1989_kumar et al._lysophosphatidylcholine stabilizes small unilamellar phosphatidylcholine vesicles...

8/13/2019 1989_Kumar Et Al._lysophosphatidylcholine Stabilizes Small Unilamellar Phosphatidylcholine Vesicles Phosphorus-31 NMR Evidence for the Wedge Effect

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L y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e s t a b i l i z e s s m a l l u n i l a m e l l a rp h o s p h a t i d y l c h o l i n e v e s i c l e sP h o s p h o r u s - 3 1 NMR e v i d e n c e f o r t h e wedge e f f e c t

V . V . K u m a r , B a r b a r a M a l e w i c z , a n d W o l f g a n g J . BaumannT h e H o r m e l I n s t i t u t e , U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a , A u s t i n , M i n n e s o t a 5 5 9 1 2

ABSTRACT S o n i c a t i o n o f 1 - p a l m i t o y l - 2 -o l e o y l - s n - g l y c e r o - 3 - p h o s p h o c h o l i n e( P O P C ) a n d 1 - p a l m i t o y l - s n - g l y c e r o - 3 -p h o s p h o c h o l i n e ( l y s o P C , up t o - 3 0m o l ) p r o d u c e s s m a l l u n i l a m e l l a r v e s i -c l e s ( S U V , 250-265 A d i a m e t e r . P h o s -p h o r u s - 3 1 NMR o f t h e P O P C / l y s o P Cv e s i c l e s g i v e s r i s e t o f o u r d i s t i n c t p e a k sf o r POPC a n d l y s o P C i n t h e o u t e r a n di n t h e i n n e r b i l a y e r l e a f l e t w h i c h ca n beu s e d t o l o c a l i z e a n d q u a n t i f y t h e p h o s -p h o l i p i d s i n b o t h v e s i c l e s h e l l s . A d d i t i o no f p a r a m a g n e t i c i o n s ( 3 mM P r 3 +

e n h a n c e s o u t s i d e / i n s i d e c h e m i c a l s h i f td i f f e r e n c e s a n d a l l o w s m o n i t o r i n g o fmembrane i n t e g r i t y b y t h e a b s e n c e o fP r 3 + i n t h e v e s i c l e i n t e r i o r . 3 ' P NMRs h o w s t h a t l y s o P C i n t h e s e h i g h l yc u r v e d P O P C / l y s o P C v e s i c l e s p r e f e r st h e o u t er b i l a y e r l e a f l e t . L y s o P C i n c o r -p o r a t i o n i n t o POPC SUV f u r t h e r m o r ec auses a s u b s t a n t i a l a n d c o n c e n t r a -t i o n - d e p e n d e n t d e c r e a s e i n s p i n - s p i nr e l a x a t i o n s ( T 2 * ) o f t h e o u t s i d e POPCp h o s p h o r u s s i g n a l s f r o m 5 5 ms f o rpure POPC v e s i c l e s ( V 1 1 2 , 5 . 8 H z ) t o

2 9 . 5 ms v 1 P 2 , 1 0 . 8 H z ) f o r POPC/l y s o P C v e s i c l e s c o n t a i n i n g 2 5 m o l l y s o P C . O u r f i n d i n g s ar e c o n s i s t e n tw i t h t h e i d e a o f a c o n e - s h a p e d l y s o P Cm o l e c u l e w h i c h , f o r g e o m e t r i c reasons,i s p r e f e r e n t i a l l y accommodated i n t h eo u t e r b i l a y e r l e a f l e t . L y s o P C i n c o r p o r a -t i o n i n t o POPC SUV r e s t r i c t s POPCh e a d g r o u p m o t i o n a n d t i g h t e n s p h o s -p h o l i p i d p a c k i n g , b u t o nl y i n t he o u t e rb i l a y e r s h e l l .

