I NMR), Electron Paramagnetic Resonance, EPR, Time Resolved Fluorescence Quenching, TRFQ, Dynamic Light Scattering, DLS, Small Angle Neutron and X-Ray Scattering (SANS, SAXS), zeta potential measurements and the fluorescence of dyes RH421 and di-8-ANEPPS (which is very sensitive to the sampled surface potential). Application of theoretical models provided values of the partitioning chemical potential of anions between micelles and water, Uanion. Comparison of these values with corresponding values obtained from monolayers leads to the conclusion that the anion discrimination of the micellar spherical geometry is significantly reduced compared to the flat geometry of monolayers.