Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1052810.32607/20758251-2014-6-4-67-79Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleInvestigation of Channel-Forming Activity of Polyene Macrolide Antibiotics in Planar Lipid Bilayers in the Presence of Dipole ModifiersИсследование каналообразующей активности полиеновых антибиотиков в липидных бислоях с использованием дипольных модификаторовEfimovaS. S.ЕфимоваС. С.
Russian Federation
ssefimova@mail.ruSchaginaL. V.ЩагинаЛ. В.
Russian Federation
ssefimova@mail.ruOstroumovaO. S.ОстроумоваО. С.
Russian Federation
ssefimova@mail.ruInstitute of Cytology, Russian Academy of SciencesИнститут цитологии РАН1512201464VOL 6, NO4 (2014)ТОМ 6, №4 (2014)677917012020Copyright ©; 2014, Efimova S.S., Schagina L.V., Ostroumova O.S.Copyright ©; 2014, Ефимова С.С., Щагина Л.В., Остроумова О.С.2014Efimova S.S., Schagina L.V., Ostroumova O.S.Ефимова С.С., Щагина Л.В., Остроумова О.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10528

The role of membrane components, sterols, phospholipids and sphingolipids in the formation and functioning of ion-permeable nanopores formed by antifungal macrolide antibiotics, amphotericin B, nystatin and filipin in planar lipid bilayers was studied. Dipole modifiers, flavonoids and styryl dyes, were used as a tool to study the molecular mechanisms of polyene channel-forming activity. The introduction of dipole modifiers into the membrane bathing solutions was shown to change the conductance of single channels and the steadystate transmembrane current induced by polyene antibiotics in the sterol-containing phospholipid-bilayers. The conductance of single amphotericin B channels was found to depend on the dipole potential of the membrane. The experiments with various phospholipids, sterols, and polyenes led to the assumption that the shape of a phospholipid molecule, the presence of double bonds at the positions 7 and 22 of a sterol molecule, the number of conjugated double bonds, and the presence of an amino sugar in the polyene antibiotic molecule are important factors impacting the stability of polyene-lipid complexes forming ion-permeable pores. Experimental and literature data presented in the paper suggest that the channel-forming activity of polyene antibiotics is also affected by the physicochemical properties of polyene-enriched ordered membrane domains.

В работе исследована роль мембранных компонентов, стеринов, фосфолипидов и сфинголипидов в процессах формирования и функционирования ион-проницаемых нанопор, образуемых противогрибковыми макролидами, амфотерицином В, нистатином и филипином, в модельных мембранах. В качестве инструмента для выяснения молекулярных механизмов использованы дипольные модификаторы, флавоноиды и стириловые красители. Показано, что введение в мембраноомывающие растворы дипольных модификаторов приводит к изменению проводимости одиночных каналов и равновесного трансмембранного тока, индуцированного полиеновыми антибиотиками в стеринсодержащих фосфолипидных бислоях. Установлено, что проводимость одиночных амфотерициновых каналов зависит от дипольного потенциала мембраны. Использование набора различных фосфолипидов, стеринов и полиеновых антибиотиков позволило заключить, что геометрия фосфолипидной молекулы, наличие двойных связей в 7- и 22-положениях молекулы стерина, число сопряженных двойных связей и наличие аминосахара в молекуле антибиотика определяют стабильность полиен-липидных комплексов, образующих проводящие трансмембранные поры. Представленные в работе экспериментальные и литературные данные позволяют сделать предположение о связи каналообразующей активности полиеновых антибиотиков с физико-химическими свойствами обогащенных полиеновыми макролидами упорядоченных мембранных областей.

