Published January 1, 2002 | Version v1
Publication Open

Unique Effects of Different Fatty Acid Species on the Physical Properties of the Torpedo Acetylcholine Receptor Membrane

  • 1. Centro Científico Tecnológico - Bahía Blanca

Description

To study the effects produced by free fatty acids (FFA) on the biophysical properties of Torpedo marmoratanicotinic acetylcholine receptor-rich native membranes and to investigate the topology of their binding site(s), fluorescence measurements were carried out using the fluorescent probe Laurdan (6-dodecanoyl-2-(dimethylamino) naphthalene) and ADIFAB, an Acrylodan-derivatized intestinal fatty acid-binding protein. The generalized polarization (GP) of the former probe was used to learn about the physical state of the membrane upon FFA binding. Saturated FFA induced a slight increase in GP, whereascis-unsaturated fatty acids decreased GP. Double bond isomerism could also be distinguished; oleic acid (18:1cis) induced a net disordering effect, whereas elaidic acid (18:1trans) produced no changes in GP. The changes in the efficiency of the Förster energy transfer from the protein to Laurdan brought about by addition of FFA, together with the distances involved in this process, indicate that all FFA studied share a common site at the lipid-protein interface. However, despite being located at the same site, each class of FFA differs in its effect on the physical properties of the membrane. These data lead us to suggest that it is the direct action of FFA at the lipid-protein interface, displacing essential lipids from their sites rather than changes in bulk properties such as membrane fluidity that accounts for the effect of FFA on the acetylcholine receptor membrane. To study the effects produced by free fatty acids (FFA) on the biophysical properties of Torpedo marmoratanicotinic acetylcholine receptor-rich native membranes and to investigate the topology of their binding site(s), fluorescence measurements were carried out using the fluorescent probe Laurdan (6-dodecanoyl-2-(dimethylamino) naphthalene) and ADIFAB, an Acrylodan-derivatized intestinal fatty acid-binding protein. The generalized polarization (GP) of the former probe was used to learn about the physical state of the membrane upon FFA binding. Saturated FFA induced a slight increase in GP, whereascis-unsaturated fatty acids decreased GP. Double bond isomerism could also be distinguished; oleic acid (18:1cis) induced a net disordering effect, whereas elaidic acid (18:1trans) produced no changes in GP. The changes in the efficiency of the Förster energy transfer from the protein to Laurdan brought about by addition of FFA, together with the distances involved in this process, indicate that all FFA studied share a common site at the lipid-protein interface. However, despite being located at the same site, each class of FFA differs in its effect on the physical properties of the membrane. These data lead us to suggest that it is the direct action of FFA at the lipid-protein interface, displacing essential lipids from their sites rather than changes in bulk properties such as membrane fluidity that accounts for the effect of FFA on the acetylcholine receptor membrane. nicotinic acetylcholine receptor actual hydrophobicity coefficient free fatty acid(s) Förster resonance energy transfer generalized polarization The nicotinic acetylcholine receptor (AChR)1 is an integral membrane protein deeply embedded in the postsynaptic region of muscle, electrocytes, and nerve cells. Experimental evidence from various groups including ours substantiates the notion that the function of this rapid ligand-gated channel is influenced by its lipid microenvironment (see reviews in Refs. 1Barrantes F.J. FASEB J. 1993; 7: 1460-1467Google Scholar, 2Barrantes F.J. Watts A. Protein-Lipid Interactions: New Comprehensive Biochemistry. 26. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam1993: 231-257Google Scholar, 3Barrantes F.J. Antollini S.S. Bouzat C. Garbus I. Massol R.H. Kidney Int. 2000; 57: 1382-1389Google Scholar). Although the occurrence of specific interactions between the transmembrane region of the AChR and adjacent lipid molecules in the membrane has been reported (4Giraudat J. Montecucco C. Bisson R. Changeux J.P. Biochemistry. 1985; 24: 3121-3127Google Scholar, 5Blanton M.P. Cohen J.B. Biochemistry. 1992; 31: 3738-3750Google Scholar, 6Blanton M.P. Cohen J.B. Biochemistry. 1994; 33: 2859-2872Google Scholar), the exact nature of these interactions has not been clearly established. The first shell of lipids around the AChR, the so-called annular lipid (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978; 75: 4329-4333Google Scholar, 8Marsh D. Watts A. Barrantes F.J. Biochim. Biophys. Acta. 1981; 645: 97-101Google Scholar), exhibits distinct characteristics, such as a higher degree of order and a lower mobility than the bulk lipids. This specialized region of the membrane has received particular attention as the likely candidate domain where modulation of AChR function by lipids occurs (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978; 75: 4329-4333Google Scholar, 9Bhushan A. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1990; 1027: 93-101Google Scholar). The presence of both cholesterol and negatively charged phospholipids (10Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. Biochemistry. 1982; 21: 3622-3629Google Scholar, 11Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. J. Biol. Chem. 1984; 259: 9188-9198Google Scholar, 12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987; 26: 3871-3880Google Scholar, 13McCarthy M.P. Moore M.A. J. Biol. Chem. 1992; 267: 7655-7663Google Scholar, 14Bhushan A. McNamee M.G. Biophys J. 1993; 64: 716-723Google Scholar, 15Ryan S.E. Demers C.N. Chew J.P. Baenziger J.E. J. Biol. Chem. 1996; 271: 24590-24597Google Scholar, 16Rankin S.E. Addona G.H. Kloczewiak M.A. Bugge B. Miller K.W. Biophys. J. 1997; 73: 2446-2455Google Scholar) has been shown to be necessary for proper AChR-mediated ion translocation in vitro. Various hypotheses were postulated to explain this functional dependence, because these lipids may modify the biophysical properties of the lipid annulus and/or the bulk lipid bilayer (12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987; 26: 3871-3880Google Scholar, 18Sunshine C. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1992; 1108: 240-246Google Scholar, 19Sunshine C. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1994; 1191: 59-64Google Scholar). A second possibility is the occurrence of specific sites for certain lipids at the lipid-facing surface of the AChR, substantiated by the work of several groups (20Jones O.T. McNamee M.G. Biochemistry. 1988; 27: 2364-2874Google Scholar, 21Narayanaswami V. McNamee M.G. Biochemistry. 1993; 32: 12420-12427Google Scholar, 22Dreger M. Krauss M. Herrmann A. Hucho F. Biochemistry. 1997; 36: 839-847Google Scholar, 23Corbin J. Wang H.H. Blanton M.P. Biochim. Biophys. Acta. 1998; 1414: 65-74Google Scholar, 24Addona G.H. Sandermann H.Jr. Kloczewiak M.A. Husain S.S. Miller K.W. Biochim. Biophys. Acta. 1998; 1370: 299-309Google Scholar, 25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar). Upon interacting with these sites, lipids would stabilize the secondary structure of the AChR transmembrane segments (12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987; 26: 3871-3880Google Scholar, 26Fernandez-Ballester G. Castresana J. Fernandez A.M. Arrondo J.L. Ferragut J.A. Gonzalez-Ros J.M. Biochem. Soc. Trans. 1994; 22: 776-780Google Scholar, 27Baenziger J.E. Darsaut T.E. Morris M.L. Biochemistry. 1999; 38: 4905-4911Google Scholar). Recently, Baenziger et al. (28Baenziger J.E. Morris M.L. Darsaut T.E. Ryan S.E. J. Biol. Chem. 2000; 275: 777-784Google Scholar) proposed a model of how lipid composition modulates the function of the AChR, suggesting that membrane fluidity or some other bulk property of the membrane modulates the equilibrium between the resting and desensitized states of AChR. They also suggested that in addition to this indirect effect, the AChR has a specific requirement for anionic lipids (such as phosphatidic acid) binding to a specific site on the AChR or exerting a less specific charge effect on AChR conformation. Previous studies from several laboratories demonstrate that free fatty acids (FFA) inhibit the ion flux mediated by the AChR in vitro (29Andreasen T.J. McNamee M.G. Biochemistry. 1980; 19: 4719-4726Google Scholar, 30Villar M.T. Artigues A. Ferragut J.A. Gonzalez-Ros J.M. Biochim. Biophys. Acta. 1988; 938: 35-43Google Scholar) or in vivo (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993; 1: 251-258Google Scholar). Analysis of single-channel electrophysiological data argues for a mechanism compatible with noncompetitive inhibition of the AChR. From these studies the conclusion was drawn that the effect of FFA is related to their hydrophobic character, but the exact mechanism of FFA action is still not clear. To further investigate the possibility that these compounds exert their effect on AChR at the lipid-protein interface and to investigate the nature of these effects on the biophysical property of the AChR-rich membrane, we carried out fluorescence studies using the fluorescent probes Laurdan (6-dodecanoyl-2-(dimethylamino)naphthalene) and ADIFAB, an Acrylodan-derivatized intestinal fatty acid-binding protein. Laurdan possesses an exquisite sensitivity to the phase state of the membrane. The physical origin of Laurdan spectral properties resides in its capacity to sense the polarity and the molecular dynamics of dipoles in its environment because of the effect of dipolar relaxation processes (32De Parasassi T. Stasio G. d'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990; 57: 1179-1186Google Scholar, 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991; 60: 179-189Google Scholar). The principal dipoles sensed by Laurdan in the membrane are water molecules. When no relaxation occurs, high Laurdan GP values result, indicative of low water content in the hydrophobic/hydrophilic interface region of the membrane. Thus, GP values depend on the extent of water penetration allowed by the local membrane packing and hence provide a direct report on the AChR membrane environment. In the present work, we have exploited the advantageous spectroscopic properties of Laurdan to study the effect of FFA with different structure in the native membrane in which the AChR protein is embedded. Complementary studies with ADIFAB were also performed to determine the partition coefficient of the different fatty acids in the membrane. This information enabled us to compare the effects caused by fatty acids at the same effective concentration in the membrane. We found that the carbon chain length of fatty acids, as well as the number of double bonds and their stereochemical configuration, are important determinants of the unique effects of the different FFA species on the physical properties of the AChR-rich membrane. Furthermore, changes in the efficiency of the energy transfer from the protein to Laurdan, brought about by the addition of exogenous FFA, revealed the presence of sites for FFA at the lipid-protein interface in the native AChR membrane. Preliminary data have been presented in abstract form (34Antollini S.S. Barrantes F.J. Biophys. J. 1999; 76 (abstr.): 370Google Scholar). Torpedo marmorata specimens were obtained from the Mediterranean coast off Alicante, Spain. They were killed by pithing, and the electric organs were dissected and stored at −70 °C until further use. Laurdan and ADIFAB were purchased from Molecular Probes (Eugene, OR). All other drugs were obtained from Sigma. Membrane fragments rich in AChR were prepared from the electric tissue of T. marmorata as described previously (35Barrantes F.J. Hucho F. Neuroreceptors. W. de Gruyter, Berlin, New York1982: 315-328Google Scholar). Specific activities in the order of 2.0–2.8 nmol α-bungarotoxin sites/mg protein were obtained. The orientation of AChR in vesicles was measured as described by Hartig and Raftery (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979; 18: 1146-1150Google Scholar) by determining the total toxin-binding sites in the presence of Triton X-100 and the right side out toxin-binding sites in the absence of detergent (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979; 18: 1146-1150Google Scholar) as in previous work from our laboratory (37Gutiérrez-Merino C. Bonini de Romanelli I.C. Pietrasanta L.I. Barrantes F.J. Biochemistry. 1995; 34: 4846-4855Google Scholar). For fluorescent measurements, AChR-rich membranes were suspended in buffer A (150 mm NaCl, 0.25 mmMgCl2, and 20 mm HEPES buffer, pH 7.4) at a final concentration of 50 μg protein/ml (0.2 μm). The optical density of the membrane suspension was kept below 0.1 to minimize light scattering. Sodium salts of FFA were dissolved in buffer A with a bath sonicator. In same cases we first prepared a sodium salt FFA stock solution in 4 mm NaOH, and aliquots were diluted to final concentrations with buffer A. FFA were dissolved in ethanol (in all cases the amount of ethanol added to the samples was kept below 0.5%). All fluorimetric measurements were performed in an SLM model 4800 fluorimeter (SLM Instruments, Urbana, IL) using a vertically polarized light beam from a Hannovia 200-W mercury/xenon arc obtained with a Glan-Thompson polarizer (4-nm excitation and emission slits) and 10 × 10-mm quartz cuvettes. Emission spectra were corrected for wavelength-dependent distortions. The temperature was set at 20 °C with a thermostated circulating water bath (Haake, Darmstadt, Germany). Laurdan was added to AChR-rich membrane samples from an ethanol solution to give a final probe concentration of 0.6 μm. The amount of organic solvent was kept below 0.2%. The samples were incubated in the dark for 60 min at room temperature. Excitation GP (exGP) (32De Parasassi T. Stasio G. d'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990; 57: 1179-1186Google Scholar, 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991; 60: 179-189Google Scholar) was calculated as follows. exGP=(I434−I490)/(I434−I490)Equation 1 where I434 andI490 are the emission intensities at the characteristic wavelength of the gel phase (434 nm) and the liquid crystalline phase (490 nm), respectively. Excitation GP values were obtained from emission spectra obtained with an excitation wavelength of 360 nm. The energy transfer efficiency (E) in relation to all other deactivation processes of the excited donor depends on the sixth power of the distance between donor and acceptor. According to Förster's theory (38Förster Th. Ann. Phys. (Leipzig). 1948; 2: 55-75Google Scholar), E is given by the following equation. E=R06/(R06+r6)Equation 2 where r is the intermolecular distance andRo is a constant parameter for each donor-acceptor pair, defined as the distance at which E is 50%. E can be calculated as followsE=1−(φ/φD)=1−(I/ID)Equation 3 where φ and φD are the fluorescence quantum yields of donor in the presence and absence of the acceptor, respectively, and I and ID are the corresponding emission intensities in any given measurement. HereI and ID correspond to the maximal intrinsic protein emission intensity, which is 330 nm. When E was measured in the presence of exogenous FFA, a further correction was introduced to compensate for any modification of the intrinsic fluorescence of Trp by any other quenching mechanism induced by FFA.Ecorr=E(+Laurdan)−E(−Laurdan)Equation 4 where Ecorr is the experimentally determined value of E corrected by the quenching of the intrinsic fluorescence by the FFA. E(+Laurdan)and E(−Laurdan) values were calculated using Equation 3 in the presence of FFA, with or without Laurdan, respectively. Kp was calculated with the following expression. Kp=([FFA]m/[FFA]a)Va/VmEquation 5 where [FFA]m and [FFA]a are the concentrations of fatty acid in the membrane phase and in the aqueous phase, respectively, and Va and Vm are the corresponding volumes of the aqueous and membrane phases, respectively. [FFA]m is defined as [FFA]T − [FFA]a, where [FFA]T is the added FFA concentration. Experimentally, the Kp values were obtained using ADIFAB, which responds to FFA binding with a shift in fluorescence emission from 432 nm in the apoform to 488 nm in the holoform. As a consequence, [FFA]a can be determined from the ratio of the fluorescence intensity at 488 nm to that at 432 nm (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld A.M. Biochemistry. 