UNIWERSYTET JAGIELLŃSKI, WYDZIAŁ CHEMII, ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ I ELEKTRCHEMII, ZESPÓŁ FIZYKCHEMII PWIERZCHNI MNWARSTWY LANGMUIRA JAK MDEL BŁN BILGICZNYCH Paweł Wydro Seminarium Zakładowe 25.I.28

PLAN PREZENTACJI Struktura błony biologicznej i funkcje błon biologicznych Modele błon biologicznych Monowarstwy Langmuira Zastosowanie monowarstw Langmuira w modelowaniu błon biologicznych - oddziaływania pomiędzy składnikami błony - wpływ biomolekuł na błony biologiczne - wpływ leków działających na poziomie membranowym

BŁNA BILGICZNA ogranicza komórkę jako całość (błona komórkowa, plazmalemma) i otacza organelle komórkowe (błona wewnętrzna, śródkomórkowa)

BŁNA BILGICZNA Model płynnej mozaiki Singer i Nicolson (1972) Biwarstwa lipidowa = płynna część błony Mozaika = białka błonowe Białka integralne penetrują biwarstwę Białka peryferyjne zlokalizowane na powierzchni błony, zakotwiczone powierzchniowe połączone z lipidami Błona = struktura dynamiczna i asymetryczna

FUNKCJE BŁNY Bariera ochronna komórki, oddziela ją od środowiska zewnętrznego, chroni organella komórkowe Nadaje komórce określony kształt Zapewnia selektywny transport substancji chemicznych pomiędzy komórką a środowiskiem zewnętrznym Bierze udział w procesach przemiany energii (energy transduction) Zapewnia komunikację międzykomórkowa i wewnątrzkomórkowa Jest miejscem działania wielu substancji biologicznie aktywnych

MDELE BŁN BILGICZNYCH BLM black lipids membranes

MDELE BŁNY KMÓRKWEJ liposomy

MDELE BŁN BILGICZNYCH Membrany ograniczone powierzchnią (surface-confined membrane systems) a) Membrany lipidowe na powierzchni stałej (solid-supported lipid membranes)

MDELE BŁN BILGICZNYCH Membrany ograniczone powierzchnią (surface-confined membrane systems) b) Biwarstwy hybrydowe (hybrid bilayers)

MDELE BŁN BILGICZNYCH Membrany ograniczone powierzchnią (surface-confined membrane systems) c) polymer-cushioned lipid bilayers

MDELE BŁN BILGICZNYCH Monowarstwy Langmuira

METDA LANGMUIRA

IZTERMA -A [mn/m] stan stały (S) ciecz skondensowana (LC) ciecz rozprężona (LE) LC + LE LE +G 2 Powierzchnia Å/cząsteczkę gaz (G)

6 5 cholesterol [mn/m] 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 2 7 8 Powierzchnia (Å /cząsteczkę) 9 1

WSPÓŁCZYNNIK ŚCIŚLIWŚCI C 1 s = A d da 8 6 cholesterol -1 CS [mn/m] 1 4 2 1 2 [mn/m] 3 4 5

PTENCJAŁ PWIERZCHNIWY cholesterol 5 4 4 3 2 V-A 2 -A 1 1 2 3 4 5 6 2 7 8 Powierzchnia (Å /cząsteczkę) 9 1 V [mv] [mn/m] 3

5 4 4 3 2 V-A 2 -A 1 1 2 3 4 5 6 7 2 8 Powierzchnia (Å /cząsteczkę) 9 1 V [mv] [mn/m] 3

DYSTRYBUCJA CHLESTERLU W BŁNIE Asymetria błony PC PE Jak rozmieszczony w obrębie błony jest cholesterol? CHL.

DYSTRYBUCJA CHLESTERLU W BŁNIE Kontrowersje dotyczące rozmieszczenia sterolu pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną warstwę błony PC PE CHL.

DYSTRYBUCJA CHLESTERLU W BŁNIE DPPC+CHL 7 6 DPPC Xchol=.1 6 5 [mn/m] Xchol=.7 3 Xchol=.9 Cholesterol 2 1 Xchol=.3 4 Xchol=.5 4 DPPE Xchol=.1 5 Xchol=.3 Xchol=.5 Xchol=.7 3 Xchol=.9 Cholesterol 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 2 A (Å /cząsteczkę) 1 2 3 DPPC XDPPE=.1 6 XDPPE=.3 5 XDPPE=.5 XDPPE=.7 4 XDPPE=.9 3 DPPE 2 1 2 4 6 2 8 4 2 5 6 A (Å /cząsteczkę) DPPC+DPPE 7 [mn/m] [mn/m] DPPE+CHL 1 A (Å /cząsteczkę) 12 14 7 8 9

