Dispersões do fosfolipídio saturado aniônico dimiristoil fosfatidil glicerol (DMPG) têm sido extensivamente estudadas devido ao seu comportamento termo-estrutural muito peculiar. Em baixa força iônica, a transição gel-fluida acontece ao longo de uma faixa de temperatura em torno de 17 ºC, apresentando vários eventos térmicos em seu perfil calorimétrico, bem diferente do pico calorimétrico único em torno de 23 ºC, visto em dispersões de DMPG em alta força iônica. Esta região de temperatura também é caracterizada por apresentar baixa turbidez, alta condutividade elétrica e alta viscosidade. A presente tese teve por objetivo aprofundar os conhecimentos acerca deste peculiar comportamento termoestrutural. Para tanto, a dependência térmica das dispersões foi investigada, em função da concentração lipídica e força iônica, através da técnica de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e medidas de turbidez, condutividade elétrica, viscosidade e mobilidade eletroforética. Além disso, o encapsulamento de sacarose radioativa no volume interno de agregados de DMPG claramente indicou que o DMPG forma vesículas, e não micelas ou bicelas. No entanto, medidas de viscosidade indicaram que as vesículas formadas ao longo da região de transição são certamente diferentes das formadas nas fases gel e fluida. As concentrações lipídicas estudadas variaram de 1 a 50 mM, e dispersões de 10 mM de DMPG foram estudadas em diferentes forças iônicas, de 2 a 250 mM de NaCl adicionado. As propriedades térmicas das dispersões mostraram-se dependentes da concentração lipídica e tal dependência mostrou-se similar à dependência com a força iônica: o aumento de concentração lipídica diminuía a região de transição. A similaridade entre os dois regimes, tanto o aumento de sal quanto da concentração lipídica, foi discutida em termos da correlação com os íons de sódio da dispersão. Através de medidas de condutividade elétrica da amostra e da mobilidade eletroforética de vesículas de DMPG, foi possível calcular a dependência térmica do grau de ionização de vesículas de DMPG, em diferentes concentrações lipídicas e de sal. Mostramos que as vesículas estão mais ionizadas ao longo da região de transição, e menos ionizadas com o aumento de concentração lipídica ou de concentração de sal. Além do aumento na condutividade ao longo da região de transição, foi observado um aumento brusco na condutividade na pré-transição das bicamadas, indicando que ela está relacionada ao começo do processo de fusão das cadeias. Será discutida aqui a relevância da curvatura da bicamada e o grau de ionização no peculiar comportamento térmico de dispersões de DMPG. Vesículas altamente deformadas e ionizadas parecem estar presentes ao longo da região de transição das bicamadas de DMPG, exibindo grandes flutuações de forma e densidade da bicamada. É interessante especular se estas grandes flutuações da bicamada podem ter relevância biológica. / Dispersions of the saturated anionic phospholipid dimyristoyl phosphatidyl glycerol (DMPG) have been extensively studied regarding their peculiar thermo-structural behavior. At low ionic strength, the gel-fluid transition is spread along nearly 17 ºC, displaying several thermal events in the calorimetric profile, quite different from the single sharp peak around 23 ºC found for higher ionic strength DMPG dispersions. This extended transition region is also characterized by low turbidity, high conductivity and high viscosity. The purpose of this thesis was to extend the knowledge about this peculiar thermostructural behavior of DMPG dispersions. Accordingly, the thermal dependence of the dispersions was investigated as a function of lipid and ionic strength concentrations, using several techniques: differential scanning calorimetry (DSC), and measurements of turbidity, electrical conductivity, viscosity and electrophoretic mobility. Moreover, the encapsulation of radioactive sucrose in the internal aqueous volume of DMPG aggregates clearly indicated that DMPG forms vesicles and not micelles or bicelles. However, viscosity measurements indicated that the DMPG vesicles formed along the transition region are certainly different from those formed in the gel and fluid phases. The studied lipid concentrations varied from 1 to 50 mM, and the 10 mM DMPG dispersion was studied at different ionic strengths, from 2 to 250 mM of added NaCl. The thermal properties of the dispersions were shown to be dependent on the lipid concentration, and this dependence was shown to be similar to the dependence on the ionic strength: the increase in lipid or salt concentrations decreased the temperature range of the transition region. The similarity between the two regimes, either the increase in salt or lipid concentration, is discussed here, in the light of their correlation with the concentration of bulk Na+. By measuring the sample electrical conductivity, and the electrophoretic mobility of the DMPG vesicles, it was possible to calculate the temperature dependence of the degree of ionization of DMPG vesicles, at different lipid and salt concentrations. It could be shown that the vesicles are more ionized along the transition region, and less ionized as the lipid or salt concentration increases. Besides the increase in conductivity along the transition region, a sharp increase in conductivity was observed at the pre-transition of the bilayers, indicating that this temperature is related to the beginning of the chain melting process. The relevance of the bilayer curvature and ionization degree to the peculiar thermal behavior of DMPG dispersions Will be discussed here. Highly ionized and deformed vesicles seem to be present along the extended thermal transition of DMPG bilayers, presenting large fluctuations of form and bilayer density. It is interesting to speculate if those large bilayer fluctuations could be biologically relevant.