INTRODUCTIONM o l e c u l a r s h a p e i s a n i m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n i n mem-b r a n e m o d e l i n g . B a s e d o n t h e p h y s i c a l d i m e n s i o n o f am e m b r a n e c o m p o n e n t , i t s l o c a t i o n i n t h e m e m b r a n e a n di t s a g g r e g a t e e f f e c t o n m e m b r a n e a r c h i t e c t u r e a n d p r o p -e r t i e s c a n o f t e n b e p r e d i c t e d o r r a t i o n a l i z e d ( s e e a l s oC a r n i e e t a l . , 1 9 7 9 , a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n ) . W h e r e a sh y d r a t e d p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ( P C ) m o l e c u l e s w i t h t h e i ra p p r o x i m a t e l y c y l i n d r i c a l s h a p e r e a d i l y f o r m l a m e l l a rs t r u c t u r e s , l y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ( l y s o P C ) f o r m ss p h e r i c a l m i c e l l e s w h e n d i s p e r s e d i n w a t e r ( S a u n d e r s a n dT h o m a s , 1 9 5 8 ) . T h e m i c e l l a r a r r a n g e m e n t o f l y s o P C i sc o n s i s t e n t w i t h t h e much d i s c u s s e d w e d g e o r i n v e r t e dc o n e s h a p e o f t h e l y s o P C m o l e c u l e ( H a y d o n a n d T a y l o r ,1 9 6 3 ; C u l l i s a n d d e K r u i j f f , 1 9 7 9 ; C a r n i e e t a l . , 1 9 7 9 ) .T h e w e d g e m o d e l c a n a l s o i l l u s t r a t e w h y l y s o P C w h e ni n s e r t e d i n t o p l a n a r p h o s p h o l i p i d b i l a y e r s i n d u c e s s t r u c -t u r a l c h a n g e s w h i c h e v e n t u a l l y l e a d t o l a m e l l a r d i s r u p t i o n( B a n g h a m a n d H o r n e , 1 9 6 4 ) . A l t h o u g h t h e w e d g em o d e l h a s b e c o m e a n a p p e a l i n g c o n c e p t , d i r e c t e x p e r i -m e n t a l e v i d e n c e i n i t s s u p p o r t i s l a c k i n g .

S t u d i e s i n o u r l a b o r a t o r y a n d b y o t h e r s h a v e s h o w nt h a t l y s o P C i n s m a l l u n i l a m e l l a r v e s i c l e s ( S U V ) p r e f e r st h e o u t e r b i l a y e r l e a f l e t ( d e K r u y f f e t a l . , 1 9 7 7 ; v a n d e nB e s s e l a a r e t a l . , 1 9 7 7 ; d e O l i v e i r a F i l g u e i r a s e t a l . , 1 9 7 7 ;A d d r e s s c o r r e s p o n d e n c e t o D r . W o l f g a n g J . B a u m a n n , T h e H o r m e lI n s t i t u t e , U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a , 8 0 1 1 6 t h A v e n u e N . E . , A u s t i n , MN5 5 9 1 2 .

Kumar a n d B a u m a n n , 1 9 8 6 ; Kumar e t a l . , 1 9 8 8 ) . Wenow f o u n d t h a t i n s m a l l u n i l am e l la r P C / l y s o P C v e s i c l e sPC a n d l y s o P C i n b o t h v e s i c l e l e a f l e t s can i n d i v i d u a l l y b er e c o g n i z e d b y 31P n u c l e a r m a g n e t i c r eso n a nc e (NMR),even i n t h e a b s e n c e o f p a r a m a g n e t i c i o n s . T h i s made i tp o s s i b l e t o measure p h o s p h a t i d y l c h o l i n e h e a d g r o u pm o t i o n i n t e r m s o f 31P s p i n - s p i n r e l a x a t i o n s as f u n ct i o n o fP C / l y s o P C r a t i o i n e a c h v e s i c l e s h e l l .

