Investigation of the effects of ceramide-C16 and n-decane on the polymorphism of phosphatidylethanolamine : a 2H and 31P solid-state NMR and differential scanning calorimetry study

Abstract

Les céramides, dont la structure comporte une chaîne hexadecanoyle (CerC16), une chaîne considérée comme de longueur moyenne, sont des sphingolipides impliqués dans de nombreuses pathologies telles que l’obésité, le diabète, la maladie de Parkinson ainsi que certains types de cancer. La première partie de mon projet de M.Sc. a consisté à utiliser la calorimétrie différentielle à balayage (DSC de l'anglais differential scanning calorimetry) et la spectroscopie RMN séquentielle à l'état solide du deutérium (2H) et du 31P afin d’étudier l'impact du CerC16 (<20 mol%) sur le polymorphisme de la 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphoéthanolamine (POPE). Les résultats montrent que le CerC16 a un impact majeur. Il élargit la transition de phase lamellaire gel-fluide (Lβ‒Lα) et la décale vers les hautes températures, ce qui entraîne la création de larges régions de coexistence Lβ/Lα dans le diagramme de phase du système. La présence du céramide entraîne également un élargissement de la transition de phase Lα‒hexagonale inverse (HII) ainsi qu’une diminution de la température qui lui est associée. Lorsque la proportion de CerC16 dans la membrane de POPE est supérieure à 12-13 mol%, les deux transitions se chevauchent, ce qui entraîne la coexistence des trois phases. Ce chevauchement conduit à une transition de phase directe Lβ‒HII. De manière générale, le céramide entraîne donc une multitude d’effets sur les propriétés de la membrane lipidique, de la variation de sa fluidité à la modulation de son rayon spontané de courbure. Certains alcanes de longueurs variables ont le potentiel de favoriser la transition Lα-HII de différentes phosphatidyléthanolamines (PE). Dans la seconde partie de mon M.Sc., j'ai caractérisé les impacts du n-décane-d22 (10 mol%), un alcane à courte chaîne, sur le polymorphisme de la POPE, en exploitant les mêmes techniques de spectroscopie RMN que précédemment. J’ai montré que, malgré une diminution significative de la température associée au début de transition Lα‒HII, la température de la fin de transition restait quant à elle sensiblement inchangée. Globalement, la transition est donc élargie. Nous proposons que les molécules de n-décane se localisent au niveau des bouts de chaînes acyles de la POPE en phase Lα, ce qui engendre des compressions et des contraintes. Il en résulte un décalage du début de transition Lα‒HII vers les basses températures. Lorsque la température augmente, de plus en plus de molécules de n-décane sont transférées vers la phase HII, ce qui réduit les contraintes sur les chaînes acyles de la phase Lα. Le décane comble les espaces entre les cylindres HII et favorise aussi de cette manière la phase non-lamellaire.

Ceramide C16 (CerC16), a mid-chain sphingolipid bearing a hexadecanoyl chain, is involved in several diseases such as diabetes, obesity, Parkinson, and certain type of cancers. In the first part of my M.Sc. project, I employed differential scanning calorimetry (DSC) and sequential 2H and 31P static solid-state NMR spectroscopy to study the role of CerC16 ( ≤ 20 mol%) in modifying the polymorphism of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (POPE). The results demonstrate that CerC16 has major impacts. It broadens the gel‒fluid lamellar (Lβ‒Lα) phase transition and shifts it toward higher temperatures. This effect leads to the creation of a wide Lβ/Lα coexistence region in the phase diagram of the system. CerC16 also broadens the Lα‒inverted hexagonal (HII) phase transition and shifts it towards lower temperatures. When CerC16 proportion in POPE bilayers is ≥ 12-13 mol%, the two transitions overlap, leading to a three-phase coexistence line in the phase diagram. Such a phenomenon leads to a direct Lβ‒HII phase transition. Globally, CerC16 can have a wide range of effects on membrane properties, from varying its fluidity to modulating its curvature. Alkanes of various chain lengths are able to promote the Lα‒HII transition of different phosphatidylethanolamines (PE). In the second part of my M.Sc. thesis, I investigated the impacts of 10 mol% n-decane-d22, a short alkane, on the polymorphism of POPE, using sequential 2H and 31P solid-state NMR spectroscopy. The results show that although, n-decane causes a significant downshift in the onset temperature of the Lα‒HII transition, it does not shift considerably the end of the transition. As a consequence, a very broad Lα‒HII transition is obtained. It is inferred that n-decane molecules are found within the lower part of the POPE acyl chains in the Lα phase. This location increases the chain packing stress and consequently, initiates the Lα‒HII transition at lower temperatures. Upon increasing temperature, more and more n-decane molecules are transferred to the HII phase; the relocation not only decreases the chain packing stress in the Lα phase, but also allows the decane molecules to fill the interstitial void spaces between the HII cylinders.