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Charles University, Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmaceutical Technology Author: Zuzana Jarešová Supervisor: PharmDr. Andrej Kováčik, Ph.D. Consultant: PharmDr. Lukáš Opálka, Ph.D. Title of diploma thesis: STUDY OF FREE SPHINGOID BASES IN SKIN BARRIER The skin barrier, localized in the stratum corneum (SC), consists of corneocytes and an intercellular matrix formed from three types of lipids - ceramides, free fatty acids, and cholesterol, represented in an equimolar ratio. The overall arrangement of lipids is organized and highly specialized. Ceramides are structurally formed from the fatty acid acyl attached to a sphingoid base. In minor but not insignificant amounts, free sphingoid bases can also be found in the skin barrier. Several studies show that there is an increased concentration of free sphingoid bases in skin barrier disorders, such as atopic dermatitis. Although it is assumed that the presence of free sphingoid bases affects the skin barrier, it is not elucidated the way of their participation till today. The lack of studies or their diverse results leads us to the main goal of this thesis - to clarify how free sphingoid bases influence the skin barrier. In this work, the model membranes were prepared by the isolation of human SC ex vivo. Sphingosine (S),...

A leishmaniose é uma doença tropical negligenciada causada por diferentes espécies do gênero Leishmania que atinge grande parte da população mais pobre do mundo e sua manifestação visceral, que é fatal se não tratada, tem se alastrado atingindo grandes cidades, aumentando o número de pessoas com risco de infecção. Dentre os medicamentos em uso, está o análogo lipídico sintético hexadecilfosfocolina (miltefosina), administrado oralmente, que age nas membranas celulares do parasita e pode induzir apoptose, mas com modo de ação não totalmente esclarecido. O primeiro local de interação desse fármaco é a membrana celular do parasita, sendo importante o conhecimento da sua forma de interação. Neste trabalho examinamos propriedades de diversos modelos de membrana com diferentes composições, levando em consideração o conhecimento existente sobre a composição da membrana plasmática da Leishmania. Assim, as membranas modelo foram vesículas unilamelares grandes e gigantes (LUVs e GUVs), de fosfolipídios puros, de misturas binárias com fosfolipídios e colesterol e ainda misturas ternárias com ceramida, um esterol presente nas membranas de Leishmania. A interação com a miltefosina foi estudada em diferentes intervalos de concentração do fármaco. Como técnicas principais utilizamos a espectroscopia de fluorescência, estática e resolvida no tempo, a espectroscopia de correlação de fluorescência, microscopia de fluorescência e confocal e imagens por tempo de vida de fluorescência. Observou-se que a interação entre o fármaco e as membranas lipídicas ocorre de diferentes formas, dependendo i) da razão molar entre o fármaco e os lipídios; ii) da concentração real do fármaco, se abaixo ou acima da concentração micelar crítica (CMC); iii) da composição do modelo de membrana e da fase lipídica da bicamada. Em concentrações abaixo da CMC, a miltefosina tem efeito de fluidificação das bicamadas, principalmente quando elas se encontram em na fase gel, mas esse efeito é pouco pronunciado na presença de colesterol, pois esse composto protege a bicamada do efeito do fármaco. Em vesículas de misturas ternárias de fosfolipídio, colesterol e ceramida em alta concentração, não há separação de fases, e a presença de 10 mol% de miltefosina promove a formação de domínios de ceramida; nas vesículas em que a ceramida está em concentração molar mais baixa, formando domínios, a separação de fases fica menos evidente com o acréscimo de miltefosina. Em razões de concentração miltefosina/lipídio elevadas, mas ainda abaixo da CMC, observa-se diminuição no tamanho das vesículas, por formação de agregados de fármaco/lipídio com porções da bicamada. Em concentrações acima da CMC, ocorrem efeitos drásticos com solubilização de partes cada vez maiores da bicamada da membrana, e esses efeitos ocorrem em tempos menores quanto maior a concentração de miltefosina. Portanto, de maneira geral, o colesterol protege a bicamada do efeito da miltefosina, mas o fármaco tem efeito pronunciado em modelos de membrana de misturas ternárias contendo ceramida. Os efeitos variam com a concentração da miltefosina, com aumento da fluidez da bicamada em baixas razões fármaco/lipídios, solubilização de pequenas porções da bicamada e diminuição do tamanho das vesículas em razões maiores, mas ainda abaixo da CMC, e acima da CMC, formação de agregados do fármaco com porções dos lipídios da bicamada e fragmentação da membrana. / Leishmaniasis