Im Mittelpunkt der Arbeit stehen Betrachtungen zur Mobilität von epikutan applizierten ESR-Spinsonden, sowie noch weitgehend ungeklärte Fragen zu den Wechselwirkungen zwischen Liposomen und Haut. Dazu gehört vor allem die Frage nach der Integrität von epikutan applizierten Liposomen. Weiterhin wurden die Auswirkungen von Liposomen auf die Flexibilität der intercorneozytären Lipiddoppelmembranen, die Penetration von ESR-Spinsonden unterschiedlicher Hydro-/Lipophilie, sowie die Mobilität von ESR-Spinsonden in der Haut und die Polarität ihrer Mikroumgebung untersucht. Als wichtigste Ergebnisse der Arbeit sind folgende Punkte zu nennen. Liposomen verlieren nach epikutaner Applikation ihre Integrität und bilden auf dem Stratum corneum einen Lipidfilm aus. Dabei nimmt nicht nur der Dispersitätsgrad der Liposomen sondern auch die Flexibilität ihrer Membranen ab. Entgegen der Erwartung führt die epikutane Applikation von liposomalen Zubereitungen nicht zu einer stärkeren Fluidisierung der intercorneozytären Lipiddoppelmembranen als Phosphatpuffer, wohingegen durch Ölsäure eine deutlich stärkere Fluidisierung erreicht wird. Liposomen mit rigiden Membranen führen zu höheren Spinsondenkonzentrationen in der Haut als Liposomen mit fluiden Membranen, und solche aus partialsynthetischen Lipiden führen zu höheren Konzentrationen als Liposomen aus Sojabohnenphospholipiden. Der Vergleich der Penetration von ESR-Spinsonden in die Haut nach epikutaner Applikation von Liposomen mit der Penetration der Spinsonden aus anderen topischen Zubereitungen zeigt, dass eine generelle Aussage zur Penetrationsförderung durch die Anwendung von Liposomen problematisch ist. Es konnte ein Polaritätsprofil der Mikroumgebung von Spinsonden in der Haut erstellt werden, das belegt, dass die Polarität in der Epidermis geringer ist als in der Dermis. Mit zunehmender Inkubationsdauer konnte ein Anstieg der Polartiät in den Hautproben nachgewiesen werden. Die Anwendung eines durch Freed et al. entwickelten Computerprogramms zur Bestimmung von Rotationskorrelationszeiten sich langsam bewegender Moleküle aus Spektren, die mittels spektral-räumlich aufgelöster ESR-Tomografie erhalten wurden, erlaubt die Erstellung von Viskositätsprofilen der oberen Hautschichten in Abhängigkeit von den epikutan applizierten Zubereitungen. Die Bandbreite der ortsabhängig berechneten Rotationskorrelationszeiten von CAT-1 und TEMPOL in der Haut nach epikutaner Applikation der Spinsonden in Liposomen reicht von 5,94 ns bis 1,97 ns. Dies entspricht einer Viskosität der Mikroumgebung von 118 bis 26 mPas. / The present thesis was focused on the mobility of epicutaneously applied ESR spinprobes and open questions concerning the interactions between liposomes and skin e.g. the integrity of liposomes after epicutaneous application. Additionally the effect of liposomes on the flexibility of lipid membranes in the stratum corneum, the penetration of ESR spinprobes with different hydrophilic / lipophilic properties as well as the mobility and polarity of the microsurrounding of ESR spinprobes in the skin were investigated. The main results of the investigations are mentioned in the following. There will be a loss of integrity of epicutaneously applied liposomes and a lipid film will be formed on the stratum corneum. At the same time the degree of dispersity and the flexibility of their membranes decreases. Contrary to the expectation the application of liposomal formulations does not lead to a stronger fluidity of the lipid membranes of the stratum corneum than the incubation of the samples with phosphate buffer, whereas the incubation with oleic acid results in a substantial increase of the fluidity. The application of ESR spinprobes in liposomes with rigid membranes leads to higher spinprobe concentrations in the skin than with liposomes having fluid membranes. At the same time the application of liposomes made from semi-synthetic lipids leads to higher concentrations of the spinprobe in the skin, than the application of liposomes made from soybean phospholipids. The penetration of spin probes into the skin out of liposomes compared to other topical preparations shows, that a general statement concerning the penetration enhancing effect of liposomes is difficult. On using the ESR tomography a polarity profile of the skin was obtained, showing that the polarity in the epidermis is lower than in the dermis. With increasing incubation time of the skin samples the polarity increases. The application of a computer program, developed by Freed et al. in order to determine rotational correlation times for slowly tumbling molecules, to spectra, obtained from spectral-spatially resolved ESR tomography, allowed the establishment of viscosity profiles for the upper skin layers in dependency on the applied formulations. The range of the calculated rotational correlation times of CAT-1 and TEMPOL in the skin reaches from 5.94 ns to 1.97 ns. This corresponds to a viscosity of the spinprobes microsurrounding from 118 to 26 mPas.