Dispersões do fosfolipídio saturado aniônico dimiristoil fosfatidil glicerol (DMPG) têm sido extensivamente estudadas devido ao seu comportamento termo-estrutural muito peculiar. Em baixa força iônica, a transição gel-fluida acontece ao longo de uma faixa de temperatura em torno de 17 ºC, apresentando vários eventos térmicos em seu perfil calorimétrico, bem diferente do pico calorimétrico único em torno de 23 ºC, visto em dispersões de DMPG em alta força iônica. Esta região de temperatura também é caracterizada por apresentar baixa turbidez, alta condutividade elétrica e alta viscosidade. A presente tese teve por objetivo aprofundar os conhecimentos acerca deste peculiar comportamento termoestrutural. Para tanto, a dependência térmica das dispersões foi investigada, em função da concentração lipídica e força iônica, através da técnica de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e medidas de turbidez, condutividade elétrica, viscosidade e mobilidade eletroforética. Além disso, o encapsulamento de sacarose radioativa no volume interno de agregados de DMPG claramente indicou que o DMPG forma vesículas, e não micelas ou bicelas. No entanto, medidas de viscosidade indicaram que as vesículas formadas ao longo da região de transição são certamente diferentes das formadas nas fases gel e fluida. As concentrações lipídicas estudadas variaram de 1 a 50 mM, e dispersões de 10 mM de DMPG foram estudadas em diferentes forças iônicas, de 2 a 250 mM de NaCl adicionado. As propriedades térmicas das dispersões mostraram-se dependentes da concentração lipídica e tal dependência mostrou-se similar à dependência com a força iônica: o aumento de concentração lipídica diminuía a região de transição. A similaridade entre os dois regimes, tanto o aumento de sal quanto da concentração lipídica, foi discutida em termos da correlação com os íons de sódio da dispersão. Através de medidas de condutividade elétrica da amostra e da mobilidade eletroforética de vesículas de DMPG, foi possível calcular a dependência térmica do grau de ionização de vesículas de DMPG, em diferentes concentrações lipídicas e de sal. Mostramos que as vesículas estão mais ionizadas ao longo da região de transição, e menos ionizadas com o aumento de concentração lipídica ou de concentração de sal. Além do aumento na condutividade ao longo da região de transição, foi observado um aumento brusco na condutividade na pré-transição das bicamadas, indicando que ela está relacionada ao começo do processo de fusão das cadeias. Será discutida aqui a relevância da curvatura da bicamada e o grau de ionização no peculiar comportamento térmico de dispersões de DMPG. Vesículas altamente deformadas e ionizadas parecem estar presentes ao longo da região de transição das bicamadas de DMPG, exibindo grandes flutuações de forma e densidade da bicamada. É interessante especular se estas grandes flutuações da bicamada podem ter relevância biológica. / Dispersions of the saturated anionic phospholipid dimyristoyl phosphatidyl glycerol (DMPG) have been extensively studied regarding their peculiar thermo-structural behavior. At low ionic strength, the gel-fluid transition is spread along nearly 17 ºC, displaying several thermal events in the calorimetric profile, quite different from the single sharp peak around 23 ºC found for higher ionic strength DMPG dispersions. This extended transition region is also characterized by low turbidity, high conductivity and high viscosity. The purpose of this thesis was to extend the knowledge about this peculiar thermostructural behavior of DMPG dispersions. Accordingly, the thermal dependence of the dispersions was investigated as a function of lipid and ionic strength concentrations, using several techniques: differential scanning calorimetry (DSC), and measurements of turbidity, electrical conductivity, viscosity and electrophoretic mobility. Moreover, the encapsulation of radioactive sucrose in the internal aqueous volume of DMPG aggregates clearly indicated that DMPG forms vesicles and not micelles or bicelles. However, viscosity measurements indicated that the DMPG vesicles formed along the transition region are certainly different from those formed in the gel and fluid phases. The studied lipid concentrations varied from 1 to 50 mM, and the 10 mM DMPG dispersion was studied at different ionic strengths, from 2 to 250 mM of added NaCl. The thermal properties of the dispersions were shown to be dependent on the lipid concentration, and this dependence was shown to be similar to the dependence on the ionic strength: the increase in lipid or salt concentrations decreased the temperature range of the transition region. The similarity between the two regimes, either