Impact of Y3+-ions on the structure and phase behavior of phospholipid model membranes

文献情報

出版日 2019-02-19
DOI 10.1039/C8CP07413E
インパクトファクター 3.676
著者

Steffen Bornemann, Marius Herzog, Roland Winter


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要旨

Trivalent yttrium cations are able to mimic the behavior of Ca2+ in many important biochemical processes, and their application in medicinal chemistry has increased in recent years. While the effect of mono- and divalent salts on lipid membranes has been studied extensively, the effect of trivalent cations, such as Y3+, on the structure and phase behavior of lipid bilayers is largely unknown. Here, we studied the effect of YCl3 on the structure, phase behavior and thermodynamic parameters of zwitterionic DPPC, 20% anionic DPPC/DPPG (80/20) and 10% anionic DOPC/DOPG/DPPC/DPPG/cholesterol (20/5/45/5/25) model biomembrane systems using Fourier-transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, Laurdan fluorescence spectroscopy, confocal fluorescence microscopy, zeta potential measurements and atomic force microscopy, covering a wide range of salt concentrations, temperature and pressure. Y3+ ions penetrate deep into the lipid headgroup region and are coordinated to the phosphate groups, resulting in a stronger lipid packing and partial dehydration of the headgroup region. Increasing Y3+ concentration leads to a pronounced increase of the gel-to-fluid phase transition temperature of the phospholipid bilayers, owing to an increased lateral compression pressure, particularly for anionic lipid membranes. Increased lipid chain order and phase segregation of anionic membranes is fostered at high salt concentrations owing to lipid sorting. The fluid-to-gel phase transition pressure decreases significantly with the concentration of the trivalent ion, most pronounced for the negatively charged lipid vesicles. Remarkably, the Y3+-induced ordering effect is much stronger than a hydrostatic pressure-induced ordering of the lipid chains.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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