Die Lungen werden von einem oberflächenaktiven Gemisch, dem Surfactant ausgekleidet, das für die Regulation der Oberflächenspannung der Alveolen und die Immunabwehr der Lunge von Bedeutung ist. Bestandteile des Surfactants sind zu 90% Lipide und zu 10% vier durchalphabetisierte Surfactantproteine A bis D, von denen SP-A das mengenmäßig häufigste darstellt. Die Funktionen dieses Proteins liegen vermutlich in der Surfactanthomöostase und dabei im Phospholipid-Turnover der Hauptkomponente des Surfactants Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) und als Collektin in der Immunabwehr. In vitro ist die SP-A induzierte, calciumabhängige Liposomenaggregation eine charakteristische Eigenschaft des Proteins. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung von SP-A mit Phospholipidliposomen mit der Resonant Mirror Spektroskopie und der Nah-Infrarot-Lichtstreuung untersucht. Durch den vergleichenden Einsatz der kinetischen Methoden ist es möglich, die Bindung von SP-A an Liposomen von der Aggregationsreaktion zu unterscheiden. Es konnte erstmals gezeigt werden, daß beide Reaktionen von mikromolaren Calciumkonzentrationen abhängig sind, die halbmaximale Reaktion erfolgt bei freien Calciumkonzentrationen < 20 µM. Die Ca2+-induzierte Interaktion zwischen SP-A und Liposomen zeigt eine hohe Kooperativität und ist durch Zugabe von Calciumchelatoren reversibel. Die Dissoziation der Liposomenbindung erfolgt schneller als der Zerfall der Aggregate (0,3 s vs. 30 s). Es sind zwei Konformationen des SP-A zu unterscheiden, eine lipidbindende Form in Gegenwart von Calcium und eine nichtbindende Form. Neben Calcium können auch mikromolare Strontium- und Bariumkonzentrationen die Konformationsänderung induzieren, Magnesium hingegen nicht. Die Liposomenbindung und nachfolgende Aggregation erfolgt bei SP-A von Rind, Ratte und Schaf in gleicher Weise in Abhängigkeit von mikromolaren Calciumkonzentrationen. Die Bindungseigenschaften des SP-A zeigen eine Abhängigkeit von der Art des verwendeten Phospholipids. Dabei zeigt sich eine "Affinität", im Sinne einer verstärkten Wechselwirkung mit DPPC, aber die postulierte Spezifität wurde in der kinetischen Analyse nicht bestätigt. SP-A interagiert bevorzugt mit Phospholipiden, die langkettige, gesättigte Fettsäureseitenketten besitzen (DPPC, Distearoylphosphatidylcholin), sowie mit Phosphatidylcholin und ähnlichen Kopfgruppen (Sphingomyelin, Phosphatidylinositol). Da neben den Kopfgruppen auch die Seitenketten bei der Erkennung durch das Protein bedeutsam sind, liegt nahe, daß die Packungsdichte der Lipidmoleküle in den Liposomen für die Interaktion wichtig ist. Die Ergebnisse werden als reversible, sequentielle Reaktionsfolge interpretiert: Diese ist ein Modell für die mögliche Wirkung von SP-A bei der Surfactanthomöostase, indem das Protein als Lipidtransporter zwischen alveolärer Hypophase und Typ-II-Pneumozyten funktioniert und erklärt, wie SP-A und Liposomen gemeinsam in die Zelle aufgenommen und auf unterschiedlichen Wegen wieder ausgeschleust werden könnten. / Surfactant protein A (SP-A) is crucial for lung function, including tubular myelin formation and lipid uptake by type II pneumocytes. Known properties of SP-A in vitro are ist Ca2+ dependent interaction with phospholipids and ist role in the aggregation of liposomes. To dissect and to analyze these processes, the SP-A was immobilized and liposome binding was measured by resonant mirror technique. Liposome aggregation was followed seperately by kinetic light scattering in suspensions. It was found that SP-A mediated binding and aggregation of liposomes depend on micromolar calcium concentrations in the range of < 20 µM, independent of the species (sheep, rat or cow) and of the phospholipid composition tested. The interaction between SP-A and liposomes shows cooperativity and reversibility. Liposomes dissociate from SP-A in < 0.3 s whereas disaggregation takes approx. 30 s. The interpretation of the results leads to a rapid and reversible reaction of three reactions: a cooperative Ca2+ dependent conformational change in SP-A, binding of Ca2+-bound SP-A to liposomes, and aggregation of the Ca2+/SP-A - bound liposomes. With palmitoyloleoylphosphatidylcholine (POPC), the complex formation proceeds two fold slower compared to DPPC, leading to a lower final equilibrium level of SP-A/lipid interaction. Regarding the phospholipid headgroups, phosphatidylinositol (PI) and sphingomyelin (SM) interact comparable to PC, whole less interaction is seen with phosphatidylethanolamine (PE) or phosphatidylserine (PS) or with phosphatidylglycerol (PG). Thus, both headgroup and fatty acid composition determine SP-A/phospholipid interaction. However, the protein has no high specificity, neither for the polar nor for the apolar moiety of phospholipids.