is a complex of diseases part of the neglected tropical diseases caused by several species of the genus Leishmania. It reaches a large part of the poorest people in the world and its visceral form, which is fatal if left untreated, has been spread around big cities, increasing the number of people at risk of infection. Among the used drugs for the treatment, there is the synthetic lipid analogue hexadecylphosphocholine (miltefosine), orally administrated, which acts in the cell membranes and can induce apoptosis like death, but its mechanism of action is not totally clear. The first interactions site of this drug is the cell membrane, and it is important to know its mechanism of interaction. In this work we explore properties of several membrane models with different compositions, taking into account the existent knowledge about the composition of the Leishmania plasma membrane. Therefore, the model membranes were giant and large unilamellar vesicles (GUVs and LUVs), formed from pure phospholipids, binary mixtures of phospholipids and cholesterol and ternary mixtures with ceramide, a sterol present in the Leishmania membranes. The interaction with miltefosine was studied in different intervals of drug concentration. The main techniques used were the steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy, fluorescence correlation spectroscopy, confocal and fluorescence microscopy and fluorescence lifetime imaging. The interaction depends on i) the molar ratio of drug and lipids; ii) the real concentration of the drug, if it is below or above the critical micelle concentration (CMC); iii) the composition of the model membrane and the lipid phase of the bilayer. In concentration below the CMC, miltefosine has an effect of bilayer fluidization, mainly when it is in a more ordered phase, but this effect is less pronounced in cholesterol presence, because this compound protects the bilayers from the drug effect. In vesicles from ternary mixtures of phospholipid, cholesterol and ceramide in high concentration, there is no phase separation, and the presence of 10 mol% of miltefosine promotes ceramide domains formation; in vesicles in which ceramide is in low concentration, forming domains, the phase separation is less evident with miltefosine addition. In high concentration ratio miltefosine/lipids, but below CMC, it is observed a decrease in vesicles size with drug/lipids aggregates formation from portion of the bilayer. In concentrations above the CMC, drastic effects occur, with solubilization of bigger portions of the membrane bilayer, and the effects occur in lower times for higher drug concentration. Therefore, generally, cholesterol protects bilayer from the effect of miltefosine, but the drug has a pronounced effect in model membranes of ternary mixtures containing ceramide. The effects vary with miltefosine concentration, increasing the bilayer fluidity in lower drug/lipid ratio, solubilization of small portions of the bilayer and decrease of vesicles size in higher ratios, but still below CMC, and above CMC, formation of aggregates of the drug with portions of bilayer lipids, and membrane fragmentation.

Neste trabalho, usamos a técnica de Ressonância Paramagnética Eletrônica em seu modo convencional para o estudo da enzima clorocatecol 1,2-dioxigenase e em seu modo pulsado para o estudo da estrutura dinâmica de biomembranas. Clorocatecol 1,2-dioxigenase é uma enzima que catalisa a clivagem de estruturas aromáticas, como a do clorocatecol, via a a ativação e incorporação de uma molécula de oxigênio e que possui em seu sítio ativo um íon Fe(III). Nossos resultados de CD e atividade enzimática mostram o intervalo de temperaturas entre 20-25 ºC como aquele no qual a enzima apresenta atividade máxima. A maior contribuição para sua estrutura secundária vem de folhas β anti-paralela. A quantificação do número de spin feita por EPR indicou a presença de um íon Fe(III) por molécula de CCD, estando esse íon em estado de spin alto e simetria rômbica, como se depreende da linha estreita em g=4,3. Os parâmetros de desdobramentos de campo zero foram determinados pela medida em função da temperatura da linha em g=4,3, fornecendo λ=E/D=1/3 e D=(1,3±0,2) cm -1. O gráfico de Scatchard construído a partir dos espectros de EPR quando da titulação da enzima com o substrato catecol indicou a presença de um único sítio ligante de catecol, em acordo com a quantificação anterior do metal, e cuja constante de afinidade enzima-substrato é k=(2,7±0,1)x10-6 M. No que tange a EPR pulsado, foram utilizadas as chamadas técnicas modernas de EPR, com ênfase em 2D-ELDOR, para a investigação de diversos aspectos em membranas de interesse biológico. Primeiramente, investigamos a diferenciação entre a fase de líquido ordenado (Lo) e a de líquido cristalino (Lc) em membranas modelo de lipídio puro e lipídio/colesterol (1/1) contendo diferentes marcadores de spin (16-PC, CSL e DPPTC). Aí mostramos que é possível distinguir-se diferentes fases lipídicas apenas por simples inspeção visual dos espectros de 2D-ELDOR de um determinado marcador de spin incorporado à membrana. Além disso, realizamos simulações através do pacote de programas NLSPMC e determinamos as diferenças quantitativas entre as fases lipídicas: o estado de líquido ordenado apresenta maior fluidez e ordenamento na região das cadeias acílicas, ao passo que, na região da cabeça polar, mostra menor ordenamento. Em seguida, estudamos o efeito da presença de colesterol em alta concentração sobre o comportamento da membrana como função da temperatura. Nesse caso, o colesterol atua de maneira a manter a membrana em uma fase altamente ordenada e fluída dentro do intervalo de temperaturas medido, abolindo a transição gel-Lc do lipídio DPPC. Uma tentativa de aplicação de nossa metodologia ao estudo de membranas biológicas foi feita ao estudarmos membranas bleb que são ricas em colesterol. Estas mostram comportamento semelhante àquele observado para as membranas modelo com alta concentração de colesterol, um indicativo da existência de domínios Lo naquelas membranas biológicas. Por fim, estudamos o efeito da presença do peptídeo Gramicidina A\' (GA) sobre a estrutura da membrana de DPPC. Os resultados de 2DELDOR mostram claramente a presença de duas populações de lipídios (\"boundary\" e \"bulk\"). As simulações desses espectros foram as primeiras feitas com espectros contendo duas componentes e com os dados nas formas Sc- e Secsy. Essas mostram que os lipídios \"bulk\" são pouco afetados pela presença de moléculas de GA, ao passo que os lipídios \"boundary\" têm suas cadeias acílicas dobradas na porção terminal em torno das moléculas de GA, mecanismo que suporta a formação de domínios em fase HII na membrana. / In this work, EPR-CW and 2D-FT-EPR are used to study the enzyme chlorocatechol 1,2-dioxygenase and the dynamic structure of biological relevant membranes, respectively. Chlorocatechol 1,2-dioxygenase (CCD) is a non-heme Fe(lIl) enzyme that catalyses the ring cleavage of aromatic compounds like chlorocatechol. The structure stability as a function of the temperature was determined via circular dichroism and catalytic activity assays. The enzyme has its maximum activity at 20-25 ºC. The main contribution to its secondary structure comes from antiparallel Β sheets. The iron content was determined by EPR measurements, indicating the presence of one Fe(llI) per molecule. The Fe(III) ion shows a very narrow line at g=4.3 indicating a high spin state in a rhombic symmetry with λ=E/D=1/3 and D=(1,3±0,2) cm -1. The Scatchard plot based on EPR spectra suggests the existence of one site for substrate binding with a binding constant k=(2,7±0,1)x10-6 M. As for 2D-FT-EPR, the so-called modem EPR techniques, like 2D-ELDOR, were used to investigate several aspects of biologically relevant membranes. Firstly, we determined the differences between the liquid-ordered (Lo) and the liquid-crystalline (Lc) phases in model membranes of pure lipid and of lipid/cholesterol (1/1) mixtures containing different spin labels (16-PC, CSL, and DPPTC). In this case, we show how 2D-ELDOR makes possible the differentiation between Lo and Lc phases just by a pattern recognition scheme. We also performed simulations of those spectra and the results are: the Lo phase shows higher fluidity and ordering in the acyl chain region, whereas it shows lower ordering in the headgroup polar region. After that the membrane behaviour as s function of temperature was studied. We showed that cholesterol maintains the membrane in a highly ordered and fluid structure over the entire range of temperatures, abolishing the gel-Lc phase transition of the lipid DPPC. The biological membrane bleb was the first attempt to apply our methodology to real membranes. The 2D-ELDOR results for bleb membranes indicate the existence of Lo domains in the structure of those membranes. Finally, we studied the effects of the peptide Gramicidin A\' (GA) on the lipid organization of DPPC membranes. The 2D-ELDOR results show very clear two-component spectra (assigned to bulk and ,boundary lipids), which were simulated by the NLSPMC programs. This is the first time that 2D-FT-EPR multi-component spectra are simulated using both the Sc- and Secsy formal. The simulations indicate that the GA molecules do not significantly affect the bulk lipid, whereas the boundary lipids present the end portion of their acyl chain bent towards the GA molecule. This mechanism is probably responsible for the local formation of the HII phase in the membranes.