the increase in salt or lipid concentration, is discussed here, in the light of their correlation with the concentration of bulk Na+. By measuring the sample electrical conductivity, and the electrophoretic mobility of the DMPG vesicles, it was possible to calculate the temperature dependence of the degree of ionization of DMPG vesicles, at different lipid and salt concentrations. It could be shown that the vesicles are more ionized along the transition region, and less ionized as the lipid or salt concentration increases. Besides the increase in conductivity along the transition region, a sharp increase in conductivity was observed at the pre-transition of the bilayers, indicating that this temperature is related to the beginning of the chain melting process. The relevance of the bilayer curvature and ionization degree to the peculiar thermal behavior of DMPG dispersions Will be discussed here. Highly ionized and deformed vesicles seem to be present along the extended thermal transition of DMPG bilayers, presenting large fluctuations of form and bilayer density. It is interesting to speculate if those large bilayer fluctuations could be biologically relevant.

É conhecido que a força iônica do meio desempenha um papel fundamental na estrutura de vesículas aniônicas de DMPG (dimiristoil fosfatidilglicerol) em dispersões aquosas. A baixa força iônica (~ 6 mM), as dispersões de DMPG exibem várias características anômalas, que foram interpretadas como a abertura de poros na bicamada ao longo da larga região de transição de fase gel-fluida (de ~ 18°C a 30°C). Aqui, revisitamos o sistema de DMPG em tampão a baixa força iônica, mas com dispersões obtidas após a extrusão por filtros de 100 nm, portanto menos polidispersas. Para enfatizar as interações eletrostáticas entre as cabeças polares dos lipídios, que não estarão blindadas pela presença de sais na solução, estudamos dispersões de DMPG em água pura, de modo a monitorar os agregados presentes na dispersão, e suas interações. As dispersões em água foram caracterizadas antes e depois da extrusão. Para tal, utilizamos diversas técnicas experimentais, em diferentes temperaturas: espalhamento de luz estático (SLS) e dinâmico (DLS), calorimetria diferencial de varredura (DSC), Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) de marcadores de spin incorporados aos agregados, espalhamento de raios-X a altos e baixos ângulos (WAXS e SAXS), e medidas de viscosidade, turbidez, mobilidade eletroforética e condutividade elétrica. Resultados das várias técnicas com dispersões extrusadas de DMPG em tampão mostraram que o comportamento anômalo é observado de forma similar ao de dispersões não extrusadas. Entretanto, o pico de SAXS em muito baixo ângulo é visto de 5 a 45°C, e não apenas na região de transição de fase, portanto não deve ser modelado como a distância entre poros na bicamada lipídica que se abririam nesta região. A distância de repetição relacionada a este pico diminui na região de transição de fase, e com o aumento da concentração lipídica. Medidas de DSC indicaram que, em água, a região de transição de fase da vesícula de DMPG é ainda mais ampla, começando em torno de 10°C, mas ainda terminando em ~ 30oC. No entanto, a alta condutividade elétrica, viscosidade, mobilidade eletroforética, raio efetivo, e a baixa turbidez, vistas apenas na região de transição de fase do DMPG em tampão, são encontradas até altas temperaturas em água, quando a bicamada lipídica já se encontra na fase fluida. Medidas de RPE e WAXS mostraram a transição da membrana de uma fase mais rígida/imóvel/organizada para uma fase mais frouxa/móvel. Dados de espalhamento de luz, RPE e SAXS mostram que, similar ao DMPG em tampão, em água, o DMPG organiza-se como vesículas esféricas, unilamelares, mas possivelmente menores e mais carregadas, exibindo fortes interações vesícula-vesícula. Nas medidas de SAXS, o pico de Bragg na região de muito baixo ângulo foi visto em todas as temperaturas (de 5 a 60°C), sendo que a distância de repetição diminui para temperaturas maiores do que 10oC. Os resultados obtidos para dispersões em água, reforçam o comportamento anômalo observado anteriormente para dispersões em tampão em baixa força iônica. De acordo com eles, propomos a existência de vesículas altamente deformadas e ionizadas a partir de uma certa temperatura, T1 para o DMPG em água e Tmon em tampão baixa força iônica, sendo que em água a forte repulsão eletrostática PG--PG- levaria a fortes deformações e interações vesícula-vesícula, em uma ampla extensão de temperaturas. / It is known that the ionic strength plays a fundamental role in the structure of DMPG (dimyristoyl phosphatidylglycerol) anionic vesicles in