1993; 32: 530-536Google Scholar), according to the following expression.[FFA]a=KdQ(R−R0)/(Rmax−R)Equation 6 where R is the measured ratio of 488 to 432 nm intensities, Ro is this ratio with no FFA present, Rmax is the value when ADIFAB is saturated with FFA, and Q =IF(432)/Ib(432), whereIF(432) and Ib(432) are the ADIFAB intensities with zero and saturating concentrations of FFA, respectively. On the basis of the numerical analysis of FFA titration data, Q and Rmax values were found to be 19.5 and 11.5, respectively (40Richieri G.V. Ogata R.T. Kleinfeld A.M. J. Biol. Chem. 1992; 267: 23495-23501Google Scholar). These values are constant for all FFA. Kd is the dissociation constant for FFA (ADIFAB-FFA ⇔ ADIFAB + FFA), calculated from a plot obtained by titration of ADIFAB with FFA, after linearization according to a logarithmic form of Equation 6 (Hill plot). Kdvalues were obtained using the following expression.[FFA]a=[FFA]T−[ADIFAB]×{A/(1+A)}Equation 7 where A = Q(R −Ro)/(Rmax −R) and [ADIFAB] was 0.2 μm. The [FFA]T for each addition was converted to its effective concentration inside the membrane ([FFA]e) using the following equation. [FFA]e=CL×[FFA]TEquation 8 where CL = Kp/{1 + (Kp − 1) γL [L]}, γL is the lipid molar volume, and [L] is the lipid concentration in the cuvette, which increases for each addition of FFA. A value of 0.95 dm3/L (dipalmitoylphosphatidylcholine fluid phase) was assumed because AChR-rich membranes are in a liquid fluid phase at 20 °C (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutiérrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996; 70: 1275-1284Google Scholar). Intergroup comparisons were done by impaired t test. Statistical significance was accepted as p < 0.05. To compare the effects caused by the presence of different exogenous FFA on the native AChR-rich membrane from T. marmorata, we first measured their partition coefficient. There are several methods for measuring partition coefficients of lipids in membranes, but the clear advantage of using ADIFAB is that it is not necessary to physically separate free and membrane-bound fatty acid, as is the case when using radiolabeled fatty acids, a method more prone to error. ADIFAB, an Acrylodan-tagged intestinal fatty acid-binding protein (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld A.M. Biochemistry. 1993; 32: 530-536Google Scholar, 40Richieri G.V. Ogata R.T. Kleinfeld A.M. J. Biol. Chem. 1992; 267: 23495-23501Google Scholar), is a suitable fluorescent indicator for the measurement of FFA concentration in the 1 nm to 20 μm range. The detection of FFA by ADIFAB is based on a change in the position of the Acrylodan fluorescent tag relative to the nonpolar binding pocket of the protein when the latter is occupied by a fatty acid. ADIFAB undergoes a marked spectral shift upon FFA binding, allowing the determination of FFA concentrations from the ratio of the fluorescence intensities of bound and unbound forms, measured at about 488 and 432 nm, respectively. In the example shown in Fig. 1, the decrease in intensity at 432 nm and the corresponding increase at 488 nm of the ADIFAB spectrum is apparent upon titration of AChR-rich membrane fromT. marmorata with arachidonic acid. Using Equations 6 and 5 we obtained the values of the dissociation constant (Kd) and partition coefficient (Kp) for the different fatty acids and ADIFAB in aqueous solution and in the presence of Torpedo AChR-rich membranes, respectively (Table I). The calculated Kp values allowed us to classify the fatty acids into three different groups: (i) highly hydrophobic fatty acids, such as 20:0 and 18:0; (ii) less hydrophobic fatty acids, such as 18:1cis and 18:1trans, and (iii) more hydrophilic fatty acids, such as 18:2, 18:3, 20:4, and 22:6.Table IFatty acid-ADIFAB dissociation constants (Kd) and fatty acid-native Torpedo AChR-rich membrane partition coefficients (Kp)Fatty acidKdKp (× 10−4)Stearic (18:0)0.49114.5 ± 17Arachidic (20:0)0.72156.5 ± 12Oleic (cis18:1)0.2654.6 ± 10Elaidic (trans18:1)0.2666.9 ± 20Linoleic (18:2)2.407.0 ± 0.5Linolenic (18:3)4.322.7 ± 0.1Arachidonic (20:4)2.218.2 ± 1.0Docosahexanoic (22:6)1.9610.8 ± 0.7 Open table in a new tab The experimentally determined Kp values of the fatty acids in native AChR-rich membrane were subsequently used to transform the nominal concentration added in the cuvette into an effective concentration in the membrane for each fatty acid (see "Experimental Procedures"). To study the modification of the physical properties of the Torpedonative membrane induced by the presence of FFA, we exploited the amphiphilic fluorescence probe Laurdan's exquisite sensitivity to the phase state of the membrane. We have previously used the so-called GP of Laurdan as a sensitive tool to measure the physical state ofTorpedo native AChR-rich membrane (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar, 41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutiérrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996; 70: 1275-1284Google Scholar). In the present work we investigated the possible modification of the polarity of both the AChR belt and bulk lipid regions by fatty acids. Laurdan GP values were obtained by direct excitation (at 360 nm) or under FRET conditions, using the intrinsic membrane fluorescence as donor (excitation at 290 nm) and Laurdan molecules as acceptor. In a previous work we characterized this system and showed that the GP values obtained under FRET conditions exhibit higher absolute GP values than those obtained by direct excitation of the probe, indicating that the microenvironment of the AChR has lower polarity than the bulk lipid (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutiérrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996; 70: 1275-1284Google Scholar). The changes in GP values caused by different FFA could be compared using the effective concentration of each fatty acid inside the membrane, calculated using their Kp values (Fig.2). We found that addition of FFA toTorpedo native membrane changed GP values, albeit to different extents, in a manner dependent on the chemical structure of the fatty acids. Unsaturated fatty acids decreased GP values, whereas saturated ones caused a small increase. Statistically significant differences were observed between different fatty acids: 18:0–18:1cis(p < 0.005); 18:1–18:2 (p < 0.001); 18:2–18:3 (p < 0.001); 18:2–20:4 (p< 0.005); 18:2–22:6 (p < 0.001); 18:3–20:4 (p < 0.001); 18:3–22:6 (p < 0.001); and 20:4–22:6 (p < 0.025), the exception being 18:0–20:0 (p > 0.05). In a fatty acid, each double bond induces a kink of nearly 30° in the acyl chain (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer-Verlag, Berlin, Germany1996: 1-15Google Scholar). Thus, a fatty acid with several double bonds undergoes noticeable changes in the direction of its main molecular axis, resulting in an increase in the cross-sectional area of the hydrocarbon chain over the minimum found in a saturated fatty acid. The decrease in the GP values induced by unsaturated FFA indicates an increase in polarity within the Laurdan microenvironment. This in turn is a clear reflection of the disordering of the bilayer caused by the kinked chains of unsaturated fatty acids, which increases the content of water molecules in the membrane. In contrast to unsaturated FFA, saturated FFA induce only a small increase in GP and thus a slight decrease in polarity and hence in the amount of water in the membrane. In other words, saturated fatty acids induce a slight ordering effect in the membrane, probably because of their rigid linear structure. The effect of fatty acid isomerization on GP was studied next. A notable difference was observed in the effect caused on Laurdan GP by 18:1cis (oleic acid) and 18:1trans (elaidic acid) (Fig. 3). Whereas oleic acid decreased GP values, elaidic acid caused no changes. Again, the difference in molecular structure of these fatty acids is a plausible explanation for this behavior, because as stated above, cis-double bonds induce a kink in the chain, whereas trans-double bonds produce no change in chain direction (Fig. 3, inset). In a previous work we were able to discriminate between distinct sites for phospholipids and sterols, both accessible to fatty acids, at the lipid-protein interface in Torpedo native membrane, by measuring the decrease of E between the membrane intrinsic fluorescence (tryptophan residues) and Laurdan upon addition of different exogenous lipids (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar). Here we measured changes ofE between AChR and Laurdan, brought about by the addition of FFA of different chain length and degree of saturation. The addition of FFA decreased the efficiency of FRET in a concentration-dependent manner. The maximal diminution ofE achieved by all fatty acids was very similar (∼ 50%) (Fig. 4). This suggests that all fatty acids, independently of their physical characteristics, bind to similar sites at the lipid-protein interface in the TorpedoAChR-rich native membrane. To corroborate whether different FFA bind to similar sites, we conducted an additional series of experiments using the following strategy. We added first a given FFA, and, after obtaining the maximal decrease of E, we added a second FFA, with similar or different structural characteristics, to the sample. If different FFA bind to different sites, E should further decrease when a second FFA is added, whereas no additional decrease of Ewould occur if the two FFA compete for the same site. Fig.5 (a and b) shows one such series of experiments. When, for example, 20:0 was added first, Laurdan GP increased. When a second FFA was added, changes in GP depended on its chemical structure; 18:0 caused a furtherincrease in GP, whereas 18:1 and 20:4 decreasedGP values to the same extent as they did by themselves separately. The differences between GP values obtained after addition of different fatty acids were in all cases statistically significant. Only in the case of the saturated fatty acids 18:0 and 20:0 did we find statistically nonsignificant differences. The fact that Laurdan GP was affected under FRET conditions (Fig. 5b) is a clear indication that the second FFA partitioned well into the membrane and localized in the AChR-vicinal region. The decrease of Eobtained with the first fatty acid (saturated or unsaturated) remained constant in the presence of a second fatty acid, independently of its physical characteristics (Fig. 5, c–f). In the present work, we used fluorescence techniques to study the modifications of the physical properties of native TorpedoAChR-rich membrane by the addition of fatty acids with different structural characteristics. We first determined the partition coefficient of different FFA using an Acrylodan-labeled fatty acid-binding protein, ADIFAB. This enabled us to calculate the effective concentration of the FFA in the membrane. Quantification of Laurdan GP yielded information on the physical state of the bulk and belt-lipid region of the AChR-rich membrane in the presence of known concentrations of FFA. Changes in FRET efficiency induced by fatty acids made possible the measurement of fatty acid-protein interactions within short distances of the probe Laurdan. The FFA partition coefficients, determined using the extrinsic fluorescent properties of ADIFAB, made apparent relatively pronounced differences in Kp between different fatty acids (Table I). Although FFA are highly hydrophobic compounds, their physicochemical properties have a common origin: their carbon atoms confer hydrophobicity, and the double bonds reduce hydrophilicity in the molecule (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer-Verlag, Berlin, Germany1996: 1-15Google Scholar). We have attempted to relate these two opposite effects in the same molecule by using an empirical algorithm that we have coined the actual hydrophobicity coefficient (AHC).AHC=number of C/FFA−number of C in double bond/FFAnumber of C of the longest FFAEquation 9 We calculated this coefficient for all FFA studied and correlated it with their partition coefficient (Fig.6). Using this approach, it is observed that the tendency of different FFA to partition in the membrane follows the sequence: 20:0 > 18:0 > 18:1 > 18:2 ≅ 20:4 ≅ 22:6 > 18:3. According to this order, FFA can be classified into three different groups: (i) high AHC fatty acids, such as 20:0 and 18:0; (ii) fatty acids of intermediate AHC, such as 18:1cis and 18:1trans; and (iii) lowAHC fatty acids, such as 18:2, 18:3, 20:4, and 22:6. All fatty acids tested decreased the efficiency of the energy transfer,E, between the membrane intrinsic fluorescence and Laurdan. In a previous work (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar), we interpreted this diminution as an increase in the distance between donor and acceptor resulting from the displacement of Laurdan molecules from the AChR lipid microenvironment caused by the exogenously added lipid (Fig.7). We were also able to characterize distinct sites for phospholipids, sterols, and oleic acid. Here, we investigated whether the sites to which oleic acid binds are the same as those to which other fatty acids bind. The fact that a similar decrease in E was observed for all FFA is a strong indication that this is indeed the case. Further evidence in support of the above hypothesis is that the addition of a second fatty acid did not produce a further decrease of the E caused by the first fatty acid. The most striking finding of the present work is that although all fatty acids displaced a fatty acid analog such as Laurdan to almost the same extent (Fig. 4), different fatty acids perturbed the physical properties of native Torpedo AChR-rich membranes quite differently, in a manner that strongly depended on their structure (Fig. 2). Thus, saturated fatty acids ordered the membrane, whereas unsaturated fatty acids disordered it. Applying a simple algebraic rearrangement of the changes in GP made it possible to classify FFA effects.FFA effect=(GPfinal−GPinitial/(GPg−GP1c)Equation 10 where GPfinal andGPinitial are the GP values obtained at the same fatty acid effective concentration in the membrane and before addition of the fatty acid, respectively, and GPg andGPlc are the larger and smaller GP values obtained for a pure gel and liquid crystalline phase, respectively.GPg (0.61) and GPlc(−0.19) were experimentally measured at 20 °C in multilamellar DOPC and dipalmitoylphosphatidylcholine liposomes, which are in the liquid crystalline and gel phases, respectively. Applying Equation 10, the changes induced by FFA ranged from ordering (positive values of FFA effect) to disordering (negative values of FFA effect) effects and followed the sequence: 20:0 (0.016) > 18:0 (0.005) > 18:1cis (−0.047) ≅ 18:2 (−0.046) ≅ 20:4 (−0.047) ≅ 22:6 (−0.047) > 18:3 (−0.056). Furthermore, whereas 18:1cis (oleic acid) induced a net disordering effect, 18:1trans (elaidic acid) produced no change whatsoever in GP values (Fig. 3). This enables us to conclude that FFA carbon chain length as well as the number of double bonds and their stereochemical configuration are important determinants of the unique effects of the different FFA on the physical properties of theTorpedo AChR-rich membrane. In living BC3H-1 cells in culture, fatty acids exert inhibitory effects on AChR channel activity (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993; 1: 251-258Google Scholar). These effects are also observed in membrane patches excised from the cell and are therefore not mediated by signal transduction pathways that require soluble factors such as nucleotides and Ca2+. Thus, fatty acids appear to regulate the action of the AChR channel directly, much as they regulate the action of several purified enzymes and other channels (43Ordway R.W. Singer J.J. Walsh Jr., J.V. Trends Neurosci. 1991; 14: 96-100Google Scholar). In chick ciliary neurons and in α7 neuronal type AChR heterologously expressed in Xenopus oocytes, saturated FFA or with only one double bond had little effect on ACh-mediated currents, whereas FFA with two or three double bonds produced partial inhibitory effects but less effectively than arachidonic acid (44Vijayaraghavan S. Huang B. Blumenthal E.M. Berg D.K. J. Neurosci. 1995; 15: 3679-3687Google Scholar). The latter FFA has also been reported to inhibit ACh-mediated currents in bullfrog sympathetic neurons (17Minota S. Watanabe S. J. Neurophysiol. 1997; 78: 2396-2401Google Scholar). The mechanism by which 20:4 or other fatty acids inhibit nicotinic transmission is unknown. To account for these inhibitory effects on AChR function, binding of fatty acid to a site(s) at the lipid-AChR interface and/or perturbation of the local receptor microenvironment have been suggested. Structurally different fatty acids (i) all appear to alter AChR function in a similar manner, in terms of single channel open channel durations at the level of resolution achieved (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993; 1: 251-258Google Scholar); (ii) occupy equivalent sites at the lipid-protein interface, in fact the same sites as cholesterol and phospholipids (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar); and (iii) induce changes in the fluidity of the AChR lipid microenvironment that clearly depend on their chemical structure. Thus, an explanation of fatty acid action mediated only through fluidity changes is difficult to sustain, because different fatty acids induce changes in membrane fluidity of different sign and magnitude; some in fact induce no change at all. We suggest that it is the direct action of FFA in displacing essential lipids from their sites at the lipid-protein interface and not changes in bulk properties such as membrane fluidity that is responsible for the inhibitory effect of FFA on AChR function.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