DYSTRYBUCJA CHLESTERLU W BŁNIE ΔG Exc =N A12 X 1 A1 X 2 A2 d DPPE+CHL DPPC+CHL [J/mol] 9-4 G = 5. mn/m = 1. mn/m = 2. mn/m = 3 mn/m,4 6 = 5. mn/m = 1. mn/m = 2. mn/m = 3 mn/m 3,6 Xcholesterol,8, 1,,2 DPPC+DPPE 2 [J/mol],2 = 5 mn/m = 1 mn/m = 2 mn/m = 3 mn/m Exc. -16, G -12 Exc -8 G Exc [J/mol] -2-4,,2,4,6 XDPPE,8 1,,4,6 Xcholesterol,8 1,

DYSTRYBUCJA CHLESTERLU W BŁNIE DPPC+DPPE+CHL DPPC+DPPE+CHL 6 6 DPPC/DPPE Xcholesterol =.1 Xcholesterol =.3 4 Xcholesterol =.5 3 Xcholesterol =.7 2 cholesterol Xcholesterol =.9 1 DPPC/DPPE Xcholesterol =.1 5 [mn/m] [mn/m] 5 Xcholesterol =.3 4 Xcholesterol =.5 3 Xcholesterol =.7 2 cholesterol Xcholesterol =.9 1 2 4 2 6 8 1 A (Å /cząsteczkę) warstwa zewnętrzna 2 4 2 6 8 A (Å /cząsteczkę) warstwa wewnętrzna 1

DYSTRYBUCJA CHLESTERLU W BŁNIE ΔG Exc =N A123 X 1 X 2 A12 X 3 A3 d DPPC+DPPE+CHL DPPC+DPPE+CHL 4 [J/mol] Exc -4-8 -12-16,,2,4,6 Xcholesterol G G Exc [J/mol] 4 = 5. mn/m = 1. mn/m = 2. mn/m = 3 mn/m,8 warstwa zewnętrzna -4-8 -12 1, -16,,2,4 = 5. mn/m = 1. mn/m = 2. mn/m = 3 mn/m,6 Xcholesterol,8 1, warstwa wewnętrzna P. Wydro, K. Hąc-Wydro, Thermodynamic Description of the Interactions between Lipids in Ternary Langmuir Monolayers: the Study of Cholesterol Distribution in Membranes, J. Phys. Chem. B, 111 (27) 2495-252.

WPŁYW BIMLEKUŁ NA MDELWE BŁNY H3C H3C H3C H stearic acid H oleic acid H α-linolenic acid

WPŁYW BIMLEKUŁ NA MDELWE BŁNY 8 4-8 -8-12 -12-16 -16,4,6 Xstearic acid [J/mol] 12 EXC,2 8 4,8 = 2.5 mn/m = 5 mn/m = 1 mn/m = 15 mn/m = 2 mn/m = 25 mn/m -4 G -4, 12 [J/mol] 4 = 2.5 mn/m = 5 mn/m = 1 mn/m = 15 mn/m = 2 mn/m = 25 mn/m EXC 8 G G EXC [J/mol] 12 1,,,2 = 2.5 mn/m = 5 mn/m = 1 mn/m = 15 mn/m = 2 mn/m = 25 mn/m -4-8 -12-16,,2,4,6 Xα-linolenic acid,8 1,,4,6 Xoleic acid,8 1,

3 25 25 CS [mn/m] 3 2-1 2-1 CS [mn/m] WPŁYW BIMLEKUŁ NA MDELWE BŁNY 15 1 1 5, 15,2,4,6 Xoleic acid,8 1, 5,,2,4,6,8 1, Xα-linolenic acid Katarzyna Hąc-Wydro, Paweł Wydro, The influence of fatty acids on model cholesterol/phospholipid membranes, Chem. Phys. Lipids, 15 (27) 66-81.

WPŁYW LEKÓW NA MDELWE BŁNY Nystatyna antybiotyk przeciwgrzybiczy aktywny na poziomie błony komórkowej (oddziałując z cząsteczkami steroli zmieniają przepuszczalność błony) fosfolipidy istotna rola w mechanizmie działania leku Główne składniki liposomalnych postaci leku? PC vs PE ddziaływania nystatyna fosfolipid? nasycony vs nienasycony

WPŁYW LEKÓW NA MDELWE BŁNY CH3 H H3C H3C H H H H H H3C + CH 3 N CH3 P DPPC H H CH H H2N CH3 H nystatyna H + H N H P DPPE

WNISKI Silniejsze oddziaływania leku z PC niż z PE Silniejsze oddziaływania nystatyny z fosfolipidami zawierającymi łańcuchy nienasycone ddziaływania leku z fosfatydyloetanoloaminami zmieniają się w szeregu: DMPE >DPPE > DSPE Im dłuższe łańcuchy węglowodorrowe fosfatydylocholin (PC) tym silniejsze oddziaływania fosfolipidu z nystatyną Katarzyna Hąc-Wydro, Joanna Kapusta, Agnieszka Jagoda, Paweł Wydro, Patrycja Dynarowicz-Łątka, The influence of a phospholipid structure on the interaction with polyene antifungal antibiotic nystatin. The Langmuir monolayers study, Chem. Phys. Lipids, 15 (27) 125-135.

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