water medium. At low ionic strength (~ 6 mM), DMPG dispersions display several anomalous characteristics, which were interpreted as the opening of bilayer pores along the wide bilayer gel-fluid transition region (from ~ 18°C to 30°C). Here, we revisit DMPG in buffer at low ionic strength, but with dispersions obtained after the extrusion by 100 nm filters, thus less polydisperse. To emphasize electrostatic interactions between the polar head-groups, which will not be shielded by ions in solution, we studied DMPG dispersions in pure water to monitor the aggregates in the dispersion and their interactions. Water dispersions were characterized before and after extrusion. For such, we used several experimental techniques, at different temperatures: light scattering, both static (SLS) and dynamic (DLS); differential scanning calorimetry (DSC); electron spin resonance (ESR) of spin labels incorporated into the aggregates, Small and Wide Angle X-Ray Scattering (SAXS and WAXS); and viscosity, turbidity, electrophoretic mobility and electrical conductivity measurements. Several techniques with extruded dispersions of DMPG in buffer showed that the anomalous behavior is also observed. However, the SAXS peak at very low angles is seen from 5 to 45°C, and not only in the phase transition region, therefore it should not be modeled as the distance of correlated pores in the lipid bilayer that would open in this region. The repeating distance related to this peak decreases in the phase transition region, and with increasing lipid concentration. DSC indicates that, in water, the bilayer gel-fluid transition is even wider, starting around 10oC but still ending ~ 30oC. However, high electric conductivity, viscosity, electrophoretic mobility, effective radius and low turbidity found only in the gel-fluid transition region for DMPG in buffer, are found at higher temperatures in water, when lipid bilayers are already in the fluid state. ESR and WAXS measurements evidenced the transition of the membrane from a more rigid/immobile/organized phase to a more soft/mobile phase. Light scattering, ESR and SAXS data showed that, similar to DMPG in buffer, in water, DMPG is organized as spherical unillamelar vesicles, but possibly smaller, highly charged, displaying strong vesicle-vesicle interactions. With SAXS the Bragg peak at very low angles was seen at all temperatures (from 5 to 60°C) with the repetition distance decreasing at temperatures higher than 10 ° C. The results obtained for water dispersions reinforce the anomalous behavior previously observed for buffer at low ionic strength dispersions. According to them, we propose the existence of highly deformed and ionized vesicles from a certain temperature, T1 for DMPG in water and Tmon in buffer at low ionic strength. In water the strong PG- - PG- electrostatic repulsion would lead to strong deformations and vesicle-vesicle interactions, over a wide range of temperatures.

É conhecido que a força iônica do meio desempenha um papel fundamental na estrutura de vesículas aniônicas de DMPG (dimiristoil fosfatidilglicerol) em dispersões aquosas. A baixa força iônica (~ 6 mM), as dispersões de DMPG exibem várias características anômalas, que foram interpretadas como a abertura de poros na bicamada ao longo da larga região de transição de fase gel-fluida (de ~ 18°C a 30°C). Aqui, revisitamos o sistema de DMPG em tampão a baixa força iônica, mas com dispersões obtidas após a extrusão por filtros de 100 nm, portanto menos polidispersas. Para enfatizar as interações eletrostáticas entre as cabeças polares dos lipídios, que não estarão blindadas pela presença de sais na solução, estudamos dispersões de DMPG em água pura, de modo a monitorar os agregados presentes na dispersão, e suas interações. As dispersões em água foram caracterizadas antes e depois da extrusão. Para tal, utilizamos diversas técnicas experimentais, em diferentes temperaturas: espalhamento de luz estático (SLS) e dinâmico (DLS), calorimetria diferencial de varredura (DSC), Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) de marcadores de spin incorporados aos agregados, espalhamento de raios-X a altos e baixos ângulos (WAXS e SAXS), e medidas de viscosidade, turbidez, mobilidade eletroforética e condutividade elétrica. Resultados das várias técnicas com dispersões extrusadas de DMPG em tampão mostraram que o comportamento anômalo é observado de forma similar ao de dispersões não extrusadas. Entretanto, o pico de SAXS em muito baixo ângulo é visto de 5 a 45°C, e não apenas na região de transição de fase, portanto não deve ser modelado como a distância entre poros na bicamada lipídica que se abririam nesta região. A distância de repetição