لدراسة التأثيرات التي تنتجها الأحماض الدهنية الحرة (FFA) على الخواص الفيزيائية الحيوية للأغشية الأصلية الغنية بمستقبلات الطوربيد المرموراتانيكوتين أسيتيل كولين وللتحقق من طوبولوجيا موقع(مواقع) ارتباطها، تم إجراء قياسات الفلورة باستخدام مسبار الفلورسنت لوردان (6 - دوديكانويل-2 - (ثنائي ميثيل أمينو) نفثالين) و ADIFAB، وهو بروتين ربط الأحماض الدهنية المعوية المشتقة من الأكريلودان. تم استخدام الاستقطاب العام (GP) للمسبار السابق للتعرف على الحالة الفيزيائية للغشاء عند ربط FFA. تسبب FFA المشبع في زيادة طفيفة في GP، حيث قللت الأحماض الدهنية غير المشبعة من GP. يمكن أيضًا تمييز تزامر الروابط المزدوجة ؛ تسبب حمض الأوليك (18: 1cis) في تأثير اختلال صافٍ، في حين أن حمض الإيلايديك (18: 1trans) لم ينتج عنه أي تغييرات في GP. تشير التغييرات في كفاءة نقل طاقة فورستر من البروتين إلى لوردان الناتجة عن إضافة FFA، جنبًا إلى جنب مع المسافات التي تنطوي عليها هذه العملية، إلى أن جميع FFA التي تمت دراستها تشترك في موقع مشترك في واجهة البروتين الدهني. ومع ذلك، على الرغم من وجودها في نفس الموقع، تختلف كل فئة من فئات FFA في تأثيرها على الخواص الفيزيائية للغشاء. تقودنا هذه البيانات إلى الإشارة إلى أن العمل المباشر لـ FFA في واجهة البروتين الدهني، هو الذي يزيح الدهون الأساسية من مواقعها بدلاً من التغيرات في الخصائص السائبة مثل سيولة الغشاء التي تفسر تأثير FFA على غشاء مستقبلات الأسيتيل كولين. لدراسة التأثيرات التي تنتجها الأحماض الدهنية الحرة (FFA) على الخواص الفيزيائية الحيوية للأغشية الأصلية الغنية بمستقبلات الطوربيد المرموراتانيكوتين أسيتيل كولين وللتحقق من طوبولوجيا موقع(مواقع) ارتباطها، تم إجراء قياسات الفلورة باستخدام مسبار الفلورسنت لوردان (6 - دوديكانويل-2 - (ثنائي ميثيل أمينو) نفثالين) و ADIFAB، وهو بروتين ربط الأحماض الدهنية المعوية المشتقة من الأكريلودان. تم استخدام الاستقطاب العام (GP) للمسبار السابق للتعرف على الحالة الفيزيائية للغشاء عند ربط FFA. تسبب FFA المشبع في زيادة طفيفة في GP، حيث قللت الأحماض الدهنية غير المشبعة من GP. يمكن أيضًا تمييز تزامر الروابط المزدوجة ؛ تسبب حمض الأوليك (18: 1cis) في تأثير اختلال صافٍ، في حين أن حمض الإيليديك (18: 1trans) لم ينتج عنه أي تغييرات في GP. تشير التغييرات في كفاءة نقل طاقة فورستر من البروتين إلى لوردان الناتجة عن إضافة FFA، جنبًا إلى جنب مع المسافات التي تنطوي عليها هذه العملية، إلى أن جميع FFA التي تمت دراستها تشترك في موقع مشترك في واجهة البروتين الدهني. ومع ذلك، على الرغم من وجودها في نفس الموقع، تختلف كل فئة من فئات FFA في تأثيرها على الخواص الفيزيائية للغشاء. تقودنا هذه البيانات إلى اقتراح أن هذا هو العمل المباشر لـ FFA في واجهة البروتين الدهني، مما يؤدي إلى إزاحة الدهون الأساسية من مواقعها بدلاً من التغييرات في الخصائص السائبة مثل سيولة الغشاء التي تفسر تأثير FFA على غشاء مستقبلات الأسيتيل كولين. النيكوتين مستقبلات الأسيتيل كولين الأحماض الدهنية الحرة (الأحماض الدهنية) الخالية من الرنين فوستر نقل الطاقة الاستقطاب المعمم مستقبل الأسيتيل كولين النيكوتين (AChR)1 هو بروتين غشائي متكامل مضمن بعمق في المنطقة ما بعد المشبكية للعضلات والكريات الكهربائية والخلايا العصبية. تثبت الأدلة التجريبية من مجموعات مختلفة بما في ذلك مجموعتنا فكرة أن وظيفة هذه القناة ذات البوابات السريعة تتأثر ببيئتها الدقيقة الدهنية (انظر المراجعات في المراجع. 1Barrantes F.J. FASEB J. 1993; 7: 1460-1467 Google Scholar, 2Barrantes F.J. Watts A. Protein - Lipid Interactions: New Comprehensive Biochemistry. 26. Elsevier Science Publishers B.V.، Amsterdam1993: 231-257 الباحث العلمي من Google، 3 Barrantes F.J. Antollini S.S. Bouzat C. Garbus I. Massol R.H. Kidney Int. 2000 ؛ 57: 1382-1389 الباحث العلمي من Google). على الرغم من الإبلاغ عن حدوث تفاعلات محددة بين المنطقة عبر الغشاء من AChR وجزيئات الدهون المجاورة في الغشاء (4Giraudat J. Montecucco C. Bisson R. Changeux J.P. الكيمياء الحيوية. 1985 ؛ 24: 3121-3127 الباحث العلمي من جوجل، 5 بلانتون عضو البرلمان كوهين جي بي الكيمياء الحيوية. 1992 ؛ 31: 3738-3750 الباحث العلمي من جوجل، 6 بلانتون عضو البرلمان كوهين جي بي الكيمياء الحيوية. 1994 ؛ 33: 2859-2872 الباحث العلمي من Google)، لم يتم تحديد الطبيعة الدقيقة لهذه التفاعلات بوضوح. القشرة الأولى من الدهون حول AChR، ما يسمى بالدهون الحلقية (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978; 75: 4329-4333 Google Scholar, 8Marsh D. Watts A. Barrantes F.J. Biochim. بيوفيز. أكتا. 1981 ؛ 645: 97-101 الباحث العلمي من جوجل)، يُظهر خصائص مميزة، مثل درجة أعلى من النظام وحركة أقل من الدهون السائبة. حظيت هذه المنطقة المتخصصة من الغشاء باهتمام خاص باعتبارها المجال المرشح المحتمل حيث يحدث تعديل وظيفة AChR بواسطة الدهون (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978 ؛ 75: 4329-4333 الباحث العلمي من Google، 9Bhushan A. McNamee M.G. Biochim. بيوفيز. أكتا. 1990 ؛ 1027: 93-101 الباحث العلمي من جوجل). وجود كل من الكوليسترول والدهون الفوسفورية سالبة الشحنة (10Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. الكيمياء الحيوية. 1982 ؛ 21: 3622-3629 الباحث العلمي من Google، 11Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. J. Biol. كيم. 1984 ؛ 259: 9188-9198 الباحث العلمي من Google، 12Fong T.M. McNamee M.G. الكيمياء الحيوية. 1987 ؛ 26: 3871-3880 الباحث العلمي من Google، 13McCarthy m.P. Moore M.A.J. Biol. Chem. 1992 ؛ 267: 7655-7663 الباحث العلمي من Google، 14Bhushan A. McNamee M.G. Biophys J. 1993 ؛ 64: 716-723 الباحث العلمي من Google، 15Ryan S.E. Demers C.N. Chew J.P. Baenziger J.E. JJ Biol. كيم. 1996 ؛ 271: 24590-24597 الباحث العلمي من Google، 16 Rankin S.E. Addona GH Kloczewiak M.A. Bugge B. Miller KW Biophys. J. 1997 ؛ 73: 2446-2455 الباحث العلمي من Google) أنه ضروري لإزاحة الأيونات بوساطة AChR المناسبة في المختبر. تم افتراض فرضيات مختلفة لتفسير هذا الاعتماد الوظيفي، لأن هذه الدهون قد تعدل الخصائص الفيزيائية الحيوية للحلقة الدهنية و/أو الطبقة الثنائية الدهنية السائبة (12Fong T.M. McNamee M.G. الكيمياء الحيوية. 1987 ؛ 26: 3871-3880 الباحث العلمي من Google، 18Sunshine C. McNamee M.G. Biochim. بيوفيز. أكتا. 1992 ؛ 1108: 240-246 الباحث العلمي من جوجل، 19 صن شاين سي ماكنامي إم جي بيوشيم. بيوفيز. أكتا. 1994 ؛ 1191: 59-64 الباحث العلمي من Google). الاحتمال الثاني هو حدوث مواقع محددة لبعض الدهون على السطح المواجه للدهون من AChR، مدعومة بعمل عدة مجموعات (20Jones OT McNamee M.G. الكيمياء الحيوية. 1988 ؛ 27: 2364-2874 الباحث العلمي من Google، 21Narayanaswami V. McNamee M.G. الكيمياء الحيوية. 1993 ؛ 32: 12420-12427 الباحث العلمي من Google، 22Dreger M. Krauss M. Herrmann A. Hucho F. الكيمياء الحيوية. 1997 ؛ 36: 839-847 الباحث العلمي من Google، 23Corbin J. Wang H.H. Blanton MP Biochim. بيوفيز. أكتا. 1998 ؛ 1414: 65-74 الباحث العلمي من Google، 24 Addona GH Sandermann H.Jr. Kloczewiak M.A. Husain S.S. Miller K.W. Biochim. بيوفيز. أكتا. 1998 ؛ 1370: 299-309 الباحث العلمي من جوجل، 25 أنتوليني إس إس بارانتيس إف جيه الكيمياء الحيوية. 1998 ؛ 37: 16653-16662 الباحث العلمي من Google). عند التفاعل مع هذه المواقع، ستقوم الدهون بتثبيت البنية الثانوية للقطاعات عبر الغشاء AChR (12Fong T.M. McNamee M.G. الكيمياء الحيوية. 1987 ؛ 26: 3871-3880 الباحث العلمي من Google، 26 Fernandez - Ballester G. Castresana J. Fernandez AM Arrondo JL Ferragut JA Gonzalez - Ros JM Biochem. Soc. Trans. 1994; 22: 776-780 Google Scholar, 27Baenziger J.E. Darsaut T.E. Morris M.L. Biochemistry. 1999 ؛ 38: 4905-4911 الباحث العلمي من Google). في الآونة الأخيرة، Baenziger et al. (28Baenziger J.E. Morris M.L. Darsaut T.E. Ryan S.E. J. Biol. كيم. 2000 ؛ 275: 777-784 باحث جوجل) اقترح نموذجًا لكيفية تعديل تركيبة الدهون لوظيفة AChR، مما يشير إلى أن سيولة الغشاء أو بعض الخصائص السائبة الأخرى للغشاء تعدل التوازن بين حالات الراحة والحالات غير الحساسة لـ AChR. واقترحوا أيضًا أنه بالإضافة إلى هذا التأثير غير المباشر، فإن AChR له متطلبات محددة للدهون الأنيونية (مثل حمض الفوسفاتيديك) المرتبط بموقع معين على AChR أو ممارسة تأثير شحن أقل تحديدًا على تكوين AChR. تظهر الدراسات السابقة من العديد من المختبرات أن الأحماض الدهنية الحرة (FFA) تمنع تدفق الأيونات بوساطة AChR في المختبر (29Andreasen TJ McNamee M.G. الكيمياء الحيوية. 1980 ؛ 19: 4719-4726 الباحث العلمي من Google، 30 فيلار إم تي أرتيجيز إيه فيراغوت جيه إيه غونزاليس روس جيه إم بيوتشيم. بيوفيز. أكتا. 1988 ؛ 938: 35-43 الباحث العلمي من Google) أو في الجسم الحي (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993 ؛ 1: 251-258 الباحث العلمي من Google). يجادل تحليل البيانات الفيزيولوجية الكهربية أحادية القناة بوجود آلية متوافقة مع التثبيط غير التنافسي لـ AChR. من هذه الدراسات، تم التوصل إلى استنتاج مفاده أن تأثير FFA يرتبط بطابعها الكاره للماء، لكن الآلية الدقيقة لعمل FFA لا تزال غير واضحة. لمزيد من التحقيق في احتمال أن تمارس هذه المركبات تأثيرها على AChR في واجهة البروتين الدهني وللتحقق من طبيعة هذه التأثيرات على الخاصية الفيزيائية الحيوية للغشاء الغني بـ AChR، أجرينا دراسات الفلورة باستخدام مجسات الفلورسنت Laurdan (6 - dodecanoyl -2 - (dimethylamino)naphthalene) و ADIFAB، وهو بروتين ربط الأحماض الدهنية المعوية المشتقة من الأكريلودان. يمتلك لوردان حساسية رائعة لحالة الطور للغشاء. يكمن الأصل المادي للخصائص الطيفية للوردان في قدرتها على استشعار القطبية والديناميكيات الجزيئية لثنائي القطب في بيئتها بسبب تأثير عمليات الاسترخاء ثنائية القطب (32De Parasassi T. Stasio G. d 'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990; 57: 1179-1186 الباحث العلمي من Google، 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991 ؛ 60: 179-189 الباحث العلمي من Google). الثنائيات الرئيسية التي يستشعرها لوردان في الغشاء هي جزيئات الماء. عندما لا يحدث أي استرخاء، ينتج عن ذلك قيم عالية لـ Laurdan GP، مما يدل على انخفاض محتوى الماء في منطقة الواجهة غير الآلفة للماء/الآلفة للماء في الغشاء. وبالتالي، تعتمد قيم GP على مدى اختراق المياه المسموح به من قبل التعبئة الغشائية المحلية، وبالتالي توفر تقريرًا مباشرًا عن بيئة غشاء AChR. في العمل الحالي، استغللنا الخصائص الطيفية المفيدة للوردان لدراسة تأثير FFA مع بنية مختلفة في الغشاء الأصلي الذي يتم فيه تضمين بروتين AChR. كما أجريت دراسات تكميلية مع ADIFAB لتحديد معامل تقسيم الأحماض الدهنية المختلفة في الغشاء. مكنتنا هذه المعلومات من مقارنة التأثيرات التي تسببها الأحماض الدهنية بنفس التركيز الفعال في الغشاء. وجدنا أن طول سلسلة الكربون للأحماض الدهنية، بالإضافة إلى عدد الروابط المزدوجة وتكوينها الكيميائي التجسيمي، هي محددات مهمة للتأثيرات الفريدة لأنواع FFA المختلفة على الخصائص الفيزيائية للغشاء الغني بـ AChR. علاوة على ذلك، كشفت التغيرات في كفاءة نقل الطاقة من البروتين إلى لوردان، الناجمة عن إضافة FFA خارجي المنشأ، عن وجود مواقع لـ FFA في واجهة البروتين الدهني في غشاء AChR الأصلي. تم تقديم البيانات الأولية في شكل مجرد (34Antollini S.S. Barrantes F.J. Biophys. J. 1999; 76 (abstr.): 370 عالم جوجل). تم الحصول على عينات طوربيد مرموراتا من ساحل البحر الأبيض المتوسط قبالة اليكانتي، إسبانيا. قُتلوا عن طريق التجويف، وتم تشريح الأعضاء الكهربائية وتخزينها عند -70 درجة مئوية حتى استخدامها مرة أخرى. تم شراء لوردان و ADIFAB من المجسات الجزيئية (يوجين، أوريغون). تم الحصول على جميع الأدوية الأخرى من سيجما. تم تحضير شظايا الغشاء الغنية بـ AChR من النسيج الكهربائي لـ T. marmorata كما هو موضح سابقًا (35Barrantes F.J. Hucho F. Neuroreceptors. دبليو دي غرويتر، برلين، نيويورك 1982: 315-328 الباحث العلمي من Google). تم الحصول على أنشطة محددة في حدود 2.0–2.8 nmol α - bungarotoxin sites/mg protein. تم قياس اتجاه AChR في الحويصلات كما هو موضح من قبل Hartig و Raftery (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979 ؛ 18: 1146-1150 الباحث العلمي من Google) من خلال تحديد إجمالي مواقع ربط السموم في وجود Triton X -100 والجانب الأيمن من مواقع ربط السموم في غياب المنظفات (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979 ؛ 18: 1146-1150 الباحث العلمي من Google) كما في العمل السابق من مختبرنا (37Gutieérrez - Merino C. Bonini de Romanelli I.C. Pietrasanta L.I. Barrantes F.J. Biochemistry. 1995 ؛ 34: 4846-4855 الباحث العلمي من Google). بالنسبة لقياسات الفلورسنت، تم تعليق الأغشية الغنية بـ AChR في العازل A (150 مم NaCl، 0.25 مم MgCl2، و 20 مم HEPES buffer، pH 7.4) بتركيز نهائي قدره 50 ميكروغرام من البروتين/مل (0.2 ميكرومتر). تم الحفاظ على الكثافة البصرية للتعليق الغشائي أقل من 0.1 لتقليل تشتت الضوء. تم إذابة أملاح الصوديوم من FFA في العازل A باستخدام جهاز سونيكاتور الحمام. في نفس الحالات، قمنا أولاً بإعداد محلول مخزن ملح الصوديوم FFA في هيدروكسيد الصوديوم 4 مم، وتم تخفيف السوائل إلى تركيزات نهائية مع المحلول العازل A. تم إذابة FFA في الإيثانول (في جميع الحالات، تم الاحتفاظ بكمية الإيثانول المضافة إلى العينات أقل من 0.5 ٪). تم إجراء جميع القياسات الفلورية في مقياس الفلورة SLM موديل 4800 (SLM Instruments، Urbana، IL) باستخدام شعاع ضوئي مستقطب عموديًا من قوس Hannovia 200 - W من الزئبق/الزينون الذي تم الحصول عليه باستخدام مستقطب Glan - Thompson (شقوق استثارة وانبعاث 4 نانومتر) و 10 × 10 مم من الكوارتز. تم تصحيح أطياف الانبعاث للتشوهات المعتمدة على الطول الموجي. تم ضبط درجة الحرارة عند 20 درجة مئوية مع حمام مائي دائر ثرموستاتي (هاكي، دارمشتات، ألمانيا). تمت إضافة لوردان إلى عينات الغشاء الغنية بـ AChR من محلول الإيثانول لإعطاء تركيز مسبار نهائي قدره 0.6 ميكرومتر. تم الاحتفاظ بكمية المذيب العضوي أقل من 0.2 ٪. تم حضانة العينات في الظلام لمدة 60 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. الإثارة GP (exGP) (32De Parasassi T. Stasio G. d 'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990; 57: 1179-1186 الباحث العلمي من Google، 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991; 60: 179-189 الباحث العلمي من Google) على النحو التالي. ExGP =(I434 − I490)/(I434 − I490)المعادلة 1 حيث يكون I434 و I490 شدة الانبعاث عند الطول الموجي المميز لطور الهلام (434 نانومتر) والطور البلوري السائل (490 نانومتر)، على التوالي. تم الحصول على قيم GP للإثارة من أطياف الانبعاث التي تم الحصول عليها بطول موجة استثارة يبلغ 360 نانومتر. تعتمد كفاءة نقل الطاقة (E) فيما يتعلق بجميع عمليات التعطيل الأخرى للمانح المتحمس على القوة السادسة للمسافة بين المانح والمقبل. وفقًا لنظرية فوستر (38 فوستر ث. Ann. Phys. (Leipzig). 1948; 2: 55-75 Google Scholar)، يتم إعطاء E بالمعادلة التالية. E=R06 /( R06 + r6)المعادلة 2 حيث r هي المسافة بين الجزيئات وRo هي معلمة ثابتة لكل زوج من المتبرعين والمقبلين، يتم تعريفها على أنها المسافة التي تكون عندها E هي 50 ٪. يمكن حساب E على النحو التالي E =1−(φ/φD)=1−(I/ID)المعادلة 3 حيث φ و φD هما الغلة الكمومية الفلورية للمتبرع في وجود وغياب المستقبل، على التوالي، و I و ID هما شدة الانبعاث المقابلة في أي قياس معين. هنا I و ID يتوافقان مع الحد الأقصى لكثافة انبعاث البروتين الداخلي، وهو 330 نانومتر. عندما تم قياس E في وجود FFA خارجي المنشأ، تم إدخال تصحيح إضافي للتعويض عن أي تعديل في الفلورة الجوهرية لـ TRP بواسطة أي آلية تبريد أخرى مستحثة بـ FFA.Ecorr =E (+Laurdan)-E(− Laurdan)المعادلة 4 حيث Ecorr هي القيمة المحددة تجريبيًا لـ E المصححة عن طريق تبريد الفلورة الجوهرية بواسطة FFA. تم حساب قيم E(+ Laurdan)و E (- Laurdan) باستخدام المعادلة 3 في وجود FFA، مع أو بدون Laurdan، على التوالي. تم حساب Kp بالتعبير التالي. Kp=([FFA]m/[FFA]a)Va/VmEquation 5 حيث أن [FFA]m و [FFA]a هي تركيزات الأحماض الدهنية في طور الغشاء وفي الطور المائي، على التوالي، و Va و Vm هي الأحجام المقابلة للطور المائي والغشاء، على التوالي. يتم تعريف [FFA]m على أنه [FFA]T − [FFA]a، حيث يكون [FFA]T هو تركيز FFA المضاف. من الناحية التجريبية، تم الحصول على قيم Kp باستخدام ADIFAB، والتي تستجيب لربط FFA مع تحول في انبعاث الفلورة من 432 نانومتر في الشكل إلى 488 نانومتر في الشكل الكلي. ونتيجة لذلك، يمكن تحديد [FFA]a من نسبة شدة التألق عند 488 نانومتر إلى 432 نانومتر (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld AM الكيمياء الحيوية. 