German Title: Über den Einfluss von Lipidoxidation auf die Struktur und Funktion von biologischen Membranen

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Abstract

The primary aim of this thesis is to clarify how the structures and functions of biological membranes are influenced by the oxidative damage mediated by free radicals. As a precisely defined model systems, artificially reconstituted lipid membranes (Langmuir monolayers, vesicles, supported membranes, multilamellar membranes) incorporating two oxidized phospholipids bearing aldehyde or carboxyl groups at the end of truncated sn-2 acyl chains were fabricated. By the combination of various experimental methods, the generic impact of chain oxidization on physical characteristics of membranes (e.g. lateral cooperativity, fine-structures perpendicular to membrane planes, electrostatics) and the specific interactions of oxidized phospholipids with EO6 peptides and acute immune response proteins was investigated. In the first step, the influence of oxidized phospholipids (OxPL) on the thermodynamics and electrostatics were investigated using Langmuir film balance at the air-water interface. The pressure-area (π-A) isotherms and surface potential (Δψ-A) measurements implied that both OxPLs lead to a decrease in the isothermal compression modulus. In fact, surface potential measurements suggest changes in the orientation of oxidized moieties that decrease the lateral cooperativity. Further increase in the fraction of oxidized lipids resulted in the loss of molecules into bulk water, which seems consistent with the destabilization of cell membranes under oxidative stresses. In the second step, the impact of lipid oxidization on the electrostatics of membranes was examined by the combination of high-energy specular X-ray reflectivity (XRR) and grazing-incidence X-ray fluorescence (GIXF). The scattering length density profiles reconstructed from XRR results suggested that both OxPL leads to membrane thinning, which seems plausible from the decrease in the lateral cooperativity suggested by Langmuir isotherms. GIXF offers an unique possibility to localize specific target elements within Å accuracy, suggesting that the binding affinity (Ca2+ > Cs+ > K+) could be interpreted in terms of the solvation entropy (Hofmeister series). Further, the impact of oxidization on the vertical structural ordering of vertically stacked membrane models was investigated by off-specular neutron scattering. A decreased lamellar periodicity d indicated that incorporation of OxPL into the membrane displace water molecules from the inter-membrane region due to the reorientation of oxidized moieties. In the third step, the combination of experimental techniques was utilized to shed light on specific interactions of OxPLs with peptides and proteins; C-reactive protein that is characteristic for the acute immune responses and monoclonal antibody EO6 to oxidized lipids. Following the fundamental characterization of membrane-protein interactions using isothermal titration calorimetry (ITC) and dynamic light scattering (DLS) of vesicle suspensions, in addition to XRR, GIXF, off-specular neutron scattering, dual waveguide polarization interferometry (DPI) was used to monitor the changes in thickness, refractive index, and the optical anisotropy (birefringence) of lipid membranes simultaneously. Furthermore, the specific binding of EO6 was verified from the fluorescence imaging of glioblastoma multiforme cells undergoing apoptosis, where a clear accumulation of OxPLs could be identified in apoptotic blebs. The obtained results demonstrated that the combination of well defined membrane models and unique physical techniques is a powerful tool to shed a new quantitative light on the generic and specific impacts of lipid oxidization on the lateral cooperativity, vertical fine-structures, electrostatics, and specific interactions in inflammation and apoptosis.

Translation of abstract (German)

Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von oxidativen Beschädigungen, die durch freie Radikale hervorgerufen werden, auf die Struktur und Funktion biologischer Membranen aufzuklären. Als exakt definierte Modellsysteme wurden Lipidmembranen unterschiedlicher Art hergestellt (Lipidmonolagen, Vesikel, trägergestützte Membranen und vertikal gestapelte Membranmultilagen), die zwei Typen von oxidierten Phospholipiden (OxPL), die entweder eine Aldehyd- oder eine Carboxylgruppe am Ende der sn-2 Acylkette tragen, beinhalten. Mit Hilfe einer Kombination verschiedener experimenteller Verfahren konnten die hervorgerufenen Effekte der Oxidation der Kohlenstoffketten auf die physikalischen Eigenschaften der Membranen (z.B. laterale Kooperativtät, Feinstruktur senkrecht zur Membran, Elektrostatik) und die spezifischen Wechselwirkungen von oxidierten Phospholipiden mit dem EO6 Peptid und einem akuten Protein der immunologischen Abwehrreaktion ermittelt werden. Als Erstes wurden die Auswirkungen oxidierter Phospholipide (OxPL) auf die Thermodynamik und Elektrostatik von Lipidmonolagen an der Wasser-Luft Grenzfläche mittels einer Langmuir-Filmwaage untersucht. Die Ergebnisse der Langmuir-Isothermen und des Oberflächenpotentials implizierten, dass beide oxidierten Phospholipide zu einem sinkenden Kompressionsmodulus führen. Den Messungen des Oberflächenpotentials zufolge basiert die sinkende laterale Kooperativität auf der Veränderung der Orientierung der oxidativen, funktionellen Gruppen. Die Erhöhung des Anteils an OxPL führte zum Verlust von Lipidmolekülen von der Wasser-Luft Grenzfläche in die wässrige Phase, was im Einklang mit der Destabilisierung der Zellmembran unter oxidativem Stress steht. Im zweiten Schritt wurden die Auswirkungen der Lipidoxidation auf die Elektrostatik von Membranen unter Verwendung einer Kombination von hoch-energetischer, spekularer Röntgenreflektometrie (XRR) mit Röntgenfluoreszenz unter streifendem Einfall (GIXF) untersucht. Die rekonstruierten Profile der Streulängendichte aus den XRR Ergebnissen deuteten darauf hin, dass beide OxPL zu einer Verdünnung der Membran führen, was im plausiblen Zusammenhang mit der Abnahme der lateralen Kooperativität steht, die durch die Langmuir-Isothermen suggeriert wurde. GIXF bietet eine einzigartige Möglichkeit, die elementspezifische räumliche Anordnung in der Größenordnung von Ångström zu bestimmen. Die Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die Bindungsaffinität der Ionen (Ca2+ > Cs+ > K+) im Hinblick auf die Solvatationsentropie (Hofmeister-Reihe) interpretiert werden kann. Ferner wurde die Auswirkung der Oxidation auf die strukturelle Anordnung von vertikal gestapelten Membranmodellen durch nicht-spekuläre Neutronenstreuung untersucht. Die Verringerung des lamellaren Abstandes zwischen den Membranen durch Erhöhung des OxPL Anteils zeigte, dass die Veränderung der Orientierung der oxidativen Gruppen zu einer Verdrängung von Wassermolekülen aus dem Zwischenmembranbereich führt. Im dritten Schritt, wurde eine Kombination von experimentellen Techniken verwendet, um über die spezifische Wechselwirkung von OxPL mit Peptiden und Proteinen Aufschluss zu geben; einmal mit dem C-reaktiven Protein (CRP), welches charakteristisch für die akute immunologische Abwehr ist, und außerdem mit dem monoklonalen Antikörper EO6 gegen oxidierte Lipide. Nach der grundlegenden Charakterisierung der Membran-Protein Wechselwirkungen unter Verwendung von isothermer Titrationskalorimetrie (ITC) und dynamischer Lichtstreuung (DLS) von Vesikelsuspensionen, wurde zudem XRR, GIXF, nicht-spekuläre Neutronenstreuung und Dualpolarisationsinterferometrie (DPI) verwendet, um die Änderungen in den Parametern Dicke, Brechungsindex und optischer Anisotropie gleichzeitig zu überprüfen. Ferner wurde die spezifische Bindung von EO6 mittels Fluoreszenzmikroskopie von apoptotischen Gehirntumorzellen (Glioblastoma multiforme) verifiziert, was auf eine Ak-kumulation von OxPLs in apoptotischen Bläschen zurückzuführen ist. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Kombination von exakt definierten Membranmodellen mit einzigartigen, physikalischen Messmethoden ein mächtiges Werkzeug ist, um quantitative Aufschlüsse über allgemeine und spezifische Wirkungen der Lipidoxidation auf die laterale Kooperativität, vertikale Feinstruktur und Elektrostatik sowie über die spezifische Wechselwirkungen bei Entzündungen und Apoptose zu erlangen.