planar lipid bilayerspolyene antibioticssterolsstyryl dyessphingolipidsflavonoidsphospholipidsплоские липидные бислоиполиеновые антибиотикистериныстириловые красителисфинголипидыфлавоноидыфосфолипидыThis work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (grant № 12-04-33121), the program of the Presidium of the Russian Academy of Sciences “Molecular and Cell Biology” and the Scientific School grant NSh-1721.2014.4.Работа поддержана РФФИ (грант № 12-04-33121), программой Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология» и НШ-1721.2014.4.[1] Malewicz B., Momsen M., Jenkin H.M. // Antimicrob. Agents Chemother. 1983, V.23, P.119-124[2] Kuwano M., Akiyama S., Endo H., Kohga M. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1972, V.49, P.1241-1248[3] Medoff G., Kwan C.N., Schlessinger D., Kobayashi G.S. // Cancer Research 1973, V.33, P.1146-1149[4] Craven P.C., Gremillion D.H. // Antimicrob. Agents Chemother. 1985, V.27, P.868-871[5] Shigemi A., Matsumoto K., Ikawa K., Yaji K., Shimodozono Y., Morikawa N., Takeda Y., Yamada K. // Int. J Antimicrob Agent. 2011, V.38, P.417-420[6] Guinet R., Chanas J., Goullier A., Bonnefoy G., Ambroise-Thomas P. J. // Clin. Microbiol. 1983, V.18, P.443-444[7] Hawkins J.L., Baddour L.M. // Clin. Infect. Dis. 2003, V.36, P.14-18[8] Andreoli T. // Ann. N. Y. Acad. Sci. 1974, V.235, P.448-468[9] González-Damián J., Ortega-Blake I. // Membr. Biol. 2010, V.237, P.41-49[10] Récamier K.S., Hernández-Gómez A., González-Damián J., Ortega-Blake I. // J. Membr. Biol. 2010, V.237, P.31-40[11] Samedova A.A., Kasumov Kh.M. // Antibiot. Khimioter. 2009, V.54, P.44-52[12] Kasumov Kh.M. // Structure and function of membrane polyene macrolide antibiotics. Nauka, Moscow, 2009. 2009, P.512[13] de Kruijff B., Gerritsen W.J., Oerlemans A., Demel R.A., van Deenen L.L. // Biochim. Biophys. Acta. 1974, V.339, P.30-43[14] Baginski M., Resat H., Borowski E. // Biochim. Biophys. Acta. 2002, V.1567, P.63-78[15] Marty A., Finkelstein A. // J. Gen. Physiol. 1975, V.65, P.515-526[16] Venegas B., Gonzalez-Domian J., Celis H., Ortega-Blake I. // Biophys. J. 2003, V.85, P.2323-2332[17] Czub J., Baginski M. // J. Phys. Chem. B 2006, V.110, P.16743-16753[18] Neumann A., Czub J., Baginski M. // J. Phys. Chem. B. 2009, V.113, P.15875-15885[19] Neumann A., Baginski M., Czub J. // J. Am. Chem. Soc. 2010, V.132, P.18266-18272[20] Baran M., Borowski E., Mazerski J. // Biophys. Chem. 2009, V.141, P.162-168[21] Matsumori N., Tahara K., Yamamoto H., Morooka A., Doi M., Oishi T., Murata M. // J. Am. Chem. Soc. 2009, V.131, P.11855-11860[22] Hamilton K.S., Barber K.R., Davis J.H., Neil K., Grant C.W. // Biochim. Biophys. Acta. 1991, V.1062, P.220-226[23] Paquet M.J., Fournier I., Barwicz J., Tancrede P., Auger M. // Chem. Phys. Lipids. 2002, V.119, P.1-11[24] Gabrielska J., Gagoś M., Gubernator J., Gruszecki W.I. // FEBS Lett. 2006, V.580, P.2677-2685[25] Liberman E.A., Topaly V.P. // Biofizika (Russian). 1969, V.4, P.452-461[26] Hladky S.B., Haydon D.A. // Biochim. Biophys. Acta. 1973, V.318, P.464-468[27] Brockmann H. // Chem. Phys. Lipids. 1994, V.73, P.57-79[28] Hsuchen C.C., Feingold D. // Antimicrob. Agents Chemother. 1973, V.4, P.316-319[34] // 1983, V.22, P.2939-2944[30] Hartsel S.C., Perkins W.R., McGarvey G.J., Cacso D.S. // Biochemistry. 