MATERIALS AND METHODSI - P a l m i t o y l - 2 - o l e o y l - s n - g l y c e r o - 3 - p h o s p h o c h o l i n e ( P O P C ) a n d 1 - p a l -m i t o y l - s n - g l y c e r o - 3 - p h o s p h o c h o l i n e ( l ys oP C) w e r e o b t a i n e d f r o mA v a n t i P o l a r L i p i d s ( B i r m i n g h a m , A L ) ; b o t h w e r e p u r e a s j u d g e d b yt h i n - l a y e r c h r o m a t o g r a p h y ( d e v e l o p i n g s o l v e n t , C H C 1 3 / C H 3 O H / H 2 0 ,6 5 : 3 5 : 8 , b y v o l ) . POPC a n d l y s o P C w e r e c h a r a c t e r i z e d b y 1 3 C NMR,u s i n g C D C 1 3 / C D 3 O D / D 2 0 , 5 0 : 5 0 : 1 5 ( b y v o l ) a s s o l v e n t t o a s s u r em o n o m e r i c d i s t r i b u t i o n ( M u r a r i a n d B a u m a n n , 1 9 8 1 ; M u r a r i e t a l . ,1 9 8 2 ) .V e s i c l e s w e r e p r e p a r e d b y s o n i c a t i o n a f t e r a m o d i f i c a t i o n o f e s t a b -l i s h e d p r o c e d u r e s ( H u a n g , 1 9 6 9 ; H u a n g a n d T h o m p s o n , 1 9 7 4 ) . POPCa n d l y s o P C ( 0 . 2 5 mmol t o t a l ) i n a p p r o p r i a t e p r o p o r t i o n w e r e d i s s o l v e di n 1 5 m l o f C H C 1 3 / C H 3 0 H ( 2 : 1 ) , u s i n g a 5 0 - m l r o u n d b o t t o m f l a s k , a n dt h e s o l v e n t w a s s l o w l y r e m o v e d a t r o o m t e m p e r a t u r e o n a r ot a r ye v a p o r a t o r . T h e f i l m w a s d r i e d i n h i g h v a c u u m f o r a t l e a s t 6 h a n d t h e nh y d r a t e d i n a t o t a l o f 2 . 5 m l o f b u f f e r ( 2 0 mM T r i s / H C I , pH 7 . 4 , 1 5 0mM N a C l , 0 . 0 0 1 N a N 3 ) . F o r t h i s p u r p o s e , t h e f i l m w a s s l o w l ys u s p e n d e d i n 0 . 5 - m l p o r t i o n s o f b u f f e r b y g e n t l y s w i r l i n g t h e s t o p p e r e df l a s k u n d e r n i t r o g e n f o r 1 0 m i n , a n d t h e m i l k y d i s p e r s i o n w a s t r a n s -f e r r e d i n t o a s o n i c a t i o n v i a l . T h e p r o c e s s w a s r e p e a t e d u n t i l t h e l i p i d f i l mw a s q u a n t i t a t i v e l y s u s p e n d e d . T h e d i s p e r s i o n w a s s o n i c a t e d f o r 2 0 m i ni n a n i c e - b a t h u n d e r a g e n t l e s t r e a m o f n i t r o g e n u s i n g a p r o b e- ty pe

B i o p h y s . J . a B i o p h y s i c a l S o c i e t yV o l u m e 5 5 A p r i l 1 9 8 9 789-792~~~ ~ ~~~~00 49/90/8/4 0 0 0 0 6 - 3 4 9 5 / 8 9 / 0 4 / 7 8 9 / 0 4 2 . 0 0 7 8 9


2/4

s o n i c a t o r ( m o d e l 3 5 0 t i p s o n i c a t o r ; o u t pP o w e r C o . , D a n b u r y , C T ) . D e b r i s w a s r i( 1 0 C ; m o d e l L 5 - 7 5 c e n t r i f u g e ; T 5 0 r o t o iF u l l e r t o n , C A ) . T h e v e s i c l e s w e r e c h a r a ct r o n m i c r o s c o p y a f t e r n e g a t i v e s t a i n i n gd e s c r i b e d p r e v i o u s l y ( K u m a r e t a l . , 1 9 8 8 )

P h o s p h o r u s - 3 1 NMR s p e c t r a w e r e r e c oF T - 8 0 A p u l s e F o u r i e r t r a n s f o r m NMR i nI n c . , P a l o A l t o , CA) e q u i p p e d w i t h a b r im e a s u r e d a t 3 7 1 C i n 1 0 mm ( o . d . ) sa rd e c o u p l e d c o n d i t i o n s u s i n g i d e n t i c a l i n s t r u4 K Hz s w e e p w i d t h , 8 K d a t a p o i n t s ) . L iw e r e m e a s u r e d on s p e c t r a o b t a i n e d i n t h eF o u r i e r t r a n s f o r m i n g t h e a c c u m u l a t e dw i t h o u t a p p l y i n g e x p o n e n t i a l l i n e b r o a d e id o n e on a t l e a s t t w o s a m p l e p r e p a r a t i o n s .

RESULTS A ND DISCUSSIONU p o n h y d r a t i o n a n d s o n i c a t i o n , n2 - o l e o y l - s n - g l y c e r o - 3 - p h o s p h o c h om i t o y l - s n - g l y c e r o - 3 - p h o s p h o c h o l iu n i l a m e l l a r v e s i c l e s o v e r a w i d e :( u p t o - 3 0 m o l l y s o P C ) . T h e vs i z e ( 2 6 5 3 5 A ) , a n d v e s i c l e s i z el y s o P C c o n c e n t r a t i o n . P O P C / 1 :f o u r d i s t i n c t p e a k s i n p h o s p h o r u

A P c .40.1 P C I

a 9 . .

