Structural analysis of the Γ phase in cholesterol-distearoylphosphatidylcholine multilamellar vesicles

Summary

The interaction of cholesterol with membranes is particularly interesting as the cholesterol concentration influences membrane stability and permeability by inducing changes in the structure and dynamics of the constituent lipid molecules. On the other hand, cholesterol is present in the atherosclerotic plaques and in some skin diseases, like xanthomas and xantelasmas. An investigation was performed on the Γ phase in a cholesterol-distearoyl phosphatidyl choline (DSPC) mixture by using X-ray diffraction and differential scanning calorimetry. The cholesterol/DSPC molar ratio was 35/65 and DSPC-to-water weight ratio was 1/3. The Γ phase appears at sufficiently high concentration of cholesterol and it is characterized by interchain positional order considerably lower than in theL _β′ andP _β′ phases but higher than in theL _∝ liquid crystalline phase of pure lecithin in excess water. The results suggest that a lateral phase separation exists in the temperature range of existence of the Γ phase. The other phase Γ′ appears to be richer in cholesterol. The (Γ+Γ′) toL _∝ phase transition was investigated and the temperature dependence of the in-plane correlation length in the Γ phase was determined. A very weak enthalpy peak was observed at the chain melting transition, confirming the highly disordered nature of phases Γ and Γ′.

Riassunto

L’interazione fra colesterolo e membrana è particolarmente interessante poiché la concentrazione di colesterolo influenza la stabilità e la permeabilità della membrana, inducendo cambiamenti sulla struttura e dinamica dei lipidi che la costituiscono. D’altra parte il colesterolo è presente nelle placche aterosclerotiche e in malattie della pelle quali xantomi e xantelasmi. È presentato uno studio sulla fase Γ di una miscela acquosa di colesterolo e distearoilfosfatidilcolina (DSPC), mediante diffrazione di raggi X e microcalorimetria differenziale. Il rapporto molare colesterolo/DSPC vale 35/65 e il rapporto peso DSPC/acqua è 1/3. La fase Γ appare a concentrazioni di colesterolo abbastanza alte ed è caratterizzata da ordine posizionale fra le catene considerevolmente piú basso che nelle fasiL _β′ eP _β′ ma piú, alto che nella fase liquido-cristallinaL _∝ della pura lecitina in eccesso d’acqua. I risultati suggeriscono che nell’intervallo di temperatura d’esistenza della fase Γ esiste una separazione laterale di fase. La seconda fase (Γ′) appare essere piú ricca di colesterolo. Si studia la transizione della fase (Γ+Γ′) alla faseL _∝ e si determina la dipendenza dalla temperatura della lunghezza di correlazione sul piano (ξ) nella fase Γ. In corrispondenza della transizione di fusione delle catene è osservato un picco calorimetrico con entalpia molto bassa; ciò conferma la natura fortemente disordinata della fasi Γ e Γ′.

Резюме

Взаимодействие холестерола с мембранами представляет особый интерес с точки зрения, как концентрация холестерола влияет на устойчивость и проницаемость мембраны, индуцируя изменения в структуре и динамике молекул, составляющих липид. С другой стороны холестерол присутсвует в атеросклеротических бляшках и в некоторых кожных заболеваниях. Проводится исследование Γ фазы в водной смеси холестерол-DSPC, используя дифракцию рентгеновских лучей и дифференциальную сканирующую калориметрию. Молекулярное отношение холестерол-DSPC составляет 35/36, а отношение весов DSPC-вода составляет 1/3. Γ фаза возникает при достаточной высокой концентрации холестерола и характеризуется позиционным порядком между цепочками более низким, чем в случае фазL _β иP _β но более высоким чем в случае фазы жидкого кристаллаL _∝ для чистого лецитина при избытке воды. Полученные результаты показывают, что поперечное разделение фаз сущестует при температурах, когда существует Γ фаза. Возникает другая Γ′ фаза при более высоких концентрациях холестерола. Исследуется фазовый переход из (Γ+Γ′) фазы вL _∝ фазу. Определяется температурная зависимость длины корреляции в Γ фазе. Обнаружен очень слабьй пик энтальпии при нереходе, связанном с плавлением цепочек, что подтверждает сильно разупорядоченную природу фаз Γ и Γ′.