No description available.

No description available.

Proteolytic processing of the amyloid precursor protein (APP) may lead to the formation of the Abeta peptide, the major constituent of amyloid plaques in Alzheimer`s disease. The full-length APP is a substrate for at least 2 different (alpha and beta) proteases (&amp;quot;secretases&amp;quot;). The beta-secretase, BACE, cleaves APP in the first step of processing leading to the formation of the neurotoxic Abeta. BACE competes for APP with alpha-secretase, which cleaves APP within its Abeta sequence, thus precluding Abeta formation. It is thus important to understand how is the access of the alpha- and beta-secretase to APP regulated and how are the individual activities of these secretases modulated. Both these regulatory mechanisms, access to substrate and direct activity modulation, can be determined by the lipid composition of the membrane. Integral membrane proteins (like APP and BACE), can be viewed as solutes in a two-dimensional liquid membrane, and as such their state, and biological activity, critically depend on the physico-chemical character (fluidity, curvature, surface charge distribution, lateral domain heterogeneity etc.) of the lipid bilayer. These collective membrane properties will influence the activity of embedded membrane proteins. In addition, activity regulation may involve a direct interaction with a specific lipid (cofactor or co-structure function). Interactions of membrane proteins are furthermore affected by lateral domain organization of the membrane. Previous results had suggested that the regulation of the activity of the alpha- and beta-secretases and of their access to APP is lipid dependent, and involves lipid rafts. Using the baculovirus expression system, we have purified recombinant human full-length APP and BACE to homogeneity, and reconstituted them in large (~100nm, LUVs) and giant (10-150microm, GUVs) unilamellar vesicles. Using a soluble peptide substrate mimicking the beta-cleavage site of APP, we have examined the involvement of individual lipid species in modulating BACE activity in LUVs of various lipid compositions. We have identified 3 groups of lipids that stimulate proteolytic activity of BACE: 1.cerebrosides, 2.anionic glycerophospholipids, 3. cholesterol. Furthermore, we have co-reconstituted APP and BACE together in LUVs and demonstrated that BACE cleaves APP at the correct site, generating the beta-cleaved ectodomain identical to that from cells. We have developed an assay to quantitatively follow the beta-cleavage in proteoliposomes, and we have shown that the rate of cleavage in total brain lipid proteoliposomes is higher than in phosphatidylcholine vesicles. We have also studied partitioning of APP and BACE in GUVs between liquid ordered (lo) and liquid disordered (ld) phases. In this system, significant part of the BACE pool (about 20%) partitions into the lo phase, and its partitioning into lo phase can be further enhanced by cross-linking of membrane components. Only negligible fraction of APP can be found in the lo phase. We continue to study the behavior of co-reconstituted APP and BACE in GUVs The work presented in this thesis has yielded some interesting results and raised further questions. One of the important assignments of this project will in the next stage be the characterization of the impact of membrane domain organization on the beta-cleavage. Different domain arrangements that can be hypothesized in cell membranes can be modeled by varying the degree of phase fragmentation in proteoliposomes comprising reconstituted APP and BACE.