LPC

L P C 440-5

41 40 PPM

F I G U R E 1 . 3 2 . 2 - M H z 3 ' P NMR s p e c t r ag l y c e r o - 3 - p h o s p h o c h o l i n e / l - p a l m i t o y l - s( P O P C / l y s o P C , 7 5 : 2 5 m o l ) s m a l l u n i la b s e n c e a n d ( B ) p r e s e n c e o f 3 mM P r 3 + .a n d i n n e r ( L P C , ) b i l a y e r l e a f l e t s a n d P Ci n n e r ( P C , ) l e a f l e t s w e r e a s s i g n e d b a s ec h e m i c a l s h i f t s w i t h a n d w i t h o u t P r 3 . T cw e r e o b t ai ne d b y F o u r i e r t r a n s f o r m i n g t It r a n s i e n t s f o r A , 2 5 , 0 0 0 f o r B ) w i t h o ub r o a d e n i n g .

) u t s e t t i n g , 4 ; B r a n s o n S o n i c A). T h e s i g n a l s a t 40.1 ppm( P C . ) a n d 40.5 ppm( L P C . ) ,e m o v e d a t 1 0 5 , I t g f o r I h r e s p e c t i v e l y , were assigned to POPC a n d lysoPC i n th ec t e r i z e d by t r a n s m i s s i o n e l e c - outer bilayer l e a f l e t ; th e signals at 39.9 ppm(PCj) anda n d after f r e ez e- f r ac t ur e a s 4 0 . 4 pp m ( L P C Q ) w e r e a s s i g n e d t o POPC a n d l y s o P C i nt h e i n n e r v e s i c l e s h e l l . Th e c h e m i c a l s h i f t d i f f e r e n c ei r d e d a t 3 2 . 2 MHz on a m o d e l bet ween t h e lysoPC s i g n a l a n d th e respective POPCi s t r u m e n t ( V a r i a n A s s o c i a t e s , si g n a l ( 0 . 4 - 0 . 5 ppm i n POPC/lysoPCSUVs similar too a d b a n d probe. Spectra were thatreportedforotherPC/lysoPC Brasurem p l e t u b e s u n d e r p r o t o n n o i s eu m e n t s e t t i n g s ( 9 0 0 f l i p a n g l e , a l * , 1978; Roberts e t al, 1979 . The separation which wei n e w i d t h s a t h a l f h e i g h t P i / 2 n ow o b s e r v e d b e t w e e n t h e o u t s i d e l y s o P C s i g n a l a n d t h ea b s e n c e o f l a n t h a n i d e i o n s b y i n s i d e lysoPC s i g n a l ( A P 0 . 1 ppm) i s s i m i l a r i n magn i t udef r e e i n d u c t i o n d e c a y ( F I D ) to that observed between outsidePOPCand inside POPC

l i n g . All measurements were ( A P 0 . 2 ppm; B e r d e n e t a l . , 1 9 7 4 ) . C h e m i c a l s h i f t d i f f e r -e n c es b e t w e e n o u t s i d e p h o s p h o l i p i d s i g n a l s and i n s i d ep h o s p h o l i p i d s i g n a l s a r e l i k e l y t o r e f l e c t d i f f e r e n c e s i np h o s p h o l i p i d h e a d g r o u p c o n f o r m a t i o n s d u e t o d i f f e r e n tp a c k i n g r e q u i r e m e n t s ( H u a n g a n d M a s o n , 1 9 7 8 ) i n t h e

n i x t u r e s o f 1 - p a l m i t o y l - o u t e r a n d t h e i n n e r l e a f l e t o f t h e s e h i g h l y c u r v e dl i n e ( P O P C ) a n d 1 - p a l - b i l a y e r s .i n e ( l y s o P C ) f o r m s m a l l U p o n a d d i t i o n o f P r 3 ( 3 mM) t o t h e P O P C / l y s o P Crang e o f c o n c e n t r a t i o n s v e s i c l e s , t h e o u t s i d e s i g n a l s w e r e s h i f t e d d o w n f i e l dr e s i c l e s w e r e u n i f o r m i n ( AP 5.3-5.7 p p m ; se e F i g 1 B ) . Th is n o t o n l y v e r i f i e dwas i n d e p e n d e n t o f t h e a s s i g n m e n t o f p e a k s b u t a l s o f a c i l i t a t e d q u a n t i t a t i o n o fy s o P C v e s i c l e s s h o w e d b o t h p h o s p h o l i p i d s i n e a c h b i l a y e r l e a f l e t . I n v e s i c l e ss - 3 1 NMR e . g . , F i g . 1 c o n t a i n i n g u p t o 2 5 mol l y s o P C , t h e r e w a s n o c h a n g e i nc h e m i c a l s h i f t , s i g n a l i n t e n s i t y , or l i n e s h a p e f o r s e v e r a l