1993 ؛ 32: 530-536 الباحث العلمي من Google)، وفقًا للتعبير التالي.[FFA]a=KdQ(R− R0)/(Rmax−R)المعادلة 6 حيث R هي النسبة المقاسة من شدة 488 إلى 432 نانومتر، Ro هي هذه النسبة مع عدم وجود FFA، Rmax هي القيمة عندما يكون ADIFAB مشبعًا بـ FFA، و Q =IF(432)/Ib(432)، حيث IF (432) و Ib(432) هي شدة ADIFAB بتركيزات صفرية ومشبعة من FFA، على التوالي. على أساس التحليل العددي لبيانات معايرة FFA، وجد أن قيم Q و Rmax هي 19.5 و 11.5 على التوالي (40Richieri G.V. Ogata r.T. Kleinfeld AM J. Biol. Chem. 1992 ؛ 267: 23495-23501 الباحث العلمي من Google). هذه القيم ثابتة لجميع FFA. Kd هو ثابت التفكك لـ FFA (ADIFAB - ⇔ FFA ADIFAB + FFA)، محسوبًا من مخطط تم الحصول عليه بمعايرة ADIFAB مع FFA، بعد الخطية وفقًا لشكل لوغاريتمي من المعادلة 6 (مخطط التل). تم الحصول على Kdvalues باستخدام التعبير التالي.[FFA]a=[FFA]T−[ADIFAB]×{A /( 1+A)}المعادلة 7 حيث كان A = Q(R -Ro)/(Rmax −R) و [ADIFAB] 0.2 ميكرومتر. تم تحويل [FFA]T لكل إضافة إلى تركيزها الفعال داخل الغشاء ([FFA]e) باستخدام المعادلة التالية. [FFA]e=CL×[FFA] TEquation 8 حيث CL = Kp /{ 1 +( Kp − 1) γL [L]}، γL هو الحجم المولي للدهون، و [L] هو تركيز الدهون في الكوة، والذي يزداد لكل إضافة لـ FFA. تم افتراض قيمة 0.95 dm3/L (طور سائل ثنائي بالميتويل فوسفاتيديل كولين) لأن الأغشية الغنية بـ AChR في طور السائل عند 20 درجة مئوية (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutie árrez - Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996 ؛ 70: 1275-1284 الباحث العلمي من Google). تم إجراء المقارنات بين المجموعات عن طريق اختبار الضعف. تم قبول الأهمية الإحصائية على أنها p < 0.05. لمقارنة التأثيرات الناجمة عن وجود FFA خارجي مختلف على الغشاء الغني بـ AChR الأصلي من T. marmorata، قمنا أولاً بقياس معامل التقسيم الخاص بهم. هناك عدة طرق لقياس معاملات تقسيم الدهون في الأغشية، ولكن الميزة الواضحة لاستخدام ADIFAB هي أنه ليس من الضروري فصل الأحماض الدهنية الحرة والمرتبطة بالغشاء ماديًا، كما هو الحال عند استخدام الأحماض الدهنية الموسومة بالأشعة، وهي طريقة أكثر عرضة للخطأ. ADIFAB، بروتين ربط الأحماض الدهنية المعوية الموسومة بالأكريلودان (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld AM الكيمياء الحيوية. 1993 ؛ 32: 530-536 الباحث العلمي من Google، 40Richieri G.V. Ogata R.T. Kleinfeld AM J. Biol. CHEM. 1992 ؛ 267: 23495-23501 الباحث العلمي من Google)، هو مؤشر فلورسنت مناسب لقياس تركيز FFA في نطاق 1 نانومتر إلى 20 ميكرومتر. يعتمد الكشف عن FFA بواسطة ADIFAB على تغيير في موضع علامة الفلورسنت الأكريلودان بالنسبة لجيب الربط غير القطبي للبروتين عندما يكون الأخير مشغولًا بحمض دهني. يخضع ADIFAB لتحول طيفي ملحوظ على ربط FFA، مما يسمح بتحديد تركيزات FFA من نسبة شدة التألق للأشكال المقيدة وغير المقيدة، المقاسة عند حوالي 488 و 432 نانومتر، على التوالي. في المثال الموضح في الشكل 1، يتضح الانخفاض في الشدة عند 432 نانومتر والزيادة المقابلة عند 488 نانومتر من طيف ADIFAB عند معايرة الغشاء الغني بـ AChR من T. marmorata مع حمض الأراكيدونيك. باستخدام المعادلتين 6 و 5، حصلنا على قيم ثابت التفكك (Kd) ومعامل التقسيم (Kp) للأحماض الدهنية المختلفة و ADIFAB في محلول مائي وفي وجود أغشية طوربيد غنية بـ AChR، على التوالي (الجدول الأول). سمحت لنا قيم Kp المحسوبة بتصنيف الأحماض الدهنية إلى ثلاث مجموعات مختلفة: (1) الأحماض الدهنية غير الآلفة للماء للغاية، مثل 20:0 و 18:0 ؛ (2) الأحماض الدهنية غير الآلفة للماء أقل، مثل 18: 1cis و 18: 1trans، و (3) المزيد من الأحماض الدهنية الآلفة للماء، مثل 18:2، 18: 3، 20: 4، و 22: 6. الجدول IFatty acid - ADIFAB ثوابت التفكك (Kd) والحمض الدهني الأصلي Torpedo AChR - الغنية بمعاملات تقسيم الغشاء (Kp) الأحماض الدهنية KdKp (× 10−4) دهني (18:0) 0.49114.5 ± 17Arachidic (20: 0) 0.72156.5 ± 12Oleic (cis18: 1) 0.2654.6 ± 10Elaidic (trans18: 1) 0.266.9 ± 20Linicole (18: 2) 2.407 ± 0.5Linic (3،322 ± 0.1Arachonic (20: 4،218 ± 22،2xheocic) في الجدول المفتوح 1.910 ± 0.76 تم إضافة القيم التجريبية الجديدة للأحماض الدهنية الأصلية الغنية في الغشاء في وقت لاحق إلى التركيزات الدسمة المستخدمة في كل "إجراء تجريبي". لدراسة تعديل الخصائص الفيزيائية للغشاء الطوربيد الناجم عن وجود FFA، استغلنا حساسية المسبار الفلوري البرمجي Laurdan الرائعة لحالة الطور للغشاء. لقد استخدمنا سابقًا ما يسمى بـ GP of Laurdan كأداة حساسة لقياس الحالة الفيزيائية للغشاء الغني بـ AChR الأصلي لطوربيد (25Antollini S.S. Barrantes F.J. الكيمياء الحيوية. 1998 ؛ 37: 16653-16662 الباحث العلمي من Google، 41Antollini S.S. Soto M.A. Bonini de Romanelli I Gutie érrez - Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996 ؛ 70: 1275-1284 الباحث العلمي من Google). في العمل الحالي، بحثنا في التعديل المحتمل لقطبية كل من حزام AChR ومناطق الدهون السائبة بواسطة الأحماض الدهنية. تم الحصول على قيم Laurdan GP عن طريق الإثارة المباشرة (عند 360 نانومتر) أو في ظل ظروف الحنق، باستخدام فلورة الغشاء الداخلي كمانح (الإثارة عند 290 نانومتر) وجزيئات Laurdan كمستقبل. في عمل سابق، وصفنا هذا النظام وأظهرنا أن قيم الممارس العام التي تم الحصول عليها في ظل ظروف الحوض تظهر قيمًا مطلقة أعلى من تلك التي تم الحصول عليها عن طريق الإثارة المباشرة للمسبار، مما يشير إلى أن البيئة الدقيقة لـ AChR لها قطبية أقل من الدهون السائبة (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutie árrez - Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996 ؛ 70: 1275-1284 الباحث العلمي من Google). يمكن مقارنة التغيرات في قيم GP الناتجة عن FFA المختلفة باستخدام التركيز الفعال لكل حمض دهني داخل الغشاء، محسوبة باستخدام قيم Kp الخاصة بها (الشكل 2). وجدنا أن إضافة FFA إلى غشاء طوربيد الأصلي غيرت قيم GP، وإن كانت بدرجات مختلفة، بطريقة تعتمد على التركيب الكيميائي للأحماض الدهنية. أدت الأحماض الدهنية غير المشبعة إلى انخفاض قيم GP، في حين تسببت الأحماض الدهنية المشبعة في زيادة طفيفة. لوحظت اختلافات ذات دلالة إحصائية بين الأحماض الدهنية المختلفة: 18:0–18: 1cis (p < 0.005 )؛ 18:1–18:2 (p < 0.001 )؛ 18:2–18:3 (p < 0.001 )؛ 18:2–20:4 (p< 0.005 )؛ 18:2–22:6 (p < 0.001 )؛ 18:3–20:4 (p < 0.001 )؛ 18:3–22:6 (p < 0.001 )؛ و 20:4–22:6 (p < 0.025)، والاستثناء هو 18:0–20:0 (p > 0.05). في الأحماض الدهنية، تحفز كل رابطة مزدوجة شبكية تقارب 30درجة في سلسلة الأسيل (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer - Verlag، برلين، ألمانيا 1996: 1-15 الباحث العلمي من Google). وهكذا، فإن الأحماض الدهنية ذات الروابط المزدوجة المتعددة تخضع لتغيرات ملحوظة في اتجاه محورها الجزيئي الرئيسي، مما يؤدي إلى زيادة في مساحة المقطع العرضي لسلسلة الهيدروكربون على الحد الأدنى الموجود في الأحماض الدهنية المشبعة. يشير الانخفاض في قيم الممارس العام الناجم عن FFA غير المشبعة إلى زيادة في القطبية داخل البيئة الدقيقة في لوردان. وهذا بدوره انعكاس واضح لاضطراب الطبقة الثنائية الناجم عن السلاسل الملتوية للأحماض الدهنية غير المشبعة، مما يزيد من محتوى جزيئات الماء في الغشاء. على النقيض من FFA غير المشبعة، فإن FFA المشبعة تحفز زيادة طفيفة فقط في GP وبالتالي انخفاض طفيف في القطبية وبالتالي في كمية الماء في الغشاء. وبعبارة أخرى، فإن الأحماض الدهنية المشبعة تحفز تأثير ترتيب طفيف في الغشاء، ربما بسبب بنيتها الخطية الصلبة. تمت دراسة تأثير أيزومرة الأحماض الدهنية على الممارس العام بعد ذلك. ولوحظ اختلاف ملحوظ في التأثير الناجم على لوردان GP بنسبة 18: 1cis (حمض الأوليك) و 18: 1trans(حمض elaidic) (الشكل. 3). في حين أن حمض الأوليك قلل من قيم GP، إلا أن حمض Elaidic لم يسبب أي تغييرات. مرة أخرى، فإن الاختلاف في التركيب الجزيئي لهذه الأحماض الدهنية هو تفسير معقول لهذا السلوك، لأنه كما هو مذكور أعلاه، فإن الروابط المزدوجة رابطة الدول المستقلة تحفز التواء في السلسلة، في حين أن الروابط المزدوجة العابرة لا تنتج أي تغيير في اتجاه السلسلة (الشكل 3، مدرج). في عمل سابق، تمكنا من التمييز بين المواقع المتميزة للدهون الفوسفورية والستيرول، وكلاهما يمكن الوصول إليه من الأحماض الدهنية، عند واجهة البروتين الدهني في الغشاء الأصلي للطوربيد، من خلال قياس انخفاض E بين الفلورة الداخلية للغشاء (بقايا التريبتوفان) و Laurdan عند إضافة الدهون الخارجية المختلفة (25Antollini S.S. Barrantes F.J. الكيمياء الحيوية. 1998 ؛ 37: 16653-16662 الباحث العلمي من Google). هنا قمنا بقياس التغيرات في E بين AChR و Laurdan، الناتجة عن إضافة FFA بطول سلسلة مختلف ودرجة تشبع. أدت إضافة FFA إلى تقليل كفاءة FRET بطريقة تعتمد على التركيز. كان الانخفاض الأقصى لـ E الذي حققته جميع الأحماض الدهنية متشابهًا جدًا (50 ٪) (الشكل. 4). يشير هذا إلى أن جميع الأحماض الدهنية، بغض النظر عن خصائصها الفيزيائية، ترتبط بمواقع مماثلة في واجهة البروتين الدهني في الغشاء الأصلي الغني بـ TorpedoAChR. للتأكد مما إذا كانت FFA مختلفة ترتبط بمواقع مماثلة، أجرينا سلسلة إضافية من التجارب باستخدام الاستراتيجية التالية. أضفنا أولاً FFA معين، وبعد الحصول على الانخفاض الأقصى لـ E، أضفنا FFA ثانٍ، مع خصائص هيكلية مماثلة أو مختلفة، إلى العينة. إذا تم ربط FFA مختلفة بمواقع مختلفة، فيجب أن تنخفض E أكثر عند إضافة FFA ثانية، في حين لن يحدث أي انخفاض إضافي في Ewould إذا تنافس FFAان على نفس الموقع. يوضح الشكل 5 (أ و ب) إحدى هذه السلاسل من التجارب. عندما، على سبيل المثال، تمت إضافة 20:0 أولاً، زاد Laurdan GP. عند إضافة FFA ثانٍ، اعتمدت التغييرات في GP على تركيبته الكيميائية ؛ 18:0 تسبب في زيادة أخرى في GP، في حين أن 18:1 و 20:4 انخفضت قيم GP بنفس القدر كما فعلوا بأنفسهم بشكل منفصل. كانت الاختلافات بين قيم الممارس العام التي تم الحصول عليها بعد إضافة الأحماض الدهنية المختلفة ذات دلالة إحصائية في جميع الحالات. فقط في حالة الأحماض الدهنية المشبعة 18:0 و 20:0 وجدنا اختلافات غير ذات دلالة إحصائية. حقيقة أن لوردان GP قد تأثر في ظل ظروف FRET (الشكل 5 ب) هي إشارة واضحة إلى أن FFA الثاني انقسم بشكل جيد في الغشاء وموضعه في منطقة AChR - vicinal. ظل انخفاض Eobtained مع الحمض الدهني الأول (المشبع أو غير المشبع) ثابتًا في وجود حمض دهني ثانٍ، بغض النظر عن خصائصه الفيزيائية (الشكل 5، c - f). في العمل الحالي، استخدمنا تقنيات التألق لدراسة تعديلات الخصائص الفيزيائية للغشاء الغني بـ TorpedoAChR الأصلي عن طريق إضافة الأحماض الدهنية ذات الخصائص الهيكلية المختلفة. حددنا أولاً معامل التقسيم لـ FFA المختلفة باستخدام بروتين ربط الأحماض الدهنية المسمى بالأكريلودان، ADIFAB. مكننا هذا من حساب التركيز الفعال لـ FFA في الغشاء. أعطى القياس الكمي لـ Laurdan GP معلومات عن الحالة الفيزيائية للمنطقة السائبة والشحمية في الغشاء الغني بـ AChR في وجود تركيزات معروفة من FFA. جعلت التغييرات في كفاءة الحموضة الناجمة عن الأحماض الدهنية من الممكن قياس تفاعلات الأحماض الدهنية والبروتينات على مسافات قصيرة من المسبار لوردان. أظهرت معاملات تقسيم FFA، التي تم تحديدها باستخدام خصائص الفلورسنت الخارجية لـ ADIFAB، اختلافات واضحة نسبيًا في Kp بين الأحماض الدهنية المختلفة (الجدول الأول). على الرغم من أن FFA هي مركبات مسعور للغاية، فإن خصائصها الفيزيائية الكيميائية لها أصل مشترك: ذرات الكربون الخاصة بها تمنح مسعور، والروابط المزدوجة تقلل من أليف الماء في الجزيء (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer - Verlag، برلين، ألمانيا 1996: 1-15 الباحث العلمي من Google). لقد حاولنا ربط هذين التأثيرين المتعاكسين في نفس الجزيء باستخدام خوارزمية تجريبية قمنا بصياغة معامل كراهية الماء الفعلي (AHC). AHC =عدد C/FFA−عدد C في رابطة مزدوجة/FFA عدد C من أطول FFAEquation 9 قمنا بحساب هذا المعامل لجميع FFA التي تمت دراستها وربطها بمعامل التقسيم الخاص بها (الشكل 6). باستخدام هذا النهج، لوحظ أن ميل FFA المختلفة إلى التقسيم في الغشاء يتبع التسلسل: 20: 0 > 18:0 > 18: 1 > 18:2 > 20:4 > 22:6 > 18:3. وفقًا لهذا الترتيب، يمكن تصنيف FFA إلى ثلاث مجموعات مختلفة: (1) الأحماض الدهنية عالية AHC، مثل 20:0 و 18:0 ؛ (2) الأحماض الدهنية من AHC الوسيط، مثل 18: 1cis و 18: 1trans ؛ و (3) الأحماض الدهنية منخفضة AHC، مثل 18:2 و 18:3 و 20:4 و 22:6. أدت جميع الأحماض الدهنية التي تم اختبارها إلى تقليل كفاءة نقل الطاقة،E، بين الفلورة الداخلية للغشاء و Laurdan. في عمل سابق (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998 ؛ 37: 16653-16662 الباحث العلمي من Google)، فسرنا هذا الانخفاض على أنه زيادة في المسافة بين المتبرع والمقبل الناتج عن إزاحة جزيئات لوردان من البيئة الدقيقة للدهون AChR الناجمة عن الدهون المضافة خارجيًا (الشكل 7). كما تمكنا من تحديد مواقع مميزة للدهون الفوسفورية والستيرول وحمض الأوليك. هنا، تحققنا مما إذا كانت المواقع التي يرتبط بها حمض الأوليك هي نفس المواقع التي ترتبط بها الأحماض الدهنية الأخرى. حقيقة أنه لوحظ انخفاض مماثل في E لجميع FFA هو مؤشر قوي على أن هذا هو الحال بالفعل. هناك دليل آخر يدعم الفرضية المذكورة أعلاه وهو أن إضافة حمض دهني ثانٍ لم ينتج عنه انخفاض إضافي في E ناتج عن الحمض الدهني الأول. النتيجة الأكثر إثارة للدهشة في العمل الحالي هي أنه على الرغم من أن جميع الأحماض الدهنية قد حلت محل نظير الأحماض الدهنية مثل لوردان بنفس القدر تقريبًا (الشكل 4)، إلا أن الأحماض الدهنية المختلفة أخلت بالخصائص الفيزيائية للأغشية الغنية بـ طوربيد AChR الأصلي بشكل مختلف تمامًا، بطريقة تعتمد بشدة على بنيتها (الشكل 2). وهكذا، طلبت الأحماض الدهنية المشبعة الغشاء، في حين أن الأحماض الدهنية غير المشبعة اختلتها. إن تطبيق إعادة ترتيب جبري بسيط للتغييرات في GP جعل من الممكن تصنيف تأثيرات FFA. تأثير FFA =(GPfinal − GPinitial/(GPg − GP1c)المعادلة 10 حيث GPfinal و GPinitial هي قيم GP التي تم الحصول عليها عند نفس التركيز الفعال للأحماض الدهنية في الغشاء وقبل إضافة الأحماض الدهنية، على التوالي، و GPg و GPlc هي قيم GP الأكبر والأصغر التي تم الحصول عليها للجيل النقي والطور البلوري السائل، على التوالي. تم قياس GPg (0.61) و GPlc (−0.19) تجريبيًا عند 20 درجة مئوية في DOPC متعدد الطبقات و dipalmitoylphosphatidylcholine liposomes، والتي هي في مرحلتي البلورة السائلة والجيل، على التوالي. بتطبيق المعادلة 10، تراوحت التغييرات الناجمة عن FFA من الترتيب (القيم الإيجابية لتأثير FFA) إلى تأثيرات التشويش (القيم السلبية لتأثير FFA) واتبعت التسلسل: 20:0 (0.016) > 18:0 (0.005) > 18: 1cis (−0.047) > 18:2 (−0.046) > 20:4 (−0.047) > 22:6 (−0.047) > 18:3 (−0.056). علاوة على ذلك، في حين أن 18: 1cis (حمض الأوليك) تسبب في تأثير اختلال صافٍ، فإن 18: 1trans (حمض الأليديك) لم ينتج عنه أي تغيير على الإطلاق في قيم GP (الشكل 3). يمكّننا هذا من استنتاج أن طول سلسلة الكربون FFA بالإضافة إلى عدد الروابط المزدوجة وتكوينها الكيميائي التجسيمي هي محددات مهمة للتأثيرات الفريدة لـ FFA المختلفة على الخصائص الفيزيائية للغشاء الغني بـ Torpedo AChR. في خلايا BC3H -1 الحية في المزرعة، تمارس الأحماض الدهنية تأثيرات مثبطة على نشاط قناة AChR (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993 ؛ 1: 251-258 الباحث العلمي من Google). يتم ملاحظة هذه التأثيرات أيضًا في بقع الغشاء المستأصلة من الخلية وبالتالي لا يتم التوسط فيها بواسطة مسارات نقل الإشارة التي تتطلب عوامل قابلة للذوبان مثل النيوكليوتيدات و Ca2+. وبالتالي، يبدو أن الأحماض الدهنية تنظم عمل قناة AChR مباشرة، بقدر ما تنظم عمل العديد من الإنزيمات المنقاة والقنوات الأخرى (43Ordway RW Singer JJ Walsh Jr., J.V. Trends Neurosci. 1991 ؛ 14: 96-100 الباحث العلمي من Google). في الخلايا العصبية الهدبية الفرخية وفي النوع العصبي α 7 AChR المعبر عنه بشكل غير متجانس في بويضات Xenopus، كان FFA المشبع أو مع رابطة مزدوجة واحدة فقط له تأثير ضئيل على التيارات بوساطة ACh، في حين أن FFA مع اثنين أو ثلاثة روابط مزدوجة أنتجت تأثيرات مثبطة جزئية ولكن أقل فعالية من حمض الأراكيدونيك (44Vijayaraghavan S. Huang B. Blumenthal E.M. Berg D.K. J. Neurosci. 1995 ؛ 15: 3679-3687 الباحث العلمي من Google). كما تم الإبلاغ عن أن FFA الأخير يثبط التيارات بوساطة ACh في الخلايا العصبية المتعاطفة مع الضفدع (17Minota S. Watanabe S. J. Neurophysiol. 1997 ؛ 78: 2396-2401 الباحث العلمي من Google). الآلية التي تمنع بها 20:4 أو الأحماض الدهنية الأخرى انتقال النيكوتين غير معروفة. لمراعاة هذه التأثيرات المثبطة على وظيفة AChR، تم اقتراح ربط الأحماض الدهنية بموقع(مواقع) عند واجهة الدهون- ACHR و/أو اضطراب البيئة الدقيقة للمستقبلات المحلية. يبدو أن الأحماض الدهنية المختلفة هيكليًا (1) تغير جميعها وظيفة AChR بطريقة مماثلة، من حيث فترات القناة المفتوحة أحادية القناة على مستوى الدقة المحققة (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993 ؛ 1: 251-258 الباحث العلمي من Google )؛ (2) يحتل مواقع مكافئة في واجهة البروتين الدهني، في الواقع نفس مواقع الكوليسترول والدهون الفوسفورية (25Antollini S.S. Barrantes F.J. الكيمياء الحيوية. 1998 ؛ 37: 16653-16662 الباحث العلمي من Google )؛ و (3) إحداث تغييرات في سيولة البيئة الدقيقة للدهون AChR التي تعتمد بوضوح على تركيبها الكيميائي. وبالتالي، من الصعب الحفاظ على تفسير عمل الأحماض الدهنية الذي يتوسط فقط من خلال تغيرات السيولة، لأن الأحماض الدهنية المختلفة تحفز التغيرات في سيولة الغشاء بعلامة وحجم مختلفين ؛ بعضها في الواقع لا يحفز أي تغيير على الإطلاق. نقترح أن العمل المباشر لـ FFA في إزاحة الدهون الأساسية من مواقعها في واجهة البروتين الدهني وليس التغييرات في الخصائص السائبة مثل سيولة الغشاء هي المسؤولة عن التأثير المثبط لـ FFA على وظيفة AChR.