Physik gibt es überall dort, wo Materie: Maßnahmen wie Energie, Masse, Temperatur, Geschwindigkeit, Größe und Steifigkeit sind alle Beispiele der physikalischen Eigenschaften. Solche Mengen sind wichtige Charakterisierungen für biologische Organismen: Sie verändern die ganze Zeit während des gesamten Lebenszyklus. Für eine Bio-Mechaniker, Steifigkeit ist eine wichtige Maßnahme zur biologischen Design zu verstehen. Weil biologische Bausteine so klein wie 1 nm (Protein / DNA / Lipid) sein können, sind spezielle Techniken erforderlich, um ihre Steifigkeit zu studieren. Beide Rasterkraftmikroskopie (AFM) und optischen Pinzetten können verwendet werden, um aktiv zu verformen die Objekte an pN-nN Kräfte und messen die Verformung auf Nanometer Längenskalen werden. In dieser Arbeit AFM wird angewandt, um die Mechanik von Influenza-Viren, Liposomen und lebenden Zellen zu studieren. Das Genom von Viren von einer Proteinhülle und in einigen Fällen eine zusätzliche Lipidhülle verpackt. Dieser Verbund Shell hat widersprüchliche Rollen: er hat das virale Genom zu schützen, aber es sollte auch ermöglichen Auspacken während der viralen Infektion in das Genom zu lösen. Influenza-Virus ist das weichste Virus jemals gefunden, aber zur gleichen Zeit eine sehr hartnäckige Virus verursacht jährliche Pandemien. Ein besseres Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Influenza-Virus kann uns helfen zu verstehen, warum das Virus so erfolgreich ist. Die mechanischen Eigenschaften von Influenza-Viren wurden durch AFM gemessen und mit den Liposomen der viralen Lipid hergestellt. Wir haben gefunden, dass die Influenzavirus-Mechanik durch seine Lipidhülle (~ 70%) werden dominiert. In Kapitel 2 haben wir gezeigt, dass anstelle der Verwendung einer starren Proteinkapsid die Lipidhülle ausreicht, um das Influenza virale Genom zu schützen. In Kapitel 3 haben wir weitere blickte in die Funktion des M1 Proteinhülle während der viralen Infektion. Ein Zwischenprodukt Auspacken Schritt wurde durch Messen der in fluenzavirale Steifigkeit bei pH 7, 6, 5,5 und 5, Bedingungen, die die Ansäuerung Umgebungen auf der viralen Infektion nachahmen Stoffwechselweg entdeckt. Der Zwischenschritt wurde weiterhin als wesentlich erwiesen für eine erfolgreiche Infektion. Wir schlagen vor, dass das Influenza-Virus hat sich zu eng synchronisiert die verschiedenen Schritte ihrer Auspacken mit pH-

Proteolytic processing of the amyloid precursor protein (APP) may lead to the formation of the Abeta peptide, the major constituent of amyloid plaques in Alzheimer`s disease. The full-length APP is a substrate for at least 2 different (alpha and beta) proteases (&amp;quot;secretases&amp;quot;). The beta-secretase, BACE, cleaves APP in the first step of processing leading to the formation of the neurotoxic Abeta. BACE competes for APP with alpha-secretase, which cleaves APP within its Abeta sequence, thus precluding Abeta formation. It is thus important to understand how is the access of the alpha- and beta-secretase to APP regulated and how are the individual activities of these secretases modulated. Both these regulatory mechanisms, access to substrate and direct activity modulation, can be determined by the lipid composition of the membrane. Integral membrane proteins (like APP and BACE), can be viewed as solutes in a two-dimensional liquid membrane, and as such their state, and biological activity, critically depend on the physico-chemical character (fluidity, curvature, surface charge distribution, lateral domain heterogeneity etc.) of the lipid bilayer. These collective membrane properties will influence the activity of embedded membrane proteins. In addition, activity regulation may involve a direct interaction with a specific lipid (cofactor or co-structure function). Interactions of membrane proteins are furthermore affected by lateral domain organization of the membrane. Previous results had suggested that the regulation of the activity of the alpha- and beta-secretases and of their access to APP is lipid dependent, and involves lipid rafts. Using the baculovirus expression system, we have purified recombinant human full-length APP and BACE to homogeneity, and reconstituted them in large (~100nm, LUVs) and giant (10-150microm, GUVs) unilamellar vesicles. Using a soluble peptide substrate mimicking the beta-cleavage site of APP, we have examined the involvement of individual lipid species in modulating BACE activity in LUVs of various lipid compositions. We have identified 3 groups of lipids that stimulate proteolytic activity of BACE: 1.cerebrosides, 2.anionic glycerophospholipids, 3. cholesterol. Furthermore, we have co-reconstituted APP and BACE together in LUVs and demonstrated that BACE cleaves APP at the correct site, generating the beta-cleaved ectodomain identical to that from cells. We have developed an assay to quantitatively follow the beta-cleavage in proteoliposomes, and we have shown that the rate of cleavage in total brain lipid proteoliposomes is higher than in phosphatidylcholine vesicles. We have also studied partitioning of APP and BACE in GUVs between liquid ordered (lo) and liquid disordered (ld) phases. In this system, significant part of the BACE pool (about 20%) partitions into the lo phase, and its partitioning into lo phase can be further enhanced by cross-linking of membrane components. Only negligible fraction of APP can be found in the lo phase. We continue to study the behavior of co-reconstituted APP and BACE in GUVs The work presented in this thesis has yielded some interesting results and raised further questions. One of the important assignments of this project will in the next stage be the characterization of the impact of membrane domain organization on the beta-cleavage. Different domain arrangements that can be hypothesized in cell membranes can be modeled by varying the degree of phase fragmentation in proteoliposomes comprising reconstituted APP and BACE.

No description available.

No description available.