w e e k s , i n d i c a t i n g t h a t membrane i n t e g r i t y and b a r r i e rp r o p e r t i e s w e r e m a i n t a i n e d .P C O We f o u n d t h a t w i t h i n c r e a s i n g l y s o P C m o l e percentagei n POPC/lysoPC SUV, l y s o P C i n t h e outer l e a f l e ta e . 9 i n c r e a s e d s h a r p l y a t t h e expense o f o u t s i d e POPC.W h e r e a s t h e l y s o P C o u t s i d e - t o - i n s i d e r a t i o R . 1 1 ) at 2 . 5mol l y s o P C was 3 . 5 , i t rose t o 6 . 5 a t 2 5 mol l y s o P C .

O u r e x p e r i m e nt a l d a t a a r e i n e x c e l l e n t ag reement w i t ht h e l y s o P C o u t s i d e / i n s i d e r a t i o s p r e d i c t e d b y C a r n i e e t a l .( 1 9 7 9 ) basedon theoretical considerations.The s i g n a l s e p a r a t i o n w h i c h we observed i n th e p h o s -

phorus spect ra ofthePOPC/lysoPC vesicles, even in theM I 0 1 a b s e n c e o f p a r a t m a g n e t i c i o n s ( F i g . 1 A ) , made i t p o s s i b l e40.4 t o measure h a l f - h e i g h t l i n e w i d t h s v I / 2 ) a n d t o c a l c u l a t espin-spin relaxation times ( T * ) of the outside and the1 | ~ insidePOPCp h os p h o r u s . Fig. 2 i l l u s t r a t e s that, t h r o u g h -o u t t h e e n t i r e r a n g e , T * f o r t h e i n s i d e POPC s i g n a lr e m a i n e d c o n s t a n t P 1 / 2 , 7 . 2 H z ; T i , 44 m s ) . However,t h e s p i n s p i n r e l a x a t i o n s o f t h e o u t si d e POPC p h o s p h o r u s

o f I - p a l m i t o y l - 2 - o l e o y l - s n - s h o w e d a s h a r p d e c r e a s e f r o m 55 ms P i / 2 , 5 . 8 Hz ) f o rr n - g l y c e r o - 3 - p h o s p h o c h o l i n e purePOPCvesicles to 29.5 ms v I / 2 , 10.8 Hz for POPC/l a m e l l a r v e s i c l e s i n t h e ( A ) lysoPC vesicles containing 25mol lysoPC.BecauseLysoPC in t h e o u t e r (LPC0) t h e s e u n i l a m e l l a r v e s i c l e s c o n t a i n i n g d i f f e r e n t m o l e p e r -PC in the outer (PC.) andA on s i g n a l i n t e n s i t i e s a n d c e n t a g e s o f l y s o P C d i d n o t d i f f e r i n s i z e , l i n e b r o a d e n i n g

3 o p t i m i z e r e s o l u t i o n , s p e c t r a d u e t o d i f f e r e n c e s i n t h e rates o f r o t at i on a l d i f f u s i o n canh e a c c u m u l a t e d FI D ( 1 5 , 0 0 0 be r u l e d out. Hence, t h e decrease i n T values mustbet a pp ly i n g exponential line e x p l a i n e d i n terms o f i n c r ea s e d m o t i o n a l c o n s t r ai n ts t h a t

ar e e x e r t e d on t h e POPC m o l e c u l e s i n t h e o u t e r s h e l l a t

7 9 0 B i o p h y s i c a l J o u r n a l Volume 55 A p r i l 19897 9 0 B i o p h y s i c a l J o u r n a l V o l u m e 5 5 A p r i l 1 9 8 9


3/4

5 0 s m a l l u n i l a m e l l a r ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ v e s i c l e s0 ) 45E