Translated Description (French)

Pour étudier les effets produits par les acides gras libres (AGL) sur les propriétés biophysiques des membranes natives riches en récepteurs d'acétylcholine marmoratanicotiniques de Torpille et pour étudier la topologie de leur (s) site(s) de liaison, des mesures de fluorescence ont été effectuées à l'aide de la sonde fluorescente Laurdan (6-dodécanoyl-2- (diméthylamino) naphtalène) et ADIFAB, une protéine intestinale de liaison aux acides gras dérivée de l'acrylodane. La polarisation généralisée (GP) de la première sonde a été utilisée pour en savoir plus sur l'état physique de la membrane lors de la liaison FFA. Les AGF saturés ont induit une légère augmentation de la GP, où les acides gras non saturés par l'ascis ont diminué la GP. On pouvait également distinguer l'isomérie de la double liaison ; l'acide oléique (18: 1cis) induisait un effet désordonnant net, tandis que l'acide élaïdique (18:1trans) ne produisait aucun changement dans la GP. Les changements dans l'efficacité du transfert d'énergie de Förster de la protéine à Laurdan provoqués par l'ajout de FFA, ainsi que les distances impliquées dans ce processus, indiquent que tous les FFA étudiés partagent un site commun à l'interface lipide-protéine. Cependant, bien qu'elles soient situées sur le même site, chaque classe d'AGF diffère dans son effet sur les propriétés physiques de la membrane. Ces données nous amènent à suggérer que c'est l'action directe des AGF à l'interface lipide-protéine, déplaçant les lipides essentiels de leurs sites plutôt que des changements dans les propriétés en vrac telles que la fluidité de la membrane qui explique l'effet des AGF sur la membrane du récepteur de l'acétylcholine. Pour étudier les effets produits par les acides gras libres (AGL) sur les propriétés biophysiques des membranes natives riches en récepteurs d'acétylcholine marmoratanicotiniques de Torpille et pour étudier la topologie de leur (s) site(s) de liaison, des mesures de fluorescence ont été effectuées à l'aide de la sonde fluorescente Laurdan (6-dodécanoyl-2- (diméthylamino) naphtalène) et ADIFAB, une protéine intestinale de liaison aux acides gras dérivée de l'acrylodane. La polarisation généralisée (GP) de la première sonde a été utilisée pour en savoir plus sur l'état physique de la membrane lors de la liaison FFA. Les AGF saturés ont induit une légère augmentation de la GP, où les acides gras non saturés par l'ascis ont diminué la GP. On pouvait également distinguer l'isomérie de la double liaison ; l'acide oléique (18: 1cis) induisait un effet désordonnant net, tandis que l'acide élaïdique (18:1trans) ne produisait aucun changement dans la GP. Les changements dans l'efficacité du transfert d'énergie de Förster de la protéine à Laurdan provoqués par l'ajout de FFA, ainsi que les distances impliquées dans ce processus, indiquent que tous les FFA étudiés partagent un site commun à l'interface lipide-protéine. Cependant, bien qu'elles soient situées sur le même site, chaque classe d'AGF diffère dans son effet sur les propriétés physiques de la membrane. Ces données nous amènent à suggérer que c'est l'action directe des AGF à l'interface lipide-protéine, déplaçant les lipides essentiels de leurs sites plutôt que des changements dans les propriétés en vrac telles que la fluidité de la membrane qui explique l'effet des AGF sur la membrane du récepteur de l'acétylcholine. acide(s) gras libre (s) à coefficient d'hydrophobicité réel du récepteur nicotinique de l'acétylcholine polarisation généralisée par transfert d'énergie par résonance de Förster Le récepteur nicotinique de l'acétylcholine (AChR)1 est une protéine membranaire intégrale profondément ancrée dans la région post-synaptique des muscles, des électrocytes et des cellules nerveuses. Des preuves expérimentales provenant de divers groupes, y compris le nôtre, corroborent l'idée que la fonction de ce canal rapide à porte ligand est influencée par son microenvironnement lipidique (voir les revues dans Refs. 1Barrantes F.J. FASEB J. 1993 ; 7: 1460-1467Google Scholar, 2Barrantes F.J. Watts A. Protein-Lipid Interactions : New Comprehensive Biochemistry. 26. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam1993: 231-257Google Scholar, 3Barrantes F.J. Antollini S.S. Bouzat C. Garbus I. Massol R.H. Kidney Int. 2000 ; 57: 1382-1389Google Scholar). Bien que l'apparition d'interactions spécifiques entre la région transmembranaire de l'AChR et les molécules lipidiques adjacentes dans la membrane ait été rapportée (4Giraudat J. Montecucco C. Bisson R. Changeux J.P. Biochemistry. 1985 ; 24: 3121-3127Google Scholar, 5Blanton M.P. Cohen J.B. Biochemistry. 1992 ; 31: 3738-3750Google Scholar, 6Blanton M.P. Cohen J.B. Biochemistry. 1994 ; 33: 2859-2872Google Scholar), la nature exacte de ces interactions n'a pas été clairement établie. La première coquille de lipides autour de l'AChR, le lipide dit annulaire (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978 ; 75: 4329-4333Google Scholar, 8Marsh D. Watts A. Barrantes F.J. Biochim. Biophys. Acta. 1981 ; 645: 97-101Google Scholar), présente des caractéristiques distinctes, telles qu'un degré d'ordre plus élevé et une mobilité plus faible que les lipides en vrac. Cette région spécialisée de la membrane a fait l'objet d'une attention particulière en tant que domaine candidat probable où se produit la modulation de la fonction AChR par les lipides (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978 ; 75: 4329-4333Google Scholar, 9Bhushan A. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1990 ; 1027: 93-101Google Scholar). La présence à la fois de cholestérol et de phospholipides chargés négativement (10Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. Biochemistry. 1982 ; 21: 3622-3629Google Scholar, 11Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. J. Biol. Chem. 1984 ; 259: 9188-9198Google Scholar, 12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987 ; 26: 3871-3880Google Scholar, 13McCarthy M.P. Moore M.A. J. Biol. Chem. 1992 ; 267: 7655-7663Google Scholar, 14Bhushan A. McNamee M.G. Biophys J. 1993 ; 64: 716-723Google Scholar, 15Ryan S.E. Demers C.N. Chew J.P. Baenziger J.E. J. Biol. Chem. 1996 ; 271: 24590-24597Google Scholar, 16Rankin S.E. Addona G.H. Kloczewiak M.A. Bugge B. Miller K.W. Biophys. J. 1997 ; 73: 2446-2455Google Scholar) s'est avéré nécessaire pour une bonne translocation ionique in vitro médiée par AChR. Diverses hypothèses ont été émises pour expliquer cette dépendance fonctionnelle, car ces lipides peuvent modifier les propriétés biophysiques de l'anneau lipidique et/ou de la bicouche lipidique en vrac (12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987 ; 26: 3871-3880Google Scholar, 18Sunshine C. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1992 ; 1108: 240-246Google Scholar, 19Sunshine C. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1994 ; 1191: 59-64Google Scholar). Une deuxième possibilité est l'apparition de sites spécifiques pour certains lipides à la surface lipidique de l'AChR, corroborée par les travaux de plusieurs groupes (20Jones O.T. McNamee M.G. Biochemistry. 1988 ; 27: 2364-2874Google Scholar, 21Narayanaswami V. McNamee M.G. Biochemistry. 1993 ; 32: 12420-12427Google Scholar, 22Dreger M. Krauss M. Herrmann A. Hucho F. Biochemistry. 1997 ; 36: 839-847Google Scholar, 23Corbin J. Wang H.H. Blanton M.P. Biochim. Biophys. Acta. 1998 ; 1414: 65-74Google Scholar, 24Addona G.H. Sandermann H.Jr. Kloczewiak M.A. Husain S.S. Miller K.W. Biochim. Biophys. Acta. 1998 ; 1370: 299-309Google Scholar, 25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998 ; 37: 16653-16662Google Scholar). En interagissant avec ces sites, les lipides stabiliseraient la structure secondaire des segments transmembranaires de l'AChR (12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987 ; 26: 3871-3880Google Scholar, 26Fernandez-Ballester G. Castresana J. Fernandez A.M. Arrondo J.L. Ferragut J.A. Gonzalez-Ros J.M. Biochem. Soc. Trans. 1994 ; 22: 776-780Google Scholar, 27Baenziger J.E. Darsaut T.E. Morris M.L. Biochemistry. 1999 ; 38: 4905-4911Google Scholar). Récemment, Baenziger et al. (28Baenziger J.E. Morris M.L. Darsaut T.E. Ryan S.E. J. Biol. Chem. 2000 ; 275: 777-784Google Scholar) a proposé un modèle de la façon dont la composition lipidique module la fonction de l'AChR, suggérant que la fluidité de la membrane ou une autre propriété en vrac de la membrane module l'équilibre entre les états de repos et de désensibilisation de l'AChR. Ils ont également suggéré qu'en plus de cet effet indirect, l'AChR a un besoin spécifique en lipides anioniques (tels que l'acide phosphatidique) se liant à un site spécifique de l'AChR ou exerçant un effet de charge moins spécifique sur la conformation de l'AChR. Des études antérieures de plusieurs laboratoires ont démontré que les acides gras libres (AGL) inhibent le flux ionique médié par l'AChR in vitro (29Andreasen T.J. McNamee M.G. Biochemistry. 1980 ; 19: 4719-4726Google Scholar, 30Villar M.T. Artigues A. Ferragut J.A. Gonzalez-Ros J.M. Biochim. Biophys. Acta. 1988 ; 938: 35-43Google Scholar) ou in vivo (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993 ; 1: 251-258Google Scholar). L'analyse des données électrophysiologiques monocanal plaide en faveur d'un mécanisme compatible avec l'inhibition non compétitive de l'AChR. De ces études, la conclusion a été tirée que l'effet des AGF est lié à leur caractère hydrophobe, mais le mécanisme exact de l'action des AGF n'est toujours pas clair. Pour étudier davantage la possibilité que ces composés exercent leur effet sur l'AChR à l'interface lipide-protéine et pour étudier la nature de ces effets sur la propriété biophysique de la membrane riche en AChR, nous avons effectué des études de fluorescence en utilisant les sondes fluorescentes Laurdan (6-dodécanoyl-2- (diméthylamino)naphtalène) et ADIFAB, une protéine de liaison aux acides gras intestinaux dérivée de l'acrylodane. Laurdan possède une sensibilité exquise à l'état de phase de la membrane. L'origine physique des propriétés spectrales de Laurdan réside dans sa capacité à détecter la polarité et la dynamique moléculaire des dipôles dans son environnement en raison de l'effet des processus de relaxation dipolaire (32De Parasassi T. Stasio G. d'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990 ; 57: 1179-1186Google Scholar, 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991 ; 60: 179-189Google Scholar). Les principaux dipôles détectés par Laurdan dans la membrane sont des molécules d'eau. En l'absence de relaxation, il en résulte des valeurs élevées de Laurdan GP, indiquant une faible teneur en eau dans la région d'interface hydrophobe/hydrophile de la membrane. Ainsi, les valeurs de GP dépendent de l'étendue de la pénétration de l'eau permise par le garnissage membranaire local et fournissent donc un rapport direct sur l'environnement membranaire AChR. Dans le présent travail, nous avons exploité les propriétés spectroscopiques avantageuses de Laurdan pour étudier l'effet de FFA avec une structure différente dans la membrane native dans laquelle la protéine AChR est incorporée. Des études complémentaires avec ADIFAB ont également été réalisées pour déterminer le coefficient de partage des différents acides gras dans la membrane. Ces informations nous ont permis de comparer les effets causés par les acides gras à la même concentration efficace dans la membrane. Nous avons constaté que la longueur de la chaîne carbonée des acides gras, ainsi que le nombre de doubles liaisons et leur configuration stéréochimique, sont des déterminants importants des effets uniques des différentes espèces d'AGF sur les propriétés physiques de la membrane riche en AChR. De plus, les changements dans l'efficacité du transfert d'énergie de la protéine vers le Laurdan, provoqués par l'ajout de FFA exogènes, ont révélé la présence de sites pour les FFA à l'interface lipide-protéine dans la membrane AChR native. Les données préliminaires ont été présentées sous forme abstraite (34Antollini S.S. Barrantes F.J. Biophys. J. 1999 ; 76 (abstr.): 370Google Scholar). Des spécimens de torpilles marmorata ont été obtenus sur la côte méditerranéenne au large d'Alicante, en Espagne. Ils ont été tués par la moelle, et les organes électriques ont été disséqués et stockés à −70 °C jusqu'à leur utilisation ultérieure. Laurdan et ADIFAB ont été achetés auprès de Molecular Probes (Eugene, OR). Tous les autres médicaments ont été obtenus auprès de Sigma. Des fragments membranaires riches en AChR ont été préparés à partir du tissu électrique de T. marmorata comme décrit précédemment (35Barrantes F.J. Hucho F. Neuroreceptors. W. de Gruyter, Berlin, New York1982: 315-328Google Scholar). Des activités spécifiques de l'ordre de 2,0-2,8 nmol sites d'α-bungarotoxine/mg de protéine ont été obtenues. L'orientation de l'AChR dans les vésicules a été mesurée comme décrit par Hartig et Raftery (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979 ; 18: 1146-1150Google Scholar) en déterminant les sites totaux de liaison aux toxines en présence de Triton X-100 et les sites de liaison aux toxines du côté droit en l'absence de détergent (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979 ; 18: 1146-1150Google Scholar) comme dans les travaux précédents de notre laboratoire (37Gutiérrez-Merino C. Bonini de Romanelli I.C. Pietrasanta L.I. Barrantes F.J. Biochemistry. 1995 ; 34: 4846-4855Google Scholar). Pour les mesures fluorescentes, les membranes riches en AChR ont été suspendues dans le tampon A (150 mm NaCl, 0,25 mmMgCl2 et 20 mm tampon HEPES, pH 7,4) à une concentration finale de 50 μg de protéine/ml (0,2 μm). La densité optique de la suspension membranaire a été maintenue en dessous de 0,1 pour minimiser la diffusion de la lumière. Les sels de sodium de FFA ont été dissous dans le tampon A avec un sonicateur de bain. Dans les mêmes cas, nous avons d'abord préparé une solution mère de sel de sodium FFA dans 4 mm de NaOH, et les aliquotes ont été diluées aux concentrations finales avec du tampon A. Les FFA ont été dissous dans de l'éthanol (dans tous les cas, la quantité d'éthanol ajoutée aux échantillons a été maintenue en dessous de 0,5 %). Toutes les mesures fluorimétriques ont été effectuées dans un fluorimètre SLM modèle 4800 (SLM Instruments, Urbana, IL) à l'aide d'un faisceau lumineux polarisé verticalement à partir d'un arc Hannovia de mercure/xénon de 200 W obtenu avec un polariseur Glan-Thompson (fentes d'excitation et d'émission de 4 nm) et des cuvettes de quartz de 10 × 10 mm. Les spectres d'émission ont été corrigés pour tenir compte des distorsions dépendantes de la longueur d'onde. La température a été réglée à 20 °C avec un bain-marie circulant thermostaté (Haake, Darmstadt, Allemagne). Le Laurdan a été ajouté à des échantillons membranaires riches en AChR à partir d'une solution d'éthanol pour donner une concentration finale de sonde de 0,6 μm. La quantité de solvant organique a été maintenue en dessous de 0,2%. Les échantillons ont été incubés à l'obscurité pendant 60 min à température ambiante. Excitation GP (exGP) (32De Parasassi T. Stasio G. d'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990 ; 57: 1179-1186Google Scholar, 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991 ; 60: 179-189Google Scholar) a été calculé comme suit. exGP=(I434 −I490)/(I434 −I490)Équation 1 où I434 et I490 sont les intensités d'émission à la longueur d'onde caractéristique de la phase gel (434 nm) et de la phase cristalline liquide (490 nm), respectivement. Les valeurs GP d'excitation ont été obtenues à partir de spectres d'émission obtenus avec une longueur d'onde d'excitation de 360 nm. L'efficacité de transfert d'énergie (E) par rapport à tous les autres processus de désactivation du donneur excité dépend de la sixième puissance de la distance entre le donneur et l'accepteur. Selon la théorie de Fö rster (38Förster Th. Ann. Phys. (Leipzig). 1948 ; 2: 55-75Google Scholar), E est donnée par l'équation suivante. E=R06/(R06+r6)Équation 2 où r est la distance intermoléculaire et Ro est un paramètre constant pour chaque paire donneur-accepteur, défini comme la distance à laquelle E est de 50 %. E peut être calculé comme suit : E =1−(φ/φD)=1−(I/ID)Équation 3 où φ et φD sont les rendements quantiques de fluorescence du donneur en présence et en absence de l'accepteur, respectivement, et I et ID sont les intensités d'émission correspondantes dans toute mesure donnée. HereI et ID correspondent à l'intensité maximale d'émission de protéines intrinsèques, qui est de 330 nm. Lorsque E a été mesuré en présence de FFA exogène, une correction supplémentaire a été introduite pour compenser toute modification de la fluorescence intrinsèque de Trp par tout autre mécanisme d'extinction induit par FFA. Ecorr =E(+ Laurdan)−E(− Laurdan)Équation 4 où Ecorr est la valeur de E déterminée expérimentalement corrigée par l'extinction de la fluorescence intrinsèque par le FFA. Les valeurs E(+ Laurdan)et E(−Laurdan) ont été calculées à l'aide de l'équation 3 en présence de FFA, avec ou sans Laurdan, respectivement. Kp a été calculé avec l'expression suivante. Kp=([FFA]m/[FFA]a)Va/VmEquation 5 où [FFA]m et [FFA]a sont les concentrations d'acide gras dans la phase membranaire et dans la phase aqueuse, respectivement, et Va et Vm sont les volumes correspondants des phases aqueuse et membranaire, respectivement. [FFA]m est défini comme [FFA]T − [FFA]a, où [FFA]T est la concentration de FFA ajoutée. Expérimentalement, les valeurs de Kp ont été obtenues en utilisant ADIFAB, qui répond à la liaison FFA avec un décalage de l'émission de fluorescence de 432 nm dans l'apoforme à 488 nm dans l'holoforme. En conséquence, [FFA]a peut être déterminé à partir du rapport de l'intensité de fluorescence à 488 nm à celle à 432 nm (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld A.M. Biochemistry. 1993 ; 32: 530-536Google Scholar), selon l'expression suivante.[FFA]a= KdQ (R−R0)/(Rmax−R)Équation 6 où R est le rapport mesuré des intensités de 488 à 432 nm, Ro est ce rapport sans FFA présent, Rmax est la valeur lorsque ADIFAB est saturé en FFA, et Q =IF(432)/Ib(432), où IF (432) et Ib(432) sont les intensités ADIFAB avec des concentrations nulles et saturantes de FFA, respectivement. Sur la base de l'analyse numérique des données de titrage des AGF, les valeurs Q et Rmax ont été respectivement de 19,5 et 11,5 (40Richieri G.V. Ogata R.T. Kleinfeld A.M. J. Biol. Chem. 1992 ; 267: 23495-23501Google Scholar). Ces valeurs sont constantes pour toutes les FFA. Kd est la constante de dissociation pour FFA (ADIFAB-FFA ⇔ ADIFAB + FFA), calculée à partir d'un tracé obtenu par titrage de ADIFAB avec FFA, après linéarisation selon une forme logarithmique de l'équation 6 (tracé de Hill). Les valeurs Kd ont été obtenues en utilisant l'expression suivante.