Study of the effect of Hofmeister anions on monolayer, bilayer and micelle lipid model systems through experiments and theory

Abstract

Σε αυτή την διατριβή επιχειρούμε να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς των ειδικών επιδράσεων απλών ανιόντων σε φυσικοχημικά και βιολογικά συστήματα. Για τον σκοπό αυτό μελετήθηκαν οι επιδράσεις διαφόρων αλάτων του νατρίου με μονοσθενή ανιόντα (NaX) που ανήκουν στη σειρά Hofmeister χρησιμοποιώντας τρία πρότυπα συστήματα: (α) Μονοστοιβάδες φωσφολιπιδίων στην διεπιφάνεια νερού-αέρα. (β) Διπλοστοιβάδες φωσφολιπιδίων διεσπαρμένες σε περίσσεια νερού. (γ) Μικκύλια φωσφολιπιδίων. Για τον σχηματισμό των μονοστοιβάδων και των διπλοστοιβάδων χρησιμοποιήθηκε το διπολικό φωσφολιπίδιο 1,2-Dipalmitoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DPPC), ενώ για τον σχηματισμό μικκυλίων χρησιμοποιήθηκε το συγγενές λιπίδιο Dodecylphosphocholine (DPC). Τα άλατα που χρησιμοποιήθηκαν στην μελέτη αυτή είναι: NaCl, NaBr, NaNO3, NaI, NaBF4, NaClO4 και NaSCN. Η φασική συμπεριφορά και η δομή των μονοστοιβάδων του DPPC στην διεπιφάνεια ηλεκτρολύτη-αέρα μελετήθηκαν με ισόθερμες π - Α, με μικροσκοπία γωνίας Brewster (BAM), με περίθλαση ακτινών X υπό μικρή γωνία (GIXD) και με υπέρυθρη φασματοσκοπία ανάκλασης-απορρόφησης (IRRAS). Στην παρουσία αλάτων σημειώθηκε σημαντική αύξηση της επιφανειακής πίεσης σε σταθερή επιφάνεια ανά μόριο, υποδεικνύοντας σταθεροποίηση της υγρής-εκτεταμένης φάσης της μονοστοιβάδας. Αυτή η αύξηση εξαρτάται από το είδος του ανιόντος και την συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη. Τα πειράματα περίθλασης ακτινών X και υπέρυθρης φασματοσκοπίας έδειξαν ότι δεν αλλάζει σημαντικά η δομή της μονοστοιβάδας (παράμετροι πλέγματος) και η μέση διαμόρφωση των λιπιδίων παρουσία ανιόντων στο υπόστρωμα. Η επίδραση των αλάτων νατρίου (NaX) στην υγρή φυλλώδη φάση Lα των διπλοστοιβάδων DPPC μελετήθηκε με σκέδαση ακτινών Χ (SAXS) σε συνδυασμό με επιβολή ωσμωτικής πίεσης (OS). Από τα πειράματα διαπιστώθηκε ότι σε σταθερή ωσμωτική πίεση η απόσταση των διπλοστοιβάδων αυξάνει στην παρουσία αλάτων και η αύξηση αυτή εξαρτάται από το είδος του ανιόντος και τη συγκέντρωση του άλατος, με το ανιόν SCN- να εμφανίζει τη μεγαλύτερη επίδραση. Οι ιδιότητες των μικκυλίων του επιφανειοενεργού DPC στην παρουσία των διαφόρων ανιόντων Hofmeister μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας δυναμική σκέδαση φωτός (DLS). Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των μικκυλίων DPC επηρεάζονται από το είδος και τη συγκέντρωση του ανιόντος. Η επίδραση των ανιόντων ακολουθεί τη σειρά Hofmeister. Για τον υπολογισμό σταθερών πρόσδεσης των ανιόντων στις διάφορες λιπιδικές γεωμετρίες πραγματοποιήθηκε θεωρητική προσαρμογή στα πειραματικά αποτελέσματα με κατάλληλα θεωρητικά πρότυπα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι μοντέλα, τα οποία βασίζονται στη χημική προσρόφηση των ανιόντων στις κεφαλές των λιπιδικών μορίων, δεν μπορούν να εξηγήσουν τα πειραματικά αποτελέσματα. Αντίθετα τα πειραματικά αποτελέσματα των μονοστοιβάδων μπορούν να εξηγηθούν πολύ ικανοποιητικά με χρήση ενός εναλλακτικού θεωρητικού μοντέλου που βασίζεται στην κατανομή των ανιόντων μεταξύ του διαλύματος και μιας επιφανειακής λιπιδικής στοιβάδας μέσω του οποίου σταθερές κατανομής των ανιόντων μεταξύ των δύο φάσεων μπορούν να υπολογισθούν.

In this thesis, we attempt to understand the mechanisms behind specific anion effects by studying the effects of sodium salts (NaX) of different monovalent anions belonging to the Hofmeister series on three model systems: (a) Langmuir monolayers of phospholipids at the air-water interface, (b) bilayers of phospholipids dispersed in excess water, and (c) micelles of phospholipid compounds. The zwitterionic lipid 1,2-Dipalmitoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DPPC) was used to form monolayers and bilayers, and the lipid Dodecylphosphocholine (DPC) was used to form micellar solutions. The salts used were NaCl, NaBr, NaNO3, NaI, NaBF4, NaClO4 and NaSCN. The phase behavior and the morphology and structure of DPPC Langmuir monolayers in the presence of electrolytes in the subphase were studied by π – Α isotherms, Brewster Angle Microscopy (BAM), Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD) and Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy (IRRAS). The presence of salts was found to increase the surface pressure at a fixed area per molecule at the low-pressure part of the isotherm, indicating a stabilization of the liquid-expanded phase of the monolayer. This increase depends on the type of the anion and the electrolyte concentration. X-Ray diffraction and infrared spectroscopy experiments show that the conformation and packing properties (lattice parameters) of the hydrocarbon chains in the presence of salt remain essentially unaffected even at quite high electrolyte concentrations. The effect of the NaX salt solutions on the Lα Phase of DPPC bilayers was investigated using Small-Angle X-Ray Scattering (SAXS) and the Osmotic Stress (OS) technique. It was observed that for the same osmotic pressure the water bilayer separation increases in the presence of salts, depending on the type of the anion and the concentration of the electrolyte used. The effect of the different anions on the bilayer structural parameters follows the Hofmeister series. The micellar properties of the surfactant DPC in the presence of different Hofmeister anions were studied using Dynamic Light Scattering (DLS). The physicochemical parameters of the DPC micelles are all affected by the type and concentration of anion used. In order to obtain “binding constants” of anions on the three lipid models, fitting of the experimental results was carried out with appropriate theoretical models. The fitting results indicate that the experimental data cannot be explained with models based on chemical binding of the anions on the headgroups of the lipid molecules. On the contrary, the monolayer results can be fitted quite well with an ion-partitioning model, which assumes that anions can penetrate a surface lipid layer.