I n s i d e l e a f l e t40I - 4o _350 ~

3 0 o u t s i d e l e a f l e t

5 1 0 1 5 20 25mol LysoPC

F I G U R E 2 3 ' P s p i n - s p i n r e l a x a t i o n t i m e s ( T * ) o f POPC i n t h e o u t s i d el e a f l e t ( o ) a n d i n t h e i n s i d e l e a f l e t l e a f l e t ( @ ) o f s m a l l u n i l a m e l l a rp h o s p h a t i d y l c h o l i n e / l y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e v e s i c l e s a s f u n c t i o n o ft o t a l l y s o P C m o l e p e r c e n t a g e . T ? v a l u e s w e r e c a l c u l a t e d f r o m l i n e -w i d t h s a t h a l f - h e i g h t v P / 2 ) o f r e s p e c t i v e POPC p h o s p h o r u s s i g n a l sm e a s u r e d i n t h e a b s e n c e o f P r 3 e . g . , F i g . 1 A ; t w o u p f i e l d s i g n a l s ) .h i g h e r l y s o P C m o l e p e r c e n t a g e s . T h e f a c t t h a t POPC i nt h e o u t e r l e a f l e t a n d i n t h e i n n e r l e a f l e t r e s p o n d d i f f e r -e n t l y c o r r o b o r a t e s t h i s i n t e r p r e t a t i o n .I t i s f u r t h e r m o r e o f i n t e r e s t t o n o t e t h a t t h e a s y m p t o t i cd e c l i n e i n o u t s i d e POPC T * v a l u e s , w h i c h we o b s e r v e dw i t h i n c r e a s i n g l y s o P C m o l e p e r c e n t a g e ( F i g . 2 ) , c o r r e -l a t e s w e l l w i t h t h e c o n c o m i t a n t d e c l i n e i n m e a s u r e d

300 POPC/LysoPCs m a l l u n i l a m e l l a rc c 2 5 v e s i c l e s

0 . 20- JO 1 50 .0a . 1 0w ~ outside l e a f l e t0

5 1 0 1 5 2 0 2 5mol LysoPC

F I G U R E 3 R a t i o o f P O P C - t o - l y s o P C i n t h e o u t e r b i l a y e r l e a f l e t o f s m a l lu n i l a m e l l a r p h o s p h a t i d y l c h o l i n e / l y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e v e s i c l e s a sf u n c t i o n o f t o t a l l y s o P C m o l e p e r c e n t a g e . R a t i o s w e r e d e r i v e d f r o m 3 ' PNMR m e a s u r e m e n t s o n r e s p e c t i v e P O P C / l y s o P C S UV ( 2 6 5 3 5 Ad i a m e t e r ) i n t h e p r e s e n c e o f P r 3 e . g . , F i g . 1 B , t w o d o w n f i e l d s i g n a l s ) .Q u a n t i t a t i o n w a s b y i n t e g r a t i o n o f r e s p e c t i v e p e a k a r e a s , a n d a l s o b yc u t t i n g a n d w e i g h i n g .

P O P C / l y s o P C r a t i o s i n t h e o u t e r l e a f l e t o f t h e s e POPC/l y s o P C v e s i c l e s ( F i g . 3 ) . T h i s c o r r e l a t i o n i s a l s o c o n s i s t e n tw i t h o u r i n t e r p r e t a t i o n .O u r d a t a s h o w t h a t i n c o r p o r a t i o n o f l y s o P C i n t o t h eo u t e r b i l a y e r l e a f l e t o f s m a l l u n i l a m e l l a r POPC v e s i c l e ss i g n i f i c a n t l y r e s t r i c t s h e a d g r o u p m o t i o n o f P O P C . I n t h i si n s t a n c e , t h e l y s o p h o s p h o l i p i d w e d g e d o e s n o t d i s r u p tt h e l a m e l l a r p h o s p h o l i p i d a r r a y , a s i t d o e s i n p l a n a rb i l a y e r s , b u t a c t u a l l y t i g h t e n s i t , a p p a r e n t l y b y f i l l i n g t h eg a p s b e t w e e n t h e t i l t e d POPC c y l i n d e r s . W h e t h e r t h el y s o P C w e d g e d i s r u p t s o r s t a b i l i z e s a l a m e l l a r a r r a n g e -m e n t i s t h e r e f o r e c l e a r l y a f u n c t i o n o f c u r v a t u r e . I t i st e m p t i n g t o p o s t u l a t e t h a t l y s o P C may n o t o n l y s t a b i l i z eh i g h l y c u r v e d b i l a y e r r e g i o n s , b u t may a c t u a l l y i n d u c ef o r m a t i o n o f s u c h r e g i o n s . V a r i o u s e n d o c y t o t i c a n d f u s i o np h e n o m e n a may b e f a v o r e d b y s u c h a m e c h a n i s m .We t h a n k Wayne H . A n d e r s o n f o r e l e c t r o n m i c r o s c o p y a n d K a r a n S .C r i l l y f o r t e c h n i c a l a s s i s t a n c e .T h i s s t u d y w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y U n i t e d S t a t e s P u b l i c H e a l t h S e r v i c eR e s e a r c h G r a n t HL 0 8 21 4 f r o m t h e P r o g r a m P r o j e c t s B r a n c h , E x t r a -m u r a l P r o g r a m s , N a t i o n a l H e a r t , L u n g , a n d B l o o d I n s t i t u t e , a n d b y t h eH o r m e l F o u n d a t i o n .