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.

Esticolisinas I e II (S tI e St II), citolisinas pertencentes à família das actinoporinas, da anêmona Stichodactila heliantus, formam poros em membranas biológicas e modelo onde seu receptor putativo é esfingomielina (SM). A ligação das actinoporinas a membranas ocorre pelo ancoramento da proteína à interface lipídio-água, por uma região rica em resíduos aromáticos. Evidências apontam para o papel fundamental da região N-terminal para formação do poro. O mecanismo proposto para a formação do poro consiste na ligação da toxina à interface membrana-água, oligomerização, e dissociação da região N-terminal do corpo da proteína, cuja α-hélice anfipática interaje com a bicamada, levando à formação de um poro toroidal. Estudos com peptídeos correspondentes à região N-terminal de St II e equinatoxina II (Eqt II) mostraram que estes fragmentos adquirem conformação em α-hélice na presença de membranas modelo, possuindo a capacidade de formar poros em membranas biológicas e modelo, mimetizando o comportamento desta região nas proteínas. St I e St II, que possuem 93% de identidade, apresentam atividades hemolíticas distintas, sendo St II mais ativa. Estudos mostraram que fragmentos da região N-terminal de St I e St II possuem atividades hemolíticas diferentes, e que os primeiros dez resíduos de St II tem papel importante na lise, e na agregação. Para compreender a nível molecular a interação entre o N-terminal das toxinas com membranas e sua dependência da composição lipídica, foram realizados estudos de dicroísmo circular (CD) e ressonância paramagnética eletrônica (EPR) da interação de quatro fragmentos da região N-terminal de St I (St I1-31 e S t I12-31) e St II (St II1-30 e St II11-30) com membranas modelo - bicamadas e micelas. A interação peptídeo-membrana mostrou-ser dependente: da sequência, e da composição lipídica. Espectros de CD mostraram que a ligação dos peptídeos promove aquisição de estrutura helicoidal; em solução os peptídeos possuem essencialmente estrutura ao acaso. O efeito da ligação dos peptídeos sobre a organização molecular dos lipídios foi monitorado por EPR. Os espectros de EPR mostraram que a ligação a bicamadas e micelas leva ao aumento da organização molecular dos lipídios, St II1-30 alterando o empacotamento molecular em maior extensão. A incorporação de lipídios negativamente carregados e de lipídios formadores de microdomínios ordenados aumentou a afinidade dos peptídeos pelas membranas modelo, especialmente em proporções molares onde ocorre a formação desses microdomínios. Os resultados também indicaram que apenas St II1-30 promoveu alterações significativas no espectro de um marcador de spin fosfolipídico marcado em C16 da cadeia acila incorporado em vesículas multilamelares (MLV), sugerindo que apenas este peptídeo penetra na bicamada, enquanto que os demais permanecem preferencialmente na interface. Os peptídeos interagiram de forma diferente com micelas e bicamadas, provavelmente devido a diferenças no empacotamento molecular nos dois sistemas. A interação diferencial dos peptídeos com bicamadas e micelas poderia refletir as interações com a membrana em diferentes etapas da formação do poro toroidal. Considerando a curvatura positiva na parede de um poro toroidal, a interação com micelas poderia estar mimetizando a topografia desse ambiente. / Sticholysins I and II (S tI and St II), belong to the actinoporins family and are produced by the anemone Stichodactila heliantus. The toxins form pores in biological and model membranes, their putative receptor being sphingomyelin (SM). Binding of actinoporins to membranes occurs via anchoring of an aromatic amino acid-rich region to the lipid-water interface. Evidences point to the importance of the N-terminal region for pore formation. The mechanism proposed for pore formation consists of toxin binding to the membrane-water interface, oligomerization, and dissociation of the N-terminus from the body of the protein. Next, the amphipathic α-helix in this region interacts with the bilayer, forming a toroidal pore. Studies of peptides from St II and equinatoxin II (Eqt II) N-terminus showed that they acquire α-helical conformation upon binding to model membranes and form pores in biological and model membranes, thereby mimicking the conformational and functional behavior of this region in the proteins. St I and St II (93% identity) display different hemolytic activity, St II being more active. Studies showed that fragments of St I and St II N-terminus also display different hemolytic activity, and that the first ten residues of St II play are important for lysis and peptide aggregation. In order to