The activity of an antimicrobial peptide, magainin 2, on lipid membranes was investigated using solid-state NMR and a new sampling method that employed mechanically aligned bilayers between thin glass plates. The experiments were performed at two hydration levels. At 95% hydration about 15% of the lipid bilayers were disrupted and at full hydration 20% were disrupted. From the comparison of two equilibrium states established by two sampling methods the importance of peptide binding to the lipid bilayer for whole membrane disruption was demonstrated.
Journal of the Society of Cosmetic Scientists of Korea
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v.40
no.2
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pp.163-170
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2014
Lipid membranes composed of phosphatidylcholine (PC) are used in biophysical study to mimic cellular membranes and interactions between the membrane and chemicals, where organics solvents are used in dissolving lipids or chemicals. Later, solvents are removed from the solution under nitrogen gas at room temperature, followed by the further removal of the solvent at vacuum condition for several hours. In this process, some solvents are easily removed under described conditions above and others are required more severe conditions. In this study, $^{31}P$ solid-state nuclear magnetic resonance (SSNMR) techniques and differential scanning calorimetry (DSC) were used to see any changes in the line shapes of $^{31}P$ NMR spectra of multilamellar vesicles (MLVs) samples of POPC and in the phase change temperature of multilamellar vesicles (MLVs) of DPPC in DSC thermogram with or without any residual solvents. The thermodynamic parameters associated with the solvents did exhibit noticeable changes depending on solvent types. Thus, it is concluded that solvents should be carefully chosen and removed completely and experimental results should also be interpreted with caution particularly for the experiments investigating lipid phase changes and related topics.
Interactions between factor Va (HFVa) and membrane phosphatidylserine (PS) regulate the activity of the prothrombinase complex. I have previously shown that two solvent exposed hydrophobic residues located in the C2-domain, Trp2063 and Trp2064, are required for binding to immobilized PS and for expression of procoagulant activity on membranes containing 5% PS. In order to fully define the functional importance of these two residues I have expressed and isolated recombinant factor Va (rHFVa) W2063A/W2064A double mutant. In contrast to the native protein the two glycoforms resulting from alternative glycosylation of Asn2181 eluted as a single peak with rHFVa1 W2063A/W2064A eluting on the leading edge and rHFVa2 W2063A/W2064A eluting on the trailing edge. The double mutant rHFVa2 W2063A/W2064A expressed little or no procoagulant activity on membranes containing 1-10% mol % PS. In contrast, the procoagulant activity of this mutant was slightly greater than the native protein on membranes containing>18 mol % PS. The binding of rHFVa2 W2063A/W2064A to immobilized phospholipid vesicles was markedly reduced compared to the native protein in a surface plasmon resonance binding assay. I conclude that Trp2063 and Trp2064 are required for high affinity binding of factor Va to PS membranes and that this interaction is necessary for assembly of the prothrombinase complex on membranes containing physiological concentrations of PS.
Kim, Tae-Su;Lee, Jin-Yeong;Baek, Gu-Yeon;Jo, Sang-Yeon;Choe, Eun-Ha
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.517-517
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2013
세포막지질의 산화는 심각한 세포막의 기능저하를 유발하고 심하면 세포를 죽음에 이르게하여 생물학적으로 중요한 지표이다. 세포막지질의 산화는 간접적인 화학적 방법으로 측정하거나, 지질을 추출해내어 질량분석기나 핵자기공명분광기 같은 물리적 방법으로 분석한다. 우리는 이온유도 이차전자 방출계수(${\gamma}$) 변화를 측정하여 세포막지질의 산화를 지질추출 없이 측정할 수 있는지 조사해 보았다. 세포막분리가 쉬운 적혈구를 모델세포로 사용하였고, 다양한 라디칼을 발생시키는 대기압 공기 DBD플라즈마 장치를 이용하였다. 적혈구를 플라즈마에 노출하는 시간으로 산화의 정도에 차이를 만들어 측정값과 비교하였다. ${\gamma}$값은 Auger의 중화이론에 바탕을 둔 이온유도 이차전자 방출빔(${\gamma}$-FIB)장비를 이용하여 측정하였다. 측정결과 적혈구가 산화됨에 따라서 ${\gamma}$값이 증가함을 볼 수 있었고, 동시에 workfunction값이 변화함을 보았으며, 그 결과를 화학적 방법과 비교해 보았다.
Lidocaine compounds have widely been used as local anesthetics. Regarding the molecular mechanism for anesthesia by lidocaine, it is proposed that lidocaine molecules penetrate to the hydrophobic region of cell membrane and expand the membrane volume, producing a change in protein conformation that blocks sodium permeability or lidocaine molecules directly adsorb into lidocaine receptor in the protein channel without expanding the cell membrane. But these proposals have never been proven experimentally. In this study, the expansion of cell membrane by lidocaine compounds was investigated by employing lipid monolayer at the air/water interface as the mimetic system of cell membrane. It was found that oil-soluble lidocaine contracted the area/molecule of lipid in the monolayer of phosphatidyl choline, sphingomyelin, DS-PL95E and lipoid, but expanded the monolayer of phosphatidyl ethanolamine only in a certain range of mixing ratios. On the contrary, water-soluble lidocaine-HCl salt expanded the monolayers of all lipids used in this study.
Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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1992.10a
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pp.1-4
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1992
생체막은 많은 생물학적인 과정에서 중요한 역할을 차지한다. 막의 주된 성분은 지질과 단백질이고, 막의 기본적인 구조는 2개의 지질분자가 소수성기를 안쪽으로 서로 마주보며 이차원으로 배열된 Bilayer구조이다. 막의 두께는 약 50A 전후로 지구상에 존재하는 막중에서 가장 얇은 막이라 할 수 있다. 막의기능성은 근본적으로 이 Bilayer구조특성에서 나온다고 할 수 있다. 생체막의 대표적인 물질로 Lecithin은 Phosphatidyl Choline을 친수성기로, 2개의 긴 알킬체인이 소수성영역으로 된 양친매성 화합물이다.
A microfluidic system has been developed using biomaterial for the measurement of cupric ion concentration. The cell-membrane-mimicking bilayer lipid membrane(BLM)-coated silver electrode was used for the sensing of cupric ion concentration. The silver-supported BLM could increase its stability. A silver-supported bilayer lipid membrane(s-BLM) was easily obtained using its self-assembling characteristics by immersing silver wire into lipid(phosphatidylcholine; PC) solution and then dipping into aqueous KCl solution. These s-BLMs were used to determine the relationship between $Cu^{2+}$ concentration and current crossing s-BLM. Their relationship showed high linearity and reproducibility. The calibration curve was constructed to express the relationship between $Cu^{2+}$ concentration and current in the $Cu^{2+}$ concentration range of 10 and $130{\mu}M$. This calibration curve was used to measure $Cu^{2+}$ concentration in an unknown sample. Microfluidic system with s-BLM was made of PDMS(polydimethyl siloxane) using typical soft photolithography and molding technique. This integrated system has various functions such as activation of the silver surface without cutting silver wire, coating of BLM on silver surface, injection of KCl buffer solution, injection of $Cu^{2+}$ sample and measurement of $Cu^{2+}$ concentration in the sample.
Tolaasin is a pore-forming peptide toxin produced by Pseudomonas tolaasii and causes a brown blotch disease by disrupting membrane structures of cultivated mushrooms. The mechanism and characteristics of tolaasin pore formation are not known in detail; however, tolaasin pores have been demonstrated in the artificial lipid bilayer. Since the tolaasin pore appeared less frequently and unstable in lipid bilayer, a mismatch between the length of tolaasin pore and the thickness of lipid membrane had been suggested. Therefore, tolaasin-induced hemolyses were measured by the additions of phospholipids composed of various fatty acids with different carbon numbers. When phosphatidylethanolamines made with two decanoic acids (C10:0, 1,2-didecanoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine; DDPE), myristic acids (C14:0, 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine), and stearic acids (C18:0, 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine) were added to the buffer containing RBCs and tolaasin peptides, DDPE facilitated the tolaasin-induced hemolysis while the other two phospholipids showed no effects. At various concentrations of DDPE, the tolaasin-induced hemolysis was stimulated as a dose-dependent manner. The phospholipids composed of mediumchain fatty acids stabilize the tolaasin pore probably by binding between the pore structure and membrane phospholipids and making the membrane thickness thinner around the pore. These results showed that tolaasin molecules make more stable pores in the membrane made with phospholipids composed of medium length fatty acids, suggesting that the length of tolaasin pore is a little shorter than the thickness of RBC membrane.
The phase changes of 1-palmitoyl-$d_{31}$-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (POPC_$d_{31}$) bilayers distorted by an antimicrobial peptide, a magainin 2 or an aurein 3.3 were investigated by using $^2H$ solid-state NMR (SSNMR) spectroscopy. From the theoretical simulation of the experimental $^2H$ solid-state NMR spectra the geometric structure constants and the lateral diffusion coefficients were obtained in the peptide-lipid mixture phases. Within five days of the peptide action on the lipid bilayers only the distorted alignment of the bilayers were measured but after 100 days an elliptic toroidal pore structure and an inverted hexagonal phase were formed in the presence of magainin 2 and aurein 3.3, respectively. In order to investigate the effect of an anionic lipid molecule on the actions of two peptides on the lipid bilayer, the same experiments were performed on the POPC_$d_{31}$/1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylglycerol (POPG) bilayer and the significant differences in the actions of two peptides on two bilayers of POPC_$d_{31}$ and POPC_$d_{31}$/POPG were measured.
The effect of diphtheria toxin on cell membrane lipids was studied by examining the phospholipase D (PLD) activity and free fatty acids (FFA) release in HepG2 cells. The diphtheria toxin effects on lipid alteration show apparently maximal at pH 5.1, stimulating PLD activity nearly 3.5 fold and enhancing FFA release approximately 5 fold over the control. These results indicate that the membrane is perturbed and its lipid component is rearranged during the diphtheria toxin translocation. Digitonin, a random membrane perturbing detergent, exhibit about four-fold higher perturbation effect over the diphtheria toxin at neutral pH. This observation suggests that the membrane perturbation induced by diphtheria toxin appears to be rather selective. To investigate the cause of the membrane perturbation, Cibacron blue, an inhibitor of membrane pore formation, and hemagglutinin, an influenza virus with fusion peptide, were tested for their effects on diphtheria toxin action. Cibacron blue decreased the diphtheria toxin effect by almost 50%, but the lipid alteration induced by hemagglutinin was similar to the diphtheria toxin effect. These observations imply that the membrane perturbation induced by diphtheria toxin may be caused by a combination of pore formation and insertion of hydrophobic peptide of toxin to the membrane as well. Additionally, we found that the diphtheria toxin increased the HepG2 cells permeability but the cells viability was maintained at high level at the same time. DNA fragmentation which is related to apoptosis was not induced by the toxin. Under these conditions, we could demonstrate that the lipid alteration of HepG2 cells was brought about by diphtheria toxin at acidic pH.
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