relacionada a este pico diminui na região de transição de fase, e com o aumento da concentração lipídica. Medidas de DSC indicaram que, em água, a região de transição de fase da vesícula de DMPG é ainda mais ampla, começando em torno de 10°C, mas ainda terminando em ~ 30oC. No entanto, a alta condutividade elétrica, viscosidade, mobilidade eletroforética, raio efetivo, e a baixa turbidez, vistas apenas na região de transição de fase do DMPG em tampão, são encontradas até altas temperaturas em água, quando a bicamada lipídica já se encontra na fase fluida. Medidas de RPE e WAXS mostraram a transição da membrana de uma fase mais rígida/imóvel/organizada para uma fase mais frouxa/móvel. Dados de espalhamento de luz, RPE e SAXS mostram que, similar ao DMPG em tampão, em água, o DMPG organiza-se como vesículas esféricas, unilamelares, mas possivelmente menores e mais carregadas, exibindo fortes interações vesícula-vesícula. Nas medidas de SAXS, o pico de Bragg na região de muito baixo ângulo foi visto em todas as temperaturas (de 5 a 60°C), sendo que a distância de repetição diminui para temperaturas maiores do que 10oC. Os resultados obtidos para dispersões em água, reforçam o comportamento anômalo observado anteriormente para dispersões em tampão em baixa força iônica. De acordo com eles, propomos a existência de vesículas altamente deformadas e ionizadas a partir de uma certa temperatura, T1 para o DMPG em água e Tmon em tampão baixa força iônica, sendo que em água a forte repulsão eletrostática PG--PG- levaria a fortes deformações e interações vesícula-vesícula, em uma ampla extensão de temperaturas. / It is known that the ionic strength plays a fundamental role in the structure of DMPG (dimyristoyl phosphatidylglycerol) anionic vesicles in water medium. At low ionic strength (~ 6 mM), DMPG dispersions display several anomalous characteristics, which were interpreted as the opening of bilayer pores along the wide bilayer gel-fluid transition region (from ~ 18°C to 30°C). Here, we revisit DMPG in buffer at low ionic strength, but with dispersions obtained after the extrusion by 100 nm filters, thus less polydisperse. To emphasize electrostatic interactions between the polar head-groups, which will not be shielded by ions in solution, we studied DMPG dispersions in pure water to monitor the aggregates in the dispersion and their interactions. Water dispersions were characterized before and after extrusion. For such, we used several experimental techniques, at different temperatures: light scattering, both static (SLS) and dynamic (DLS); differential scanning calorimetry (DSC); electron spin resonance (ESR) of spin labels incorporated into the aggregates, Small and Wide Angle X-Ray Scattering (SAXS and WAXS); and viscosity, turbidity, electrophoretic mobility and electrical conductivity measurements. Several techniques with extruded dispersions of DMPG in buffer showed that the anomalous behavior is also observed. However, the SAXS peak at very low angles is seen from 5 to 45°C, and not only in the phase transition region, therefore it should not be modeled as the distance of correlated pores in the lipid bilayer that would open in this region. The repeating distance related to this peak decreases in the phase transition region, and with increasing lipid concentration. DSC indicates that, in water, the bilayer gel-fluid transition is even wider, starting around 10oC but still ending ~ 30oC. However, high electric conductivity, viscosity, electrophoretic mobility, effective radius and low turbidity found only in the gel-fluid transition region for DMPG in buffer, are found at higher temperatures in water, when lipid bilayers are already in the fluid state. ESR and WAXS measurements evidenced the transition of the membrane from a more rigid/immobile/organized phase to a more soft/mobile phase. Light scattering, ESR and SAXS data showed that, similar to DMPG in buffer, in water, DMPG is organized as spherical unillamelar vesicles, but possibly smaller, highly charged, displaying strong vesicle-vesicle interactions. With SAXS the Bragg peak at very low angles was seen at all temperatures (from 5 to 60°C) with the repetition distance decreasing at temperatures higher than 10 ° C. The results obtained for water dispersions reinforce the anomalous behavior previously observed for buffer at low ionic strength dispersions. According to them, we propose the existence of highly deformed and ionized vesicles from a certain temperature, T1 for DMPG in water and Tmon in buffer at low ionic strength. In water the strong PG- - PG- electrostatic repulsion would lead to strong deformations and vesicle-vesicle interactions, over a wide range of temperatures.