Effect of heavy water on phospholipid membranes: experimental confirmation of molecular dynamics simulations

文献情報

出版日 2012-07-19
DOI 10.1039/C2CP41275F
インパクトファクター 3.676
著者

Lenka Beranová, Jana Humpolíčková, Jan Sýkora, Aleš Benda, Lukasz Cwiklik, Piotr Jurkiewicz, Gerhard Gröbner, Martin Hof


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要旨

Although there were experimental indications that phospholipid bilayers hydrated with D2O express different biophysical properties compared with hydration by ordinary H2O, a molecular concept for this behavior difference was only recently proposed by a molecular dynamics simulations study [T. Róg et al., J. Phys. Chem. B, 2009, 113, 2378–2387]. Here we attempt to verify those theoretical predictions by fluorescence measurements on 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) and 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) membranes. Specifically, we determine the water isotope effect on headgroup hydration and mobility, lateral lipid diffusion and lipid backbone packing. Time-dependent fluorescence shift experiments show significantly slower dynamics and lower hydration of the headgroup region for a bilayer hydrated with D2O, an observation in good agreement with the calculated predicted differences in duration of lipid–lipid and lipid–water bridges and extent of water penetration into the bilayer, respectively. The water isotope effect on the lipid order parameter of the bilayer core (measured by fluorescence anisotropy) and lateral diffusion of lipid molecules (determined by two-focus fluorescence correlation spectroscopy) is close to the experimental errors of the experiments, however also refers to slightly more rigid organization of phospholipid bilayers in heavy water. This study confirms the view that the water isotope effect can be particularly found in time-resolved physicochemical properties of the membrane. Together with the simulations our experiments provide a comprehensive, molecular view on the effect of D2O on phospholipid bilayers.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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