understand at the molecular level the N-terminus-membrane interaction, as well as its dependence on lipid composition, circular dichroism (CD) and electron paramagnetic resonance (EPR) studies of the interaction between four fragments of St I (St I1-31 and S t I12-31) and St II (St II1-30 and St II11-30) with model membranes bilayers and micelles - were performed. The interaction was found to depend on peptide sequence, and lipid composition. CD spectra showed that peptide binding promotes acquisition of helical structure. The effect of binding on lipid molecular organization was monitored by EPR. EPR spectra showed that peptide binding to bilayers and micelles leads to an increase of membrane molecular organization, St II1-30 being more effective. Incorporation of negatively charged lipids and of lipids that ordered microdomains increased peptide affinity for model membranes, especially when they were present at molar proportions known to originate such microdomains. It was found that only St II1-30 promoted significant alterations in the spectra of a phospholipid spin-labeled at C16 incorporated in multilamellar vesicles, (MLV), suggesting that while this peptide penetrates in the bilayer, the others remain preferentially at the interface. The peptides interaction with micelles was both qualitatively and quantitatively different than that with bilayers, electrostatic interactions playing a lesser role in this case. One important reason for the observed differences is probably due to differences in molecular packing in both types of aggregates. The differential interaction with bilayers and micelles could reflect the interaction with membranes indifferent steps of toroidal pore formation. Taking into account the positive curvature of a toroidal pore, the interaction with micelles could represent a model for peptide and lipid organization in the toroidal pore

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This study investigated the critical behaviour of ternary mixtures of DOPC and DPPC, with cholesterol. The properties of model membranes such as these are studied in order to provide insight into aspects of complex biological systems. Experiments were performed using the Jeener echo, a static solid-state NMR technique, however no information about the critical phenomena was obtained. Conversely, the sideband linewidths measured from 2H MAS NMR are sensitive to temperature and dependent upon the phase behaviour. By fitting the linewidth data to an equation from Suwelack et al. (J. Chem. Phys., 1980; 73(6):2559-2569), the critical temperature and the critical exponent for the correlation length of the system were calculated. The critical exponent values obtained from these samples ranged between νc = 0.65 and νc = 1.2, which encompasses the critical exponents for both the 2D and 3D Ising models within error. The universality class for these model membranes cannot be unambiguously assigned yet.

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.

Neste trabalho, usamos a técnica de Ressonância Paramagnética Eletrônica em seu modo convencional para o estudo da enzima clorocatecol 1,2-dioxigenase e em seu modo pulsado para o estudo da estrutura dinâmica de biomembranas. Clorocatecol 1,2-dioxigenase é uma enzima que catalisa a clivagem de estruturas aromáticas, como a do clorocatecol, via a a ativação e incorporação de uma molécula de oxigênio e que possui em seu sítio ativo um íon Fe(III). Nossos resultados de CD e atividade enzimática mostram o intervalo de temperaturas entre 20-25 ºC como aquele no qual a enzima apresenta atividade máxima. A maior contribuição para sua estrutura secundária vem de folhas β anti-paralela. A quantificação do número de spin feita por EPR indicou a presença de um íon Fe(III) por molécula de CCD, estando esse íon em estado de spin alto e simetria rômbica, como se depreende da linha estreita em g=4,3. Os parâmetros de desdobramentos de campo zero foram determinados pela medida em função da temperatura da linha em g=4,3, fornecendo λ=E/D=1/3 e D=(1,3±0,2) cm -1. O gráfico de Scatchard construído a partir dos espectros de EPR quando da titulação da enzima com o substrato catecol indicou a presença de um único sítio ligante de catecol, em acordo com a quantificação anterior do metal, e cuja constante de afinidade enzima-substrato é k=(2,7±0,1)x10-6 M. No que tange a EPR pulsado, foram utilizadas as chamadas técnicas modernas de EPR, com ênfase em 2D-ELDOR, para a investigação de diversos aspectos em membranas de interesse biológico. Primeiramente, investigamos a diferenciação entre a fase de líquido ordenado (Lo) e a de líquido cristalino (Lc) em membranas modelo de lipídio puro e