[FFA]a=[FFA]T−[ADIFAB]×{A/(1+A)}Équation 7 où A = Q(R −Ro)/(Rmax −R) et [ADIFAB] était de 0,2 μm. La [FFA]T pour chaque addition a été convertie en sa concentration effective à l'intérieur de la membrane ([FFA]e) en utilisant l'équation suivante. [FFA]e=CL×[FFA]TEquation 8 où CL = Kp/{1 + (Kp − 1) γL [L]}, γL est le volume molaire lipidique, et [L] est la concentration lipidique dans la cuvette, qui augmente à chaque ajout de FFA. Une valeur de 0,95 dm3/L (phase fluide dipalmitoylphosphatidylcholine) a été supposée parce que les membranes riches en AChR sont dans une phase fluide liquide à 20 °C (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutié rrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996 ; 70: 1275-1284Google Scholar). Les comparaisons intergroupes ont été effectuées par test t altéré. La signification statistique a été acceptée comme p < 0,05. Pour comparer les effets causés par la présence de différents FFA exogènes sur la membrane native riche en AChR de T. marmorata, nous avons d'abord mesuré leur coefficient de partage. Il existe plusieurs méthodes pour mesurer les coefficients de partage des lipides dans les membranes, mais l'avantage évident de l'utilisation d'ADIFAB est qu'il n'est pas nécessaire de séparer physiquement les acides gras libres et les acides gras liés à la membrane, comme c'est le cas lors de l'utilisation d'acides gras radiomarqués, une méthode plus sujette aux erreurs. ADIFAB, an Acrylodan-tagged intestinal fatty acid-binding protein (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld A.M. Biochemistry. 1993 ; 32: 530-536Google Scholar, 40Richieri G.V. Ogata R.T. Kleinfeld A.M. J. Biol. Chem. 1992 ; 267: 23495-23501Google Scholar), est un indicateur fluorescent approprié pour la mesure de la concentration de FFA dans la gamme de 1 nm à 20 μm. La détection de FFA par ADIFAB repose sur un changement de position de l'étiquette fluorescente Acrylodan par rapport à la poche de liaison non polaire de la protéine lorsque celle-ci est occupée par un acide gras. ADIFAB subit un décalage spectral marqué lors de la liaison FFA, permettant la détermination des concentrations FFA à partir du rapport des intensités de fluorescence des formes liées et non liées, mesurées à environ 488 et 432 nm, respectivement. Dans l'exemple illustré à la figure 1, la diminution de l'intensité à 432 nm et l'augmentation correspondante à 488 nm du spectre ADIFAB sont apparentes lors du titrage de la membrane riche en AChR de T. marmorata avec de l'acide arachidonique. En utilisant les équations 6 et 5, nous avons obtenu les valeurs de la constante de dissociation (Kd) et du coefficient de partage (Kp) pour les différents acides gras et ADIFAB en solution aqueuse et en présence de membranes riches en AChR Torpedo, respectivement (Tableau I). Les valeurs de Kp calculées nous ont permis de classer les acides gras en trois groupes différents : (i) des acides gras hautement hydrophobes, tels que 20:0 et 18:0 ; (ii) des acides gras moins hydrophobes, tels que 18: 1cis et 18:1trans, et (iii) des acides gras plus hydrophiles, tels que 18:2, 18: 3, 20: 4 et 22: 6.Table IFatty acid-ADIFAB dissociation constants (Kd) and fatty acid-native Torpedo AChR-rich membrane partition coefficients (Kp)Fatty acidKdKp (× 10−4) Stearic (18:0) 0.49114.5 ± 17Arachidic (20: 0) 0.72156.5 ± 12Oleic (cis18:1) 0.2654.6 ± 10Elaidic (trans18: 1) 0.2666.9 ± 20Linoleic (18: 2) 2.407.0 ± 0.5Linolenic (18: 3) 4.322.7 ± 0.1Arachidonic (20: 4) 2.218.2 ± 1.0Docosahexanoic (22:6) 1.9610.8 ± 0.7 dans un nouveau tableau ouvert Les valeurs de Kp déterminées expérimentalement des acides gras dans la membrane AChR native ont ensuite été utilisées pour transformer la concentration nominale dans une cuvette en une concentration efficace dans chaque « Acide gras Experimental Procedures ». Pour étudier la modification des propriétés physiques de la membrane Torpedonative induite par la présence de FFA, nous avons exploité la sensibilité exquise de la sonde de fluorescence amphiphile Laurdan à l'état de phase de la membrane. Nous avons déjà utilisé le soi-disant GP de Laurdan comme un outil sensible pour mesurer l'état physique de la membrane riche en AChR native deTorpedo (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998 ; 37: 16653-16662Google Scholar, 41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutiérrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996 ; 70: 1275-1284Google Scholar). Dans le présent travail, nous avons étudié la modification possible de la polarité de la ceinture AChR et des régions lipidiques en vrac par les acides gras. Les valeurs de GP de Laurdan ont été obtenues par excitation directe (à 360 nm) ou dans des conditions de FRET, en utilisant la fluorescence membranaire intrinsèque comme donneur (excitation à 290 nm) et les molécules de Laurdan comme accepteur. Dans un travail antérieur, nous avons caractérisé ce système et montré que les valeurs GP obtenues dans des conditions FRET présentent des valeurs GP absolues plus élevées que celles obtenues par excitation directe de la sonde, indiquant que le microenvironnement de l'AChR a une polarité inférieure à celle du lipide en vrac (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutié rrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996 ; 70: 1275-1284Google Scholar). Les changements dans les valeurs de GP causés par différents FFA ont pu être comparés à l'aide de la concentration effective de chaque acide gras à l'intérieur de la membrane, calculée à l'aide de leurs valeurs de Kp (Fig.2). Nous avons constaté que l'ajout de FFA à la membrane native deTorpedo modifiait les valeurs de GP, bien qu'à des degrés différents, d'une manière dépendante de la structure chimique des acides gras. Les acides gras insaturés ont diminué les valeurs de GP, tandis que les acides gras saturés ont provoqué une légère augmentation. Des différences statistiquement significatives ont été observées entre les différents acides gras : 18: 0–18: 1 cis (p < 0,005) ; 18:1–18:2 (p < 0,001) ; 18:2–18:3 (p < 0,001) ; 18:2–20:4 (p< 0,005) ; 18:2–22:6 (p < 0,001) ; 18:3–20:4 (p < 0,001) ; 18:3–22:6 (p < 0,001) ; et 20:4–22:6 (p < 0,025), à l'exception de 18:0–20:0 (p > 0,05). Dans un acide gras, chaque double liaison induit un pli de près de 30° dans la chaîne acyle (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer-Verlag, Berlin, Allemagne1996: 1-15Google Scholar). Ainsi, un acide gras avec plusieurs doubles liaisons subit des changements notables dans la direction de son axe moléculaire principal, entraînant une augmentation de la section transversale de la chaîne hydrocarbonée par rapport au minimum trouvé dans un acide gras saturé. La diminution des valeurs de GP induite par les AGF insaturés indique une augmentation de la polarité au sein du microenvironnement de Laurdan. Cela reflète clairement le désordre de la bicouche causé par les chaînes pliées d'acides gras insaturés, ce qui augmente la teneur en molécules d'eau dans la membrane. Contrairement aux AGF insaturés, les AGF saturés n'induisent qu'une faible augmentation de la GP et donc une légère diminution de la polarité et donc de la quantité d'eau dans la membrane. En d'autres termes, les acides gras saturés induisent un léger effet d'ordonnancement dans la membrane, probablement en raison de leur structure linéaire rigide. L'effet de l'isomérisation des acides gras sur la GP a ensuite été étudié. Une différence notable a été observée dans l'effet causé sur Laurdan GP par 18: 1cis (acide oléique) et 18:1trans (acide élaïdique) (Fig. 3). Alors que l'acide oléique a diminué les valeurs de GP, l'acide élaïdique n'a provoqué aucun changement. Encore une fois, la différence de structure moléculaire de ces acides gras est une explication plausible de ce comportement, car comme indiqué ci-dessus, les liaisons cis-doubles induisent un pli dans la chaîne, alors que les liaisons trans-doubles ne produisent aucun changement dans la direction de la chaîne (Fig. 3, encart). Dans un travail antérieur, nous avons pu distinguer des sites distincts pour les phospholipides et les stérols, tous deux accessibles aux acides gras, à l'interface lipide-protéine dans la membrane native de Torpedo, en mesurant la diminution de E entre la fluorescence intrinsèque de la membrane (résidus de tryptophane) et le Laurdan lors de l'ajout de différents lipides exogènes (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998 ; 37: 16653-16662Google Scholar). Ici, nous avons mesuré les changements de E entre AChR et Laurdan, provoqués par l'ajout de FFA de longueur de chaîne et de degré de saturation différents. L'ajout de FFA a diminué l'efficacité du FRET d'une manière dépendante de la concentration. La diminution maximale de l'E obtenue par tous les acides gras était très similaire (∼ 50 %) (Fig. 4). Cela suggère que tous les acides gras, indépendamment de leurs caractéristiques physiques, se lient à des sites similaires à l'interface lipide-protéine dans la membrane native riche en TorpedoAChR. Pour corroborer si différents FFA se lient à des sites similaires, nous avons mené une série supplémentaire d'expériences en utilisant la stratégie suivante. Nous avons d'abord ajouté un FFA donné, et, après avoir obtenu la diminution maximale de E, nous avons ajouté un deuxième FFA, avec des caractéristiques structurelles similaires ou différentes, à l'échantillon. Si différentes FFA se lient à différents sites, E devrait encore diminuer lorsqu'une deuxième FFA est ajoutée, alors qu'aucune diminution supplémentaire de E ne se produirait si les deux FFA se disputaient le même site. La figure 5 (a et b) montre une telle série d'expériences. Lorsque, par exemple, 20:0 a été ajouté en premier, Laurdan GP a augmenté. Lorsqu'un deuxième AGF a été ajouté, les changements de GP dépendaient de sa structure chimique ; 18:0 a entraîné une augmentation supplémentaire de GP, alors que 18:1 et 20:4 ont diminué les valeurs de GP dans la même mesure qu'ils l'ont fait séparément. Les différences entre les valeurs de GP obtenues après l'ajout de différents acides gras étaient dans tous les cas statistiquement significatives. Ce n'est que dans le cas des acides gras saturés 18:0 et 20:0 que nous avons trouvé des différences statistiquement non significatives. Le fait que Laurdan GP ait été affecté dans des conditions de FRET (Fig. 5b) est une indication claire que le deuxième FFA s'est bien réparti dans la membrane et localisé dans la région AChR-vicinale. La diminution de Eobtenu avec le premier acide gras (saturé ou insaturé) est restée constante en présence d'un second acide gras, indépendamment de ses caractéristiques physiques (Fig. 5, c–f). Dans le présent travail, nous avons utilisé des techniques de fluorescence pour étudier les modifications des propriétés physiques de la membrane native riche en TorpedoAChR par l'ajout d'acides gras ayant différentes caractéristiques structurelles. Nous avons d'abord déterminé le coefficient de partage de différents AGF à l'aide d'une protéine de liaison aux acides gras marquée à l'acrylodane, ADIFAB. Cela nous a permis de calculer la concentration effective du FFA dans la membrane. La quantification de Laurdan GP a fourni des informations sur l'état physique de la région en vrac et de la région lipidique de la ceinture de la membrane riche en AChR en présence de concentrations connues d'AGF. Les changements dans l'efficacité du FRET induits par les acides gras ont permis la mesure des interactions acides gras-protéines à courte distance de la sonde Laurdan. Les coefficients de partage des AGF, déterminés à l'aide des propriétés fluorescentes extrinsèques de l'ADIFAB, ont mis en évidence des différences relativement prononcées de Kp entre différents acides gras (tableau I). Bien que les FFA soient des composés hautement hydrophobes, leurs propriétés physico-chimiques ont une origine commune : leurs atomes de carbone confèrent une hydrophobicité et les doubles liaisons réduisent l'hydrophilie de la molécule (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer-Verlag, Berlin, Allemagne1996: 1-15Google Scholar). Nous avons tenté de relier ces deux effets opposés dans la même molécule en utilisant un algorithme empirique que nous avons inventé le coefficient d'hydrophobicité réel (AHC) .AHC =nombre de C/FFA−nombre de C dans la double liaison/FFAnombre de C de la plus longue FFAEquation 9 Nous avons calculé ce coefficient pour tous les FFA étudiés et l'avons corrélé avec leur coefficient de partage (Fig.6). En utilisant cette approche, on observe que la tendance des différents FFA à se diviser dans la membrane suit la séquence : 20:0 > 18:0 > 18:1 > 18:2 = 20:4 = 22:6 > 18:3. Selon cet ordre, les AGF peuvent être classés en trois groupes différents : (i) les acides gras à teneur élevée en AHC, tels que 20:0 et 18:0 ; (ii) les acides gras d'AHC intermédiaire, tels que 18: 1cis et 18:1trans ; et (iii) les acides gras à faible teneur en AHC, tels que 18:2, 18: 3, 20:4 et 22:6. Tous les acides gras testés ont diminué l'efficacité du transfert d'énergie,E, entre la fluorescence intrinsèque de la membrane et Laurdan. Dans un ouvrage antérieur (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998 ; 37: 16653-16662Google Scholar), nous avons interprété cette diminution comme une augmentation de la distance entre le donneur et l'accepteur résultant du déplacement des molécules de Laurdan du microenvironnement lipidique AChR causé par le lipide ajouté de manière exogène (Fig.7). Nous avons également pu caractériser des sites distincts pour les phospholipides, les stérols et l'acide oléique. Ici, nous avons cherché à savoir si les sites auxquels l'acide oléique se lie sont les mêmes que ceux auxquels d'autres acides gras se lient. Le fait qu'une diminution similaire de E ait été observée pour tous les AGF est une indication forte que c'est bien le cas. Une autre preuve à l'appui de l'hypothèse ci-dessus est que l'ajout d'un deuxième acide gras n'a pas produit une diminution supplémentaire de l'E causée par le premier acide gras. La conclusion la plus frappante du présent travail est que, bien que tous les acides gras aient déplacé un analogue d'acide gras tel que Laurdan dans une mesure presque égale (Fig. 4), différents acides gras ont perturbé les propriétés physiques des membranes natives riches en AChR de Torpille de manière très différente, d'une manière qui dépendait fortement de leur structure (Fig. 2). Ainsi, les acides gras saturés ont ordonné la membrane, tandis que les acides gras insaturés l'ont désordonnée. L'application d'un simple réarrangement algébrique des changements dans GP a permis de classer les effets FFA. Effet FFA =(GPfinal − GPinitial/(GPg − GP1c)Équation 10 où GPfinal et GPinitial sont les valeurs GP obtenues à la même concentration efficace en acides gras dans la membrane et avant l'addition de l'acide gras, respectivement, et GPg et GPlc sont les valeurs GP plus grandes et plus petites obtenues pour un gel pur et une phase cristalline liquide, respectivement. GPg (0,61) et GPlc (−0,19) ont été mesurés expérimentalement à 20 °C dans des liposomes multilamellaires DOPC et dipalmitoylphosphatidylcholine, qui sont dans les phases cristalline liquide et gel, respectivement. En appliquant l'équation 10, les changements induits par les FFA allaient de l'ordre (valeurs positives de l'effet des FFA) au désordre (valeurs négatives de l'effet des FFA) et suivaient la séquence : 20:0 (0,016) > 18:0 (0,005) > 18: 1cis (−0,047) ~ 18:2 (−0,046) ~ 20:4 (−0,047) ~ 22:6 (−0,047) > 18:3 (−0,056). De plus, alors que 18: 1cis (acide oléique) a induit un effet désordonnateur net, 18:1trans (acide élaïdique) n'a produit aucun changement dans les valeurs GP (Fig. 3). Cela nous permet de conclure que la longueur de la chaîne carbonée des FFA ainsi que le nombre de doubles liaisons et leur configuration stéréochimique sont des déterminants importants des effets uniques des différents FFA sur les propriétés physiques de la membrane riche en AChR deTorpedo. Dans les cellules BC3H-1 vivantes en culture, les acides gras exercent des effets inhibiteurs sur l'activité des canaux AChR (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993 ; 1: 251-258Google Scholar). Ces effets sont également observés dans les plaques membranaires excisées de la cellule et ne sont donc pas médiés par les voies de transduction du signal qui nécessitent des facteurs solubles tels que les nucléotides et le Ca2+. Ainsi, les acides gras semblent réguler directement l'action du canal AChR, tout comme ils régulent l'action de plusieurs enzymes purifiées et d'autres canaux (43Ordway R.W. Singer J.J. Walsh Jr., J.V. Trends Neurosci. 1991 ; 14: 96-100Google Scholar). Dans les neurones ciliaires de poulet et dans l'AChR de type neuronal α7 exprimé de manière hétérologue dans les ovocytes de Xenopus, les AGF saturés ou avec une seule double liaison avaient peu d'effet sur les courants médiés par l'ACh, alors que les AGF avec deux ou trois doubles liaisons produisaient des effets inhibiteurs partiels mais moins efficaces que l'acide arachidonique (44Vijayaraghavan S. Huang B. Blumenthal E.M. Berg D.K. J. Neurosci. 1995 ; 15: 3679-3687Google Scholar). Ce dernier FFA a également été rapporté pour inhiber les courants médiés par l'ACh dans les neurones sympathiques de la grenouille-taureau (17Minota S. Watanabe S. J. Neurophysiol. 1997 ; 78: 2396-2401Google Scholar). Le mécanisme par lequel 20:4 ou d'autres acides gras inhibent la transmission nicotinique est inconnu. Pour tenir compte de ces effets inhibiteurs sur la fonction AChR, la liaison des acides gras à un ou plusieurs sites à l'interface lipide-AChR et/ou la perturbation du microenvironnement du récepteur local ont été suggérées. Les acides gras structurellement différents (i) semblent tous altérer la fonction AChR de manière similaire, en termes de durées de canaux ouverts à canal unique au niveau de résolution atteint (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993 ; 1: 251-258Google Scholar) ; (ii) occupent des sites équivalents à l'interface lipide-protéine, en fait les mêmes sites que le cholestérol et les phospholipides (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998 ; 37: 16653-16662Google Scholar) ; et (iii) induisent des changements dans la fluidité du microenvironnement lipidique AChR qui dépendent clairement de leur structure chimique. Ainsi, une explication de l'action des acides gras médiée uniquement par des changements de fluidité est difficile à soutenir, car différents acides gras induisent des changements de fluidité membranaire de signe et d'ampleur différents ; certains n'induisent en fait aucun changement. Nous suggérons que c'est l'action directe des AGF dans le déplacement des lipides essentiels de leurs sites à l'interface lipide-protéine et non des changements dans les propriétés en vrac telles que la fluidité de la membrane qui est responsable de l'effet inhibiteur des AGF sur la fonction AChR.