1988, V.27, P.2656-2660[31] Cohen B.E. // Biochim. Biophys. Acta. 1992, V.1108, P.49-58[32] Ruckwardt T., Scott A., Scott J., Mikulecky P., Hartsel S.C. // Biochim. Biophys. Acta. 1998, V.1372, P.283-288[34] Fujii G., Chang J.E., Coley T., Steere B. // Biochemistry. 1997, V.36, P.4959-4968[34] Dufourc E.J., Smith I.C.P., Jarell H.C. // Biochim. Biophys. Acta. 1984, V.778, P.435-442[35] Balakrishnan A.R., Easwaran K.R.K. // Biochemistry. 1993, V.32, P.4139-4144[36] Fournier I., Barwicz J., Tancrede P. // Biochim. Biophys. Acta. 1998, V.1373, P.76-86[37] Milhaud J., Ponsinet V., Takashi M., Michels B. // Biochim. Biophys. Acta. 2002, V.1558, P.95-108[38] Sternal K., Czub J., Baginski M. // J. Mol. Model (Online). 2004, V.10, P.223-232[39] Herec M., Dziubinska H., Trebacz K., Morzycki J.W., Gruszecki W.I. // Biochem. Pharmacol. 2005, V.70, P.668-675[40] Zager R.A. // Am. J. Kidney Dis. 2000, V.36, P.238-249[41] Nagiec M.M., Young C.L., Zaworski P.G., Kobayashi S.D. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2003, V.307, P.369-374[42] Sun X., Garlid K.D. // J. Biol. Chem. 1992, V.267, P.19147-19154[43] Rokitskaya T.I., Kotova E.A., Antonenko Y.N. // Biophys. J. 2002, V.82, P.865-873[44] Hwang T.C., Koeppe R.E., Andersen O.S. // Biochemistry. 2003, V.42, P.13646-13658[45] Ostroumova O.S., Kaulin Y.A., Gurnev P.A., Schagina L.V. // Langmuir. 2007, V.23, P.6889-6892[46] Asandei A., Mereuta L., Luchian T. // Biophys. Chem. 2008, V.135, P.32-40[47] Ostroumova O.S., Schagina L.V. // Biological membrane (Moscow). 2009, V.26, P.287-292[48] Apetrei A., Mereuta L., Luchian T. // Biochim. Biophys. Acta. 2009, V.1790, P.809-816[49] Ostroumova O.S., Malev V.V., Ilin M.G., Schagina L.V. // Langmuir. 2010, V.26, P.15092-15097[50] Ostroumova O.S., Efimova S.S., Schagina L.V. // Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 2011, V.1808, P.2051-2058[51] Mereuta L., Asandei A., Luchian T. // PLoS One. 2011, V.6, P.e25276[52] Montal M., Muller P. // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1972, V.65, P.3561-3566[53] Morf W.E. // Analyt. Chem. 1977, V.49, P.810-813[54] Juhasz J., Davis J.H., Sharom F.J. // Biochem. J. 2010, V.430, P.415-423[55] Muddana H.S., Chiang H.H., Butler P.J. // Biophys. J. 2012, V.102, P.489-497[56] Tarahovsky Y.S., Muzafarov E.N., Kim Y.A. // Mol. Cell Biochem. 2008, V.314, P.65-71[57] Passechnik V.I., Sokolov V.S. // Bioelectrochemistry. 2002, V.55, P.47-51[58] Bezrukov S.M. // Current Opinion in Colloid Interface Sci. 2000, V.5, P.237-243[59] Sakuma Y., Taniguchi T., Imai M. // Biophys. J. 2010, V.99, P.472-479[60] Hsueh Y.W., Chen M.T., Patty P.J., Code C., Cheng J., Frisken B.J., Zuckermann M., Thewalt J. // Biophys. J. 2007, V.92, P.1606-1615[61] Cournia Z., Ullmann G.M., Smith J.C. // J. Phys. Chem. 2007, V.111, P.1786-1801[62] Róg T., Pasenkiewicz-Gierula M., Vattulainen I., Karttunen M. // Biochim. Biophys. Acta. 2009, V.1788, P.97-121[63] Idkowiak-Baldys J., Grilley M.M., Takemoto J.Y. // FEBS Lett. 2004, V.569, P.272-276[64] Lofgren H., Pascher I. // Chem. Phys. Lipids. 1977, V.20, P.273-284[65] Rest M.E., Kamminga A.H., Nakano A., Anraku Y., Poolman B., Konings W.N. // Microbiol. Rev. 1995, V.59, P.304-322[66] Simons K., Toomre D. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2000, V.1, P.31-39[67] Bakht O., Pathak P., London E. // Biophys. J. 2007, V.93, P.4307-4318[68] Ostroumova O.S., Chulkov E.G., Stepanenko O.V., Schagina L.V. // Chem. Phys. Lipids. 2014, V.178, P.77-83[69] Efimova S.S., Ostroumova O.S. // Langmuir. 2012, V.28, P.9908-9914