lipídio/colesterol (1/1) contendo diferentes marcadores de spin (16-PC, CSL e DPPTC). Aí mostramos que é possível distinguir-se diferentes fases lipídicas apenas por simples inspeção visual dos espectros de 2D-ELDOR de um determinado marcador de spin incorporado à membrana. Além disso, realizamos simulações através do pacote de programas NLSPMC e determinamos as diferenças quantitativas entre as fases lipídicas: o estado de líquido ordenado apresenta maior fluidez e ordenamento na região das cadeias acílicas, ao passo que, na região da cabeça polar, mostra menor ordenamento. Em seguida, estudamos o efeito da presença de colesterol em alta concentração sobre o comportamento da membrana como função da temperatura. Nesse caso, o colesterol atua de maneira a manter a membrana em uma fase altamente ordenada e fluída dentro do intervalo de temperaturas medido, abolindo a transição gel-Lc do lipídio DPPC. Uma tentativa de aplicação de nossa metodologia ao estudo de membranas biológicas foi feita ao estudarmos membranas bleb que são ricas em colesterol. Estas mostram comportamento semelhante àquele observado para as membranas modelo com alta concentração de colesterol, um indicativo da existência de domínios Lo naquelas membranas biológicas. Por fim, estudamos o efeito da presença do peptídeo Gramicidina A\' (GA) sobre a estrutura da membrana de DPPC. Os resultados de 2DELDOR mostram claramente a presença de duas populações de lipídios (\"boundary\" e \"bulk\"). As simulações desses espectros foram as primeiras feitas com espectros contendo duas componentes e com os dados nas formas Sc- e Secsy. Essas mostram que os lipídios \"bulk\" são pouco afetados pela presença de moléculas de GA, ao passo que os lipídios \"boundary\" têm suas cadeias acílicas dobradas na porção terminal em torno das moléculas de GA, mecanismo que suporta a formação de domínios em fase HII na membrana. / In this work, EPR-CW and 2D-FT-EPR are used to study the enzyme chlorocatechol 1,2-dioxygenase and the dynamic structure of biological relevant membranes, respectively. Chlorocatechol 1,2-dioxygenase (CCD) is a non-heme Fe(lIl) enzyme that catalyses the ring cleavage of aromatic compounds like chlorocatechol. The structure stability as a function of the temperature was determined via circular dichroism and catalytic activity assays. The enzyme has its maximum activity at 20-25 ºC. The main contribution to its secondary structure comes from antiparallel Β sheets. The iron content was determined by EPR measurements, indicating the presence of one Fe(llI) per molecule. The Fe(III) ion shows a very narrow line at g=4.3 indicating a high spin state in a rhombic symmetry with λ=E/D=1/3 and D=(1,3±0,2) cm -1. The Scatchard plot based on EPR spectra suggests the existence of one site for substrate binding with a binding constant k=(2,7±0,1)x10-6 M. As for 2D-FT-EPR, the so-called modem EPR techniques, like 2D-ELDOR, were used to investigate several aspects of biologically relevant membranes. Firstly, we determined the differences between the liquid-ordered (Lo) and the liquid-crystalline (Lc) phases in model membranes of pure lipid and of lipid/cholesterol (1/1) mixtures containing different spin labels (16-PC, CSL, and DPPTC). In this case, we show how 2D-ELDOR makes possible the differentiation between Lo and Lc phases just by a pattern recognition scheme. We also performed simulations of those spectra and the results are: the Lo phase shows higher fluidity and ordering in the acyl chain region, whereas it shows lower ordering in the headgroup polar region. After that the membrane behaviour as s function of temperature was studied. We showed that cholesterol maintains the membrane in a highly ordered and fluid structure over the entire range of temperatures, abolishing the gel-Lc phase transition of the lipid DPPC. The biological membrane bleb was the first attempt to apply our methodology to real membranes. The 2D-ELDOR results for bleb membranes indicate the existence of Lo domains in the structure of those membranes. Finally, we studied the effects of the peptide Gramicidin A\' (GA) on the lipid organization of DPPC membranes. The 2D-ELDOR results show very clear two-component spectra (assigned to bulk and ,boundary lipids), which were simulated by the NLSPMC programs. This is the first time that 2D-FT-EPR multi-component spectra are simulated using both the Sc- and Secsy formal. The simulations indicate that the GA molecules do not significantly affect the bulk lipid, whereas the boundary lipids present the end portion of their acyl chain bent towards the GA molecule. This mechanism is probably responsible for the local formation of the HII phase in the membranes.