Translated Description (Spanish)

Para estudiar los efectos producidos por los ácidos grasos libres (AGL) sobre las propiedades biofísicas de las membranas nativas ricas en receptor de acetilcolina marmoratanicotínico Torpedo y para investigar la topología de su (s) sitio(s) de unión, se llevaron a cabo mediciones de fluorescencia utilizando la sonda fluorescente Laurdan (6-dodecanoil-2- (dimetilamino) naftaleno) y ADIFAB, una proteína de unión a ácidos grasos intestinales derivatizada con acrilodano. La polarización generalizada (GP) de la sonda anterior se utilizó para conocer el estado físico de la membrana tras la unión a FFA. Los AGL saturados indujeron un ligero aumento en la GP, mientras que los ácidos grasos insaturados cis disminuyeron la GP. También se pudo distinguir la isomería del doble enlace; el ácido oleico (18: 1cis) indujo un efecto desordenante neto, mientras que el ácido elaídico (18:1trans) no produjo cambios en la GP. Los cambios en la eficiencia de la transferencia de energía de la proteína a Laurdan provocados por la adición de FFA, junto con las distancias involucradas en este proceso, indican que todos los FFA estudiados comparten un sitio común en la interfaz lípido-proteína. Sin embargo, a pesar de estar ubicados en el mismo sitio, cada clase de FFA difiere en su efecto sobre las propiedades físicas de la membrana. Estos datos nos llevan a sugerir que es la acción directa de los FFA en la interfaz lípido-proteína, desplazando los lípidos esenciales de sus sitios en lugar de los cambios en las propiedades a granel, como la fluidez de la membrana, lo que explica el efecto de los FFA en la membrana del receptor de acetilcolina. Para estudiar los efectos producidos por los ácidos grasos libres (AGL) sobre las propiedades biofísicas de las membranas nativas ricas en receptor de acetilcolina marmoratanicotínico Torpedo y para investigar la topología de su (s) sitio(s) de unión, se llevaron a cabo mediciones de fluorescencia utilizando la sonda fluorescente Laurdan (6-dodecanoil-2- (dimetilamino) naftaleno) y ADIFAB, una proteína de unión a ácidos grasos intestinales derivatizada con acrilodano. La polarización generalizada (GP) de la sonda anterior se utilizó para conocer el estado físico de la membrana tras la unión a FFA. Los AGL saturados indujeron un ligero aumento en la GP, mientras que los ácidos grasos insaturados cis disminuyeron la GP. También se pudo distinguir la isomería del doble enlace; el ácido oleico (18: 1cis) indujo un efecto desordenante neto, mientras que el ácido elaídico (18:1trans) no produjo cambios en la GP. Los cambios en la eficiencia de la transferencia de energía de la proteína a Laurdan provocados por la adición de FFA, junto con las distancias involucradas en este proceso, indican que todos los FFA estudiados comparten un sitio común en la interfaz lípido-proteína. Sin embargo, a pesar de estar ubicados en el mismo sitio, cada clase de FFA difiere en su efecto sobre las propiedades físicas de la membrana. Estos datos nos llevan a sugerir que es la acción directa de los FFA en la interfaz lípido-proteína, desplazando los lípidos esenciales de sus sitios en lugar de los cambios en las propiedades a granel, como la fluidez de la membrana, lo que explica el efecto de los FFA en la membrana del receptor de acetilcolina. coeficiente de hidrofobicidad real del receptor nicotínico de acetilcolina ácido(s) graso (s) libre (s) de transferencia de energía de resonancia de Föster polarización generalizada El receptor nicotínico de acetilcolina (AChR)1 es una proteína de membrana integral profundamente incrustada en la región postsináptica del músculo, los electrocitos y las células nerviosas. La evidencia experimental de varios grupos, incluido el nuestro, corrobora la noción de que la función de este canal rápido regulado por ligandos está influenciada por su microambiente lipídico (ver revisiones en Refs. 1Barrantes F.J. FASEB J. 1993; 7: 1460-1467Google Scholar, 2Barrantes F.J. Watts A. Protein-Lipid Interactions: New Comprehensive Biochemistry. 26. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam1993: 231-257Google Scholar, 3Barrantes F.J. Antollini S.S. Bouzat C. Garbus I. Massol R.H. Kidney Int. 2000; 57: 1382-1389Google Scholar). Aunque se ha informado de la aparición de interacciones específicas entre la región transmembrana del AChR y las moléculas lipídicas adyacentes en la membrana (4Giraudat J. Montecucco C. Bisson R. Changeux J.P. Biochemistry. 1985; 24: 3121-3127Google Scholar, 5Blanton M.P. Cohen J.B. Biochemistry. 1992; 31: 3738-3750Google Scholar, 6Blanton M.P. Cohen J.B. Biochemistry. 1994; 33: 2859-2872Google Scholar), la naturaleza exacta de estas interacciones no se ha establecido claramente. La primera capa de lípidos alrededor del AChR, el llamado lípido anular (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978; 75: 4329-4333Google Scholar, 8Marsh D. Watts A. Barrantes F.J. Biochim. Biophys. Acta. 1981; 645: 97-101Google Scholar), exhibe características distintas, como un mayor grado de orden y una menor movilidad que los lípidos a granel. Esta región especializada de la membrana ha recibido especial atención como el dominio candidato probable donde se produce la modulación de la función AChR por los lípidos (7Marsh D. Barrantes F.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1978; 75: 4329-4333Google Scholar, 9Bhushan A. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1990; 1027: 93-101Google Scholar). La presencia tanto de colesterol como de fosfolípidos cargados negativamente (10Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. Biochemistry. 1982; 21: 3622-3629Google Scholar, 11Criado M. Eibl H. Barrantes F.J. J. Biol. Chem. 1984; 259: 9188-9198Google Scholar, 12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987; 26: 3871-3880Google Scholar, 13McCarthy M.P. Moore M.A. J. Biol. Chem. 1992; 267: 7655-7663Google Scholar, 14Bhushan A. McNamee M.G. Biophys J. 1993; 64: 716-723Google Scholar, 15Ryan S.E. Demers C.N. Chew J.P. Baenziger J.E. J. Biol. Chem. 1996; 271: 24590-24597Google Scholar, 16Rankin S.E. Addona G.H. Kloczewiak M.A. Bugge B. Miller K.W. Biophys. J. 1997; 73: 2446-2455Google Scholar) ha demostrado ser necesario para la translocación iónica mediada por AChR adecuada in vitro. Se postularon varias hipótesis para explicar esta dependencia funcional, porque estos lípidos pueden modificar las propiedades biofísicas del anillo lipídico y/o la bicapa lipídica a granel (12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987; 26: 3871-3880Google Scholar, 18Sunshine C. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1992; 1108: 240-246Google Scholar, 19Sunshine C. McNamee M.G. Biochim. Biophys. Acta. 1994; 1191: 59-64Google Scholar). Una segunda posibilidad es la aparición de sitios específicos para ciertos lípidos en la superficie orientada hacia los lípidos del AChR, corroborada por el trabajo de varios grupos (20Jones O.T. McNamee M.G. Biochemistry. 1988; 27: 2364-2874Google Scholar, 21Narayanaswami V. McNamee M.G. Biochemistry. 1993; 32: 12420-12427Google Scholar, 22Dreger M. Krauss M. Herrmann A. Hucho F. Biochemistry. 1997; 36: 839-847Google Scholar, 23Corbin J. Wang H.H. Blanton M.P. Biochim. Biophys. Acta. 1998; 1414: 65-74Google Scholar, 24Addona G.H. Sandermann H.Jr. Kloczewiak MA Husain SS Miller KW Biochim. Biophys. Acta. 1998; 1370: 299-309Google Scholar, 25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar). Al interactuar con estos sitios, los lípidos estabilizarían la estructura secundaria de los segmentos transmembrana de AChR (12Fong T.M. McNamee M.G. Biochemistry. 1987; 26: 3871-3880Google Scholar, 26Fernandez-Ballester G. Castresana J. Fernandez A.M. Arrondo J.L. Ferragut J.A. Gonzalez-Ros J.M. Biochem. Soc. Trans. 1994; 22: 776-780Google Scholar, 27Baenziger J.E. Darsaut T.E. Morris M.L. Biochemistry. 1999; 38: 4905-4911Google Scholar). Recientemente, Baenziger et al. (28Baenziger J.E. Morris M.L. Darsaut T.E. Ryan S.E.J. Biol. Chem. 2000; 275: 777-784Google Scholar) propusieron un modelo de cómo la composición lipídica modula la función del AChR, lo que sugiere que la fluidez de la membrana o alguna otra propiedad a granel de la membrana modula el equilibrio entre los estados de reposo y desensibilizado del AChR. También sugirieron que, además de este efecto indirecto, el AChR tiene un requisito específico para que los lípidos aniónicos (como el ácido fosfatídico) se unan a un sitio específico en el AChR o ejerzan un efecto de carga menos específico sobre la conformación del AChR. Estudios previos de varios laboratorios demuestran que los ácidos grasos libres (AGL) inhiben el flujo iónico mediado por el AChR in vitro (29Andreasen T.J. McNamee M.G. Biochemistry. 1980; 19: 4719-4726Google Scholar, 30Villar M.T. Artigues A. Ferragut J.A. Gonzalez-Ros J.M. Biochim. Biophys. Acta. 1988; 938: 35-43Google Scholar) o in vivo (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993; 1: 251-258Google Scholar). El análisis de los datos electrofisiológicos de un solo canal aboga por un mecanismo compatible con la inhibición no competitiva de la AChR. A partir de estos estudios se llegó a la conclusión de que el efecto de los FFA está relacionado con su carácter hidrófobo, pero aún no está claro el mecanismo exacto de acción de los FFA. Para investigar más a fondo la posibilidad de que estos compuestos ejerzan su efecto sobre AChR en la interfaz lípido-proteína e investigar la naturaleza de estos efectos sobre la propiedad biofísica de la membrana rica en AChR, llevamos a cabo estudios de fluorescencia utilizando las sondas fluorescentes Laurdan (6-dodecanoil-2- (dimetilamino)naftaleno) y ADIFAB, una proteína de unión a ácidos grasos intestinales derivatizada de Acrylodan. Laurdan posee una exquisita sensibilidad al estado de fase de la membrana. El origen físico de las propiedades espectrales de Laurdan reside en su capacidad para detectar la polaridad y la dinámica molecular de los dipolos en su entorno debido al efecto de los procesos de relajación dipolar (32De Parasassi T. Stasio G. d'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990; 57: 1179-1186Google Scholar, 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991; 60: 179-189Google Scholar). Los principales dipolos detectados por Laurdan en la membrana son moléculas de agua. Cuando no se produce relajación, se obtienen altos valores de GP de Laurdan, lo que indica un bajo contenido de agua en la región de interfaz hidrófoba/hidrófila de la membrana. Por lo tanto, los valores de GP dependen del grado de penetración de agua permitido por el relleno de la membrana local y, por lo tanto, proporcionan un informe directo sobre el entorno de la membrana AChR. En el presente trabajo, hemos explotado las propiedades espectroscópicas ventajosas de Laurdan para estudiar el efecto de los FFA con diferente estructura en la membrana nativa en la que está incrustada la proteína AChR. También se realizaron estudios complementarios con ADIFAB para determinar el coeficiente de reparto de los diferentes ácidos grasos en la membrana. Esta información nos permitió comparar los efectos causados por los ácidos grasos a la misma concentración efectiva en la membrana. Encontramos que la longitud de la cadena de carbono de los ácidos grasos, así como el número de dobles enlaces y su configuración estereoquímica, son determinantes importantes de los efectos únicos de las diferentes especies de FFA sobre las propiedades físicas de la membrana rica en AChR. Además, los cambios en la eficiencia de la transferencia de energía de la proteína a Laurdan, provocados por la adición de FFA exógenos, revelaron la presencia de sitios para FFA en la interfaz lípido-proteína en la membrana AChR nativa. Los datos preliminares se han presentado en forma de resumen (34Antollini S.S. Barrantes F.J. Biophys. J. 1999; 76 (abstr.): 370Google Scholar). Se obtuvieron ejemplares de torpedo marmorata de la costa mediterránea de Alicante, España. Se mataron por medio de la decapitación, y los órganos eléctricos se diseccionaron y almacenaron a -70 °C hasta su uso posterior. Laurdan y ADIFAB se compraron a Molecular Probes (Eugene, OR). Todos los demás fármacos se obtuvieron de Sigma. Los fragmentos de membrana ricos en AChR se prepararon a partir del tejido eléctrico de T. marmorata como se describió anteriormente (35Barrantes F.J. Hucho F. Neuroreceptors. W. de Gruyter, Berlín, Nueva York 1982: 315-328Google Scholar). Se obtuvieron actividades específicas del orden de 2,0-2,8 nmol de sitios de α-bungarotoxina/mg de proteína. La orientación de AChR en vesículas se midió como se describe por Hartig y Raftery (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979; 18: 1146-1150Google Scholar) determinando los sitios de unión a toxinas totales en presencia de Triton X-100 y los sitios de unión a toxinas del lado derecho en ausencia de detergente (36Hartig P.R. Raftery M.A. Biochemistry. 1979; 18: 1146-1150Google Scholar) como en trabajos anteriores de nuestro laboratorio (37Gutiérrez-MerinoC. Bonini de Romanelli I.C. Pietrasanta L.I. Barrantes F.J. Biochemistry. 1995; 34: 4846-4855Google Scholar). Para las mediciones fluorescentes, las membranas ricas en AChR se suspendieron en tampón A (NaCl 150 mm, 0,25 mmMgCl2 y tampón HEPES 20 mm, pH 7,4) a una concentración final de 50 μg de proteína/ml (0,2 μm). La densidad óptica de la suspensión de membrana se mantuvo por debajo de 0.1 para minimizar la dispersión de la luz. Las sales de sodio de FFA se disolvieron en tampón A con un sonicador de baño. En los mismos casos, primero preparamos una solución madre de sal de sodio de FFA en NaOH 4 mm, y se diluyeron alícuotas a concentraciones finales con tampón A. Los FFA se disolvieron en etanol (en todos los casos, la cantidad de etanol añadida a las muestras se mantuvo por debajo del 0,5%). Todas las mediciones fluorimétricas se realizaron en un fluorímetro SLM modelo 4800 (SLM Instruments, Urbana, IL) utilizando un haz de luz polarizado verticalmente de un arco de mercurio/xenón Hannovia 200-W obtenido con un polarizador Glan-Thompson (ranuras de excitación y emisión de 4 nm) y cubetas de cuarzo de 10 × 10 mm. Los espectros de emisión se corrigieron para las distorsiones dependientes de la longitud de onda. La temperatura se ajustó a 20 °C con un baño de agua circulante termostatado (Haake, Darmstadt, Alemania). Se añadió Laurdan a muestras de membrana ricas en AChR de una solución de etanol para dar una concentración final de sonda de 0,6 μm. La cantidad de solvente orgánico se mantuvo por debajo de 0.2%. Las muestras se incubaron en la oscuridad durante 60 min a temperatura ambiente. Excitation GP (exGP) (32De Parasassi T. Stasio G. d'Ubaldo A. Gratton E. Biophys. J. 1990; 57: 1179-1186Google Scholar, 33De Parasassi T. Stasio G. Ravagnan G. Rusch R.M. Gratton E. Biophys. J. 1991; 60: 179-189Google Scholar) se calculó de la siguiente manera. exGP =(I434−I490)/(I434 − I490)Ecuación 1 donde I434 e I490 son las intensidades de emisión a la longitud de onda característica de la fase de gel (434 nm) y la fase cristalina líquida (490 nm), respectivamente. Los valores de GP de excitación se obtuvieron a partir de espectros de emisión obtenidos con una longitud de onda de excitación de 360 nm. La eficiencia de transferencia de energía (E) en relación con todos los demás procesos de desactivación del donante excitado depende de la sexta potencia de la distancia entre el donante y el aceptor. Según la teoría de Fö rster (38Förster Th. Ann. Phys. (Leipzig). 1948; 2: 55-75Google Scholar), E viene dada por la siguiente ecuación. E=R06/(R06+r6)Ecuación 2 donde r es la distancia intermolecular y Ro es un parámetro constante para cada par donante-aceptor, definido como la distancia a la que E es 50%. E se puede calcular de la siguiente maneraE =1−(φ/φD)=1−(I/ID)Ecuación 3 donde φ y φD son los rendimientos cuánticos de fluorescencia del donante en presencia y ausencia del aceptor, respectivamente, e I e ID son las intensidades de emisión correspondientes en cualquier medición dada. HereI y ID corresponden a la intensidad de emisión de proteína intrínseca máxima, que es de 330 nm. Cuando se midió E en presencia de FFA exógeno, se introdujo una corrección adicional para compensar cualquier modificación de la fluorescencia intrínseca de Trp por cualquier otro mecanismo de extinción inducido por FFA.Ecorr =E(+ Laurdan)−E(− Laurdan)Ecuación 4 donde Ecorr es el valor determinado experimentalmente de E corregido por la extinción de la fluorescencia intrínseca por el FFA. Los valores de E(+ Laurdan)y E(- Laurdan) se calcularon utilizando la Ecuación 3 en presencia de FFA, con o sin Laurdan, respectivamente. Kp se calculó con la siguiente expresión. Kp=([FFA]m/[FFA] a)Va/Vm Ecuación 5 donde [FFA]m y [FFA] a son las concentraciones de ácido graso en la fase de membrana y en la fase acuosa, respectivamente, y Va y Vm son los volúmenes correspondientes de las fases acuosa y de membrana, respectivamente. [FFA]m se define como [FFA]T − [FFA]a, donde [FFA]T es la concentración de FFA añadida. Experimentalmente, los valores de Kp se obtuvieron usando ADIFAB, que responde a la unión de FFA con un cambio en la emisión de fluorescencia de 432 nm en la apoforma a 488 nm en la holoforma. Como consecuencia, [FFA] a se puede determinar a partir de la relación de la intensidad de fluorescencia a 488 nm a la de 432 nm (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld A.M. Biochemistry. 1993; 32: 530-536Google Scholar), según la siguiente expresión.[FFA] a = KdQ (R−R0)/(Rmax−R)Ecuación 6 donde R es la relación medida de intensidades de 488 a 432 nm, Ro es esta relación sin FFA presente, Rmax es el valor cuando ADIFAB está saturado con FFA, y Q =IF(432)/Ib(432), donde IF (432) e Ib(432) son las intensidades de ADIFAB con concentraciones cero y saturantes de FFA, respectivamente. Sobre la base del análisis numérico de los datos de titulación de FFA, se encontró que los valores de Q y Rmax eran 19.5 y 11.5, respectivamente (40Richieri G.V. Ogata R.T. Kleinfeld A.M. J. Biol. Chem. 1992; 267: 23495-23501Google Scholar). Estos valores son constantes para todos los FFA. Kd es la constante de disociación para FFA (ADIFAB-FFA ADIFAB ⇔ + FFA), calculada a partir de una gráfica obtenida por titulación de ADIFAB con FFA, después de la linealización de acuerdo con una forma logarítmica de la Ecuación 6 (gráfica de Hill). Los valores de Kd se obtuvieron utilizando la siguiente expresión.[FFA]a=[FFA]T−[ADIFAB]×{A/(1+A)}Ecuación 7 donde A = Q(R −Ro)/(Rmax −R) y [ADIFAB] fue 0.2 μm. La [FFA]T para cada adición se convirtió a su concentración efectiva dentro de la membrana ([FFA]e) usando la siguiente ecuación. [FFA]e=CL×[FFA]TEquation 8 donde CL = Kp/{1 + (Kp − 1) γL [L]}, γL es el volumen molar de lípidos y [L] es la concentración de lípidos en la cubeta, que aumenta con cada adición de FFA. Se asumió un valor de 0.95 dm3/L (fase fluida de dipalmitoilfosfatidilcolina) porque las membranas ricas en AChR están en una fase fluida líquida a 20 °C (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutiérrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996; 70: 1275-1284Google Scholar). Las comparaciones intergrupales se realizaron mediante la prueba t de deterioro. Se aceptó la significación estadística como p < 0,05. Para comparar los efectos causados por la presencia de diferentes FFA exógenos en la membrana nativa rica en AChR de T. marmorata, primero medimos su coeficiente de partición. Existen varios métodos para medir los coeficientes de partición de los lípidos en las membranas, pero la clara ventaja de usar ADIFAB es que no es necesario separar físicamente los ácidos grasos libres y unidos a la membrana, como es el caso cuando se usan ácidos grasos radiomarcados, un método más propenso a errores. ADIFAB, una proteína de unión a ácidos grasos intestinales etiquetada con Acrylodan (39Anel A. Richieri G.V. Kleinfeld A.M. Biochemistry. 