R e c e i v e d f o r p u b l i c a t i o n 2 6 A u g u s t 1 9 8 8 a n d i n f i n a l f o r m 2 9N o v e m b e r 1 9 8 8 .

REFERENCESB a n g h a m , A . D . , a n d R . W. H o r n e . 1 9 6 4 . N e g a t i v e s t a i n i n g o f

p h o s p h o l i p i d s a n d t h e i r s t r u c t u r a l m o d i f i c a t i o n b y s u r f a c e - a c t i v ea g e n t s a s o b s e r v e d i n t h e e l e c t r o n m i c r o s c o p e . J . M o l . B i o l . 8 : 6 6 0 -6 6 8 .B e r d e n , J . A . , P . R . C u l l i s , D . I . H o u l t , A . C . M c L a u g h l i n , G . K . R a d d a ,a n d R . E . R i c h a r d s . 1 9 7 4 . F r e q u e n c y d e pe n de n ce o f 3 1 P NMRl i n e w i d t h s i n s o n i c a t e d p h o s p h o l i p i d v e s i c l e s : e f f e c t s o f c h e m i c a l s h i f ta n i s o t r o p y . F E B S ( F e d . E u r . B i o c h e m . S o c . ) L e t t . 4 6 : 5 5 - 5 8 .B r a s u r e , E . B . , T . 0 . H e n d e r s o n , T . G l o n e k , N . M. P a t t n a i k , a n d A . M.

S c a n u . 1 9 7 8 . A c t i o n o f a - p h o s p h o l i p a s e A 2 o n h u m a n s e r u m h i g hd e n s i t y l i p o p r o t e i n - 3 : k i n e t i c s t u d y o f t h e r e a c t i o n b y 3 1 P n u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c e s p e c t r o s c o p y . B i o c h e m i s t r y . 1 7 : 3 9 3 4 - 3 9 3 8 .C a r n i e , S . , J . N . I s r a e l a c h v i l i , a n d B . A . P a i l t h o r p e . 1 9 7 9 . L i p i d p a c k i n ga n d t r a n s b i l a y e r a s y m m e t r i e s o f m i x e d l i p i d v e s i c l e s . B i o c h i m . B i o -p h y s . A c t a . 5 5 4 : 3 4 0 - 3 5 7 .

C u l l i s , P . R . , a n d B . d e K r u i j f f . 1 9 7 9 . L i p i d p o l y mo r ph i sm a n d t h ef u n c t i o n a l r o l e s o f l i p i d s i n b i o l o g i c a l m e m b r a n e s . B i o c h i m . B i o p h y s .A c t a . 5 5 9 : 3 9 9 - 4 2 0 .

d e K r u y f f , B . , A . M . H . P . v a n d e n B e s s e l a a r , a n d L . L . M. v a n D e e n e n .1 9 7 7 . O u t s i d e - i n s i d e d i s t r i b u t i o n a n d t r a n s l o c a t i o n o f l y s o p h o s p h a t i -d y l c h o l i n e i n p h o s p h a t i d y l c h o l i n e v e s i c l e s a s d e t e r m i n e d b y 1 3 C -NMR u s i n g ( N - ' 3 C H 3 ) - e n r i c h e d l i p i d s . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a .4 6 5 : 4 4 3 - 4 5 3 .

d e O l i v e i r a F i l g u e i r a s , 0 . M . , A . M. H . P . v a n d e n B e s s e l a a r , a n d H . v a nd e n B o s c h . 1 9 7 7 . D i s t r i b u t i o n o f l y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e i n s i n g l e

K u m a r e t a l . L y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e Wedge E f f e c t 7 9 1