1993; 32: 530-536Google Scholar, 40Richieri G.V. Ogata R.T. Kleinfeld A.M. J. Biol. Chem. 1992; 267: 23495-23501Google Scholar), es un indicador fluorescente adecuado para la medición de la concentración de FFA en el intervalo de 1 nm a 20 μm. La detección de FFA por ADIFAB se basa en un cambio en la posición de la etiqueta fluorescente de acrilodano en relación con el bolsillo de unión no polar de la proteína cuando esta última está ocupada por un ácido graso. ADIFAB experimenta un cambio espectral marcado tras la unión de FFA, lo que permite la determinación de las concentraciones de FFA a partir de la relación de las intensidades de fluorescencia de las formas unidas y no unidas, medidas a aproximadamente 488 y 432 nm, respectivamente. En el ejemplo que se muestra en la Fig. 1, la disminución de la intensidad a 432 nm y el aumento correspondiente a 488 nm del espectro ADIFAB es evidente tras la titulación de la membrana rica en AChR de T. marmorata con ácido araquidónico. Usando las Ecuaciones 6 y 5 obtuvimos los valores de la constante de disociación (Kd) y el coeficiente de reparto (Kp) para los diferentes ácidos grasos y ADIFAB en solución acuosa y en presencia de membranas ricas en Torpedo AChR, respectivamente (Tabla I). Los valores de Kp calculados nos permitieron clasificar los ácidos grasos en tres grupos diferentes: (i) ácidos grasos altamente hidrófobos, como 20:0 y 18:0; (ii) ácidos grasos menos hidrófobos, como 18: 1cis y 18:1trans, y (iii) ácidos grasos más hidrófilos, como 18:2, 18: 3, 20: 4 y 22: 6. Las constantes de disociación de ácido graso-ADIFAB de la tabla IF (Kd) y los coeficientes de partición de membrana ricos en ácido graso nativos de Torpedo AChR (Kp)Ácido graso KdKp (× 10−4) Esteárico (18:0) 0.49114.5 ± 17Arachidic (20: 0) 0.72156.5 ± 12Oleico (cis18:1) 0.2654.6 ± 10Elaidic (trans18: 1) 0.2666.9 ± 20Linoleico (18: 2) 2.407.0 ± 0.5Linolenico (18: 3) 4.322.7 ± 0.1Arachidonic (20: 4) 2.218.2 ± 1.0Docosahexanoico (22:6) 1.9610.8 ± 0.7 Abrir en una nueva tabla Los valores de Kp determinados experimentalmente de los ácidos grasos en la membrana nativa ACRich se utilizaron posteriormente para transformar la concentración nominal en la cubeta en una concentración efectiva en la membrana de ácido graso (véase "Procedimental"). Para estudiar la modificación de las propiedades físicas de la membrana Torpedonative inducida por la presencia de FFA, explotamos la exquisita sensibilidad de la sonda de fluorescencia anfifílica Laurdan al estado de fase de la membrana. Anteriormente hemos utilizado el llamado GP de Laurdan como una herramienta sensible para medir el estado físico de la membrana rica en AChR nativa de Torpedo (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar, 41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli IGutiérrez-MerinoC. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996; 70: 1275-1284Google Scholar). En el presente trabajo investigamos la posible modificación de la polaridad tanto del cinturón AChR como de las regiones lipídicas a granel por los ácidos grasos. Los valores de GP de Laurdan se obtuvieron por excitación directa (a 360 nm) o en condiciones de FRET, utilizando la fluorescencia de membrana intrínseca como donante (excitación a 290 nm) y las moléculas de Laurdan como aceptor. En un trabajo anterior caracterizamos este sistema y demostramos que los valores de GP obtenidos en condiciones de FRET exhiben valores de GP absolutos más altos que los obtenidos por excitación directa de la sonda, lo que indica que el microambiente del AChR tiene una polaridad más baja que el lípido a granel (41Antollini S.S. Soto M.A Bonini de Romanelli I Gutiérrez-Merino C. Sotomayor P. Barrantes F.J. Biophys. J. 1996; 70: 1275-1284Google Scholar). Los cambios en los valores de GP causados por diferentes FFA podrían compararse utilizando la concentración efectiva de cada ácido graso dentro de la membrana, calculada utilizando sus valores de Kp (Fig. 2). Encontramos que la adición de FFA a la membrana nativa Torpedo cambió los valores de GP, aunque en diferentes grados, de una manera dependiente de la estructura química de los ácidos grasos. Los ácidos grasos insaturados disminuyeron los valores de GP, mientras que los saturados causaron un pequeño aumento. Se observaron diferencias estadísticamente significativas entre los diferentes ácidos grasos: 18:0–18: 1cis (p < 0.005); 18:1–18:2 (p < 0.001); 18:2–18:3 (p < 0.001); 18:2–20:4 (p< 0.005); 18:2–22:6 (p < 0.001); 18:3–20:4 (p < 0.001); 18:3–22:6 (p < 0.001); y 20:4–22:6 (p < 0.025), siendo la excepción 18:0–20:0 (p > 0.05). En un ácido graso, cada doble enlace induce un retorcimiento de casi 30° en la cadena de acilo (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer-Verlag, Berlín, Alemania1996: 1-15Google Scholar). Por lo tanto, un ácido graso con varios dobles enlaces sufre cambios notables en la dirección de su eje molecular principal, lo que resulta en un aumento en el área de sección transversal de la cadena de hidrocarburos sobre el mínimo encontrado en un ácido graso saturado. La disminución en los valores de GP inducidos por FFA insaturados indica un aumento en la polaridad dentro del microambiente de Laurdan. Esto a su vez es un claro reflejo del desorden de la bicapa causado por las cadenas retorcidas de ácidos grasos insaturados, lo que aumenta el contenido de moléculas de agua en la membrana. A diferencia de los FFA insaturados, los FFA saturados inducen solo un pequeño aumento en la GP y, por lo tanto, una ligera disminución en la polaridad y, por lo tanto, en la cantidad de agua en la membrana. En otras palabras, los ácidos grasos saturados inducen un ligero efecto de orden en la membrana, probablemente debido a su estructura lineal rígida. A continuación, se estudió el efecto de la isomerización de ácidos grasos en la GP. Se observó una diferencia notable en el efecto causado en Laurdan GP por 18:1cis (ácido oleico) y 18:1trans (ácido elaídico) (Fig. 3). Mientras que el ácido oleico disminuyó los valores de GP, el ácido elaídico no causó cambios. Nuevamente, la diferencia en la estructura molecular de estos ácidos grasos es una explicación plausible para este comportamiento, porque como se indicó anteriormente, los dobles enlaces cis inducen un pliegue en la cadena, mientras que los dobles enlaces trans no producen cambios en la dirección de la cadena (Fig. 3, recuadro). En un trabajo anterior, pudimos discriminar entre sitios distintos para fosfolípidos y esteroles, ambos accesibles para ácidos grasos, en la interfaz lípido-proteína en la membrana nativa de Torpedo, midiendo la disminución de E entre la fluorescencia intrínseca de la membrana (residuos de triptófano) y Laurdan tras la adición de diferentes lípidos exógenos (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar). Aquí medimos los cambios de E entre AChR y Laurdan, provocados por la adición de FFA de diferente longitud de cadena y grado de saturación. La adición de FFA disminuyó la eficiencia de FRET de una manera dependiente de la concentración. La disminución máxima de E lograda por todos los ácidos grasos fue muy similar (~ 50%) (Fig. 4). Esto sugiere que todos los ácidos grasos, independientemente de sus características físicas, se unen a sitios similares en la interfaz lípido-proteína en la membrana nativa rica en TorpedoAChR. Para corroborar si diferentes FFA se unen a sitios similares, realizamos una serie adicional de experimentos utilizando la siguiente estrategia. Añadimos primero un FFA dado y, después de obtener la disminución máxima de E, añadimos un segundo FFA, con características estructurales similares o diferentes, a la muestra. Si diferentes FFA se unen a diferentes sitios, E debería disminuir aún más cuando se añade un segundo FFA, mientras que no se produciría una disminución adicional de Ew si los dos FFA compiten por el mismo sitio. La Fig. 5 (a y b) muestra una de estas series de experimentos. Cuando, por ejemplo, se añadió primero 20:0, Laurdan GP aumentó. Cuando se añadió un segundo FFA, los cambios en la GP dependieron de su estructura química; 18:0 causó un aumento adicional en la GP, mientras que 18:1 y 20:4 disminuyeron los valores de GP en la misma medida que lo hicieron por sí mismos por separado. Las diferencias entre los valores de GP obtenidos después de la adición de diferentes ácidos grasos fueron en todos los casos estadísticamente significativas. Solo en el caso de los ácidos grasos saturados 18:0 y 20:0 encontramos diferencias estadísticamente no significativas. El hecho de que Laurdan GP se viera afectado en condiciones de FRET (Fig. 5b) es una clara indicación de que el segundo FFA se dividió bien en la membrana y se localizó en la región AChR-vicinal. La disminución de Eobtenido con el primer ácido graso (saturado o insaturado) se mantuvo constante en presencia de un segundo ácido graso, independientemente de sus características físicas (Fig. 5, c–f). En el presente trabajo, utilizamos técnicas de fluorescencia para estudiar las modificaciones de las propiedades físicas de la membrana nativa rica en TorpedoAChR mediante la adición de ácidos grasos con diferentes características estructurales. Primero determinamos el coeficiente de partición de diferentes FFA utilizando una proteína de unión a ácidos grasos marcada con acrilodano, ADIFAB. Esto nos permitió calcular la concentración efectiva del FFA en la membrana. La cuantificación de Laurdan GP arrojó información sobre el estado físico de la región a granel y cinturón-lípido de la membrana rica en AChR en presencia de concentraciones conocidas de FFA. Los cambios en la eficiencia de FRET inducidos por los ácidos grasos hicieron posible la medición de las interacciones ácido graso-proteína a corta distancia de la sonda Laurdan. Los coeficientes de partición de FFA, determinados utilizando las propiedades fluorescentes extrínsecas de ADIFAB, hicieron aparentes diferencias relativamente pronunciadas en Kp entre diferentes ácidos grasos (Tabla I). Aunque los FFA son compuestos altamente hidrófobos, sus propiedades fisicoquímicas tienen un origen común: sus átomos de carbono confieren hidrofobicidad y los dobles enlaces reducen la hidrofilicidad en la molécula (42Prasad R. Prasad R. Manual of Membrane Lipids. Springer-Verlag, Berlín, Alemania1996: 1-15Google Scholar). Hemos intentado relacionar estos dos efectos opuestos en la misma molécula mediante el uso de un algoritmo empírico que hemos acuñado el coeficiente de hidrofobicidad real (AHC). AHC =número de C/FFA-número de C en doble enlace/FFA - número de C del FFA más largo Ecuación 9 Calculamos este coeficiente para todos los FFA estudiados y lo correlacionamos con su coeficiente de partición (Fig.6). Usando este enfoque, se observa que la tendencia de diferentes FFA a la partición en la membrana sigue la secuencia: 20:0 > 18:0 > 18:1 > 18:2; 20:4; 22:6 > 18:3. De acuerdo con este orden, los FFA se pueden clasificar en tres grupos diferentes: (i) ácidos grasos con alto contenido de AHC, tales como 20:0 y 18:0; (ii) ácidos grasos de AHC intermedio, tales como 18: 1cis y 18:1trans; y (iii) ácidos grasos con bajo contenido de AHC, tales como 18:2, 18:3, 20:4 y 22:6. Todos los ácidos grasos probados disminuyeron la eficiencia de la transferencia de energía,E, entre la fluorescencia intrínseca de la membrana y Laurdan. En un trabajo previo (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar), interpretamos esta disminución como un aumento en la distancia entre el donante y el aceptor resultante del desplazamiento de las moléculas de Laurdan del microambiente lipídico de AChR causado por el lípido añadido exógenamente (Fig. 7). También pudimos caracterizar distintos sitios para fosfolípidos, esteroles y ácido oleico. Aquí, investigamos si los sitios a los que se une el ácido oleico son los mismos que aquellos a los que se unen otros ácidos grasos. El hecho de que se observara una disminución similar en E para todos los FFA es una fuerte indicación de que este es de hecho el caso. Otra evidencia que respalda la hipótesis anterior es que la adición de un segundo ácido graso no produjo una disminución adicional de la E causada por el primer ácido graso. El hallazgo más sorprendente del presente trabajo es que, aunque todos los ácidos grasos desplazaron a un análogo de ácido graso como Laurdan casi en la misma medida (Fig. 4), diferentes ácidos grasos perturbaron las propiedades físicas de las membranas nativas ricas en Torpedo AChR de manera bastante diferente, de una manera que dependía en gran medida de su estructura (Fig. 2). Así, los ácidos grasos saturados ordenaban la membrana, mientras que los ácidos grasos insaturados la desordenaban. La aplicación de un simple reordenamiento algebraico de los cambios en GP permitió clasificar los efectos FFA. Efecto FFA =(GPfinal - GPinicial/(GPg -GP1c)Ecuación 10 donde GPfinal y GPinicial son los valores de GP obtenidos a la misma concentración efectiva de ácidos grasos en la membrana y antes de la adición del ácido graso, respectivamente, y GPg y GPlc son los valores de GP más grandes y más pequeños obtenidos para una fase de gel puro y cristalino líquido, respectivamente. GPg (0.61) y GPlc (-0.19) se midieron experimentalmente a 20 °C en liposomas de DOPC y dipalmitoilfosfatidilcolina multilamelares, que están en las fases cristalina líquida y de gel, respectivamente. Aplicando la Ecuación 10, los cambios inducidos por FFA variaron desde el ordenamiento (valores positivos del efecto FFA) hasta el desordenamiento (valores negativos del efecto FFA) y siguieron la secuencia: 20:0 (0.016) > 18:0 (0.005) > 18: 1cis (-0.047) = 18:2 (-0.046) = 20:4 (-0.047) = 22:6 (-0.047) > 18:3 (-0.056). Además, mientras que 18:1cis (ácido oleico) indujo un efecto desordenante neto, 18:1trans (ácido elaídico) no produjo ningún cambio en los valores de GP (Fig. 3). Esto nos permite concluir que la longitud de la cadena de carbono de los FFA, así como el número de dobles enlaces y su configuración estereoquímica son determinantes importantes de los efectos únicos de los diferentes FFA sobre las propiedades físicas de la membrana rica en Torpedo AChR. En células BC3H-1 vivas en cultivo, los ácidos grasos ejercen efectos inhibidores sobre la actividad del canal AChR (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993; 1: 251-258Google Scholar). Estos efectos también se observan en parches de membrana extirpados de la célula y, por lo tanto, no están mediados por vías de transducción de señales que requieren factores solubles como nucleótidos y Ca2+. Por lo tanto, los ácidos grasos parecen regular la acción del canal AChR directamente, al igual que regulan la acción de varias enzimas purificadas y otros canales (43Ordway R.W. Singer J.J. Walsh Jr., J.V. Trends Neurosci. 1991; 14: 96-100Google Scholar). En las neuronas ciliares de pollo y en el AChR de tipo neuronal α7 expresado de forma heteróloga en oocitos de Xenopus, los FFA saturados o con solo un doble enlace tuvieron poco efecto sobre las corrientes mediadas por ACh, mientras que los FFA con dos o tres dobles enlaces produjeron efectos inhibidores parciales pero menos efectivos que el ácido araquidónico (44Vijayaraghavan S. Huang B. Blumenthal E.M. Berg D.K. J. Neurosci. 1995; 15: 3679-3687Google Scholar). También se ha informado que este último FFA inhibe las corrientes mediadas por ACh en las neuronas simpáticas de la rana toro (17Minota S. Watanabe S. J. Neurophysiol. 1997; 78: 2396-2401Google Scholar). Se desconoce el mecanismo por el cual 20:4 u otros ácidos grasos inhiben la transmisión nicotínica. Para tener en cuenta estos efectos inhibidores sobre la función de AChR, se ha sugerido la unión de ácidos grasos a uno o más sitios en la interfaz lípido-AChR y/o la perturbación del microambiente del receptor local. Los ácidos grasos estructuralmente diferentes (i) parecen alterar la función de AChR de manera similar, en términos de duraciones de canal abierto de un solo canal al nivel de resolución alcanzado (31Bouzat C.B. Barrantes F.J. Receptors and Channels. 1993; 1: 251-258Google Scholar); (ii) ocupan sitios equivalentes en la interfaz lípido-proteína, de hecho los mismos sitios que el colesterol y los fosfolípidos (25Antollini S.S. Barrantes F.J. Biochemistry. 1998; 37: 16653-16662Google Scholar); y (iii) inducir cambios en la fluidez del microambiente lipídico de AChR que dependen claramente de su estructura química. Por lo tanto, es difícil sostener una explicación de la acción de los ácidos grasos mediada solo por cambios de fluidez, porque diferentes ácidos grasos inducen cambios en la fluidez de la membrana de diferente signo y magnitud; de hecho, algunos no inducen ningún cambio. Sugerimos que es la acción directa de los FFA al desplazar los lípidos esenciales de sus sitios en la interfaz lípido-proteína y no los cambios en las propiedades a granel, como la fluidez de la membrana, la responsable del efecto inhibidor de los FFA sobre la función de AChR.

Files

pdf.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d4dc744f5ea2a9f8aca9860a49536f32
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التأثيرات الفريدة لأنواع الأحماض الدهنية المختلفة على الخواص الفيزيائية لغشاء مستقبلات الطوربيد أسيتيل كولين
Translated title (French)
Effets uniques de différentes espèces d'acides gras sur les propriétés physiques de la membrane réceptrice de l'acétylcholine de la torpille
Translated title (Spanish)
Efectos únicos de diferentes especies de ácidos grasos en las propiedades físicas de la membrana del receptor de acetilcolina del torpedo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2003978459
DOI
10.1074/jbc.m106618200

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1529314598
  • https://openalex.org/W1560215073
  • https://openalex.org/W1589891059
  • https://openalex.org/W1938746192
  • https://openalex.org/W1966856450
  • https://openalex.org/W1967602174
  • https://openalex.org/W1972701314
  • https://openalex.org/W1975253190
  • https://openalex.org/W1983087241
  • https://openalex.org/W1984483033
  • https://openalex.org/W1986912505
  • https://openalex.org/W1987247771
  • https://openalex.org/W1991825108
  • https://openalex.org/W1995017921
  • https://openalex.org/W2000594997
  • https://openalex.org/W2006993514
  • https://openalex.org/W2016171664
  • https://openalex.org/W2022793196
  • https://openalex.org/W2027093946
  • https://openalex.org/W2030671064
  • https://openalex.org/W2030888952
  • https://openalex.org/W2037581978
  • https://openalex.org/W2039518360
  • https://openalex.org/W2041583770
  • https://openalex.org/W2046544750
  • https://openalex.org/W2049133285
  • https://openalex.org/W2055278709
  • https://openalex.org/W2056778461
  • https://openalex.org/W2067850241
  • https://openalex.org/W2073059970
  • https://openalex.org/W2079595852
  • https://openalex.org/W2081193225
  • https://openalex.org/W2086833427
  • https://openalex.org/W2094517427
  • https://openalex.org/W2094886555
  • https://openalex.org/W2117429193
  • https://openalex.org/W2121521829
  • https://openalex.org/W2157930619
  • https://openalex.org/W2294909445
  • https://openalex.org/W2310730705
  • https://openalex.org/W607971101