4/4

b i l a y e r v e s i c l e s p r e p a r e d w i t h o u t s o n i c a t i o n . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a .4 7 1 : 3 9 1 - 4 0 0 .H a y d o n , D . A . , a n d J . T a y l o r . 1 9 6 3 . T h e s t a b i l i t y a n d p r o p e r t i e s o fb i m o l e c u l a r l i p i d l e a f l e t s i n a q u e o u s s o l u t i o n s . J . T h e o r . B i o l . 4 : 2 8 1 -2 9 6 .H u a n g , C . 1 9 6 9 . S t u d i e s o n p h o s p h a t i d y l c h o l i n e v e s i c l e s . F o r m a t i o na n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s . B i o c h e m i s t r y . 8 : 3 4 4 - 3 5 2 .H u a n g , C . , a n d J . T . M a s o n . 1 9 7 8 . G e o m e t r i c p a c k i n g c o n s t r a i n t s i n e g g

p h o s p h a t i d y l c h o l i n e v e s i c l e s . P r o c . N a t l . A c a d . S c i . U S A . 7 5 : 3 0 8 -3 1 0 .H u a n g , C . , a n d T . E . T h o m p s o n . 1 9 7 4 . P r e p a r a t i o n o f h o m o g e n e o u s ,s i n g l e - w a l l e d p h o s p h a t i d y l c h o l i n e v e s i c l e s . M e t h o d s E n z y m o l .

3 2 : 4 8 5 - 4 8 9 .K u m a r , V . V . , a n d W. J . B a u m a n n . 1 9 8 6 . B i l a y e r a s y m m e t r y i nl y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e / c h o l e s t e r o l ( 1 : 1 ) v e s i c l e s . A p h o s p h o r u s - 3 1NMR s t u d y . B i o c h e m . B i o p h y s . R e s . C o m m u n . 1 3 9 : 2 5 - 3 0 .K u m a r , V . V . , W. H . A n d e r s o n , E . W. T h o m p s o n , B . M a l e w i c z , a n d W.J . B a u m a n n . 1 9 8 8 . A s y m m e t r y o f l y s o p h o s p h a t i d y l c h o l i n e / c h o l e s -

t e r o l v e s i c l e s i s s e n s i t i v e t o c h o l e s t e r o l m o d u l a t i o n . B i o c h e m i s t r y .2 7 : 3 9 3 - 3 9 8 .

M u r a r i , R . , a n d W. J . B a u m a n n . 1 9 8 1 . Q u a d r u p o l a r ' 3 C - N c o u p l i n g sa n d ' 4 N r e l a x a t i o n s i n a g g r e g a t e d a n d n o n a g g r e g a t e d c h o l i n e p h o s -p h o l i p i d s . J . Am. C h e m . S o c . 1 0 3 : 1 2 3 8 - 1 2 4 0 .

M u r a r i , R . , M. M. A . A b d E l - R a h m a n , Y . W e d m i d , S . P a r t h a s a r a t h y ,a n d W. J . B a u m a n n . 1 9 8 2 . C a r b o n - 1 3 n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c es p e c t r o s c o p y o f p h o s p h o l i p i d s i n s o l u t i o n . S p e c t r a l a n d s t e r e o c h e m i -c a l a s s i g n m e n t s b as e d o n ' 3 C - 3 ' P a n d ' 3 C - ' N c o u p l i n g s . J . O r g .C h e m . 4 7 : 2 1 5 8 - 2 1 6 3 .

R o b e r t s , M. F . , M. A d a m i c h , R . J . R o b s o n , a n d E . A . D e n n i s . 1 9 7 9 .P h o s p h o l i p i d a c t i v a t i o n o f c o b r a v e n o m p h o s p h o l i p a s e A 2 . 1 . L i p i d -l i p i d o r l i p i d - e n z y m e i n t e r a c t i o n . B i o c h e m i s t r y . 1 8 : 3 3 0 1 - 3 3 0 8 .S a u n d e r s , L . , a n d I . L . T h o m a s . 1 9 5 8 . D i f f u s i o n s t u d i e s w i t h l y s o l e c i -t h i n . J . C h e m . S o c . 4 8 3 - 4 8 5 .v a n d e n B e s s e l a a r , A . M . H . P . , H . v a n d e n B o s c h , a n d L . L . M . v a n

D e e n e n . 1 9 7 7 . T r a n s b i l a y e r d i s t r i b u t i o n a n d m o v e m e n t o f l y s o p h o s -p h a t i d y l c h o l i n e i n l i p o s o m a l m e m b r a n e s . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a .4 6 5 : 4 5 4 - 4 6 5 .

7 9 2 B i o p h y s i c a l J o u m a l V o l u m e 5 5 A p r i l 1 9 8 9

1989_kumar et al._lysophosphatidylcholine stabilizes small unilamellar phosphatidylcholine vesicles...

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