Revisiting lipid – general anesthetic interactions (I): Thinned domain formation in supported planar bilayers induced by halothane and ethanol

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Abstract

A long-standing question in anesthesia is that of the molecular mechanism. Do anesthetics target proteins or change membrane properties or both? We used temperature-dependent magnetic A/C mode atomic force microscopy (AFM) to study interaction of the volatile anesthetics halothane and ethanol with model membranes made from supported planar bilayers (SPBs) of 1,2-dioleoyl-sn-3-glycero-3-phosphocholine (DOPC), dioleoyltrimethylammonium propane (DOTAP), or 1,2-dipalmitoyl-sn-3-glycero-3-phosphocholine (DPPC). We found that the incorporation of halothane or ethanol induces structural changes in the bilayer. These compounds cause thickness reduction in Lα bilayers (either globally or in domains) and the formation of domains with reduced thickness in Lβ phase bilayers. We propose that an anesthetic-induced increased area per lipid drives local chain disorder, thus promoting local phase change. The characteristics of SPBs with halothane or ethanol incorporated were compared with characteristics of the Lα and Lβ phases of anesthetic-free SPBs.

Le mécanisme moléculaire de l'anesthésie n'a toujours pas été résolu. On se demande encore est-ce que les produits anesthésiques s'attaquent aux protéines ou s'ils changent les propriétés des membranes ou agissent-ils sur les deux fronts. On a fait appel à la microscopie de forces atomiques (MFA) en mode A/C magnétique et dépendante de la température pour étudier l'interaction d'anesthésiques volatiles, tels l'halothane et l'éthanol, avec des membranes modèles faites à partir de bicouches planaires supportées (BPS) de 1,2-dioléoyl-sn-3-glycéro-3-phosphocholine (DOPC), de dioléoyltriméthylammonium propane (DOTAP) ou de 1,2-dipalmitoyl-sn-3-glycéro-3-phosphocholine (DPPC). On a observé que l'incorporation d'halothane ou d'éthanol induit des changements structuraux dans la bicouche. Ces composés provoquent une réduction de l'épaisseur des bicouches Lα (globalement ou dans les domaines) accompagnée de la formation de domaines comportant des épaisseurs réduites dans les bicouches de la phase Lβ. On suggère qu'une surface par lipide accrue, induite par l'anesthésique, provoque un désordre de chaîne local qui induit un changement de phase local. On a comparé les caractéristiques des BPS dans lesquelles on a incorporé de l'halothane ou de l'éthanol avec les caractéristiques des phases Lα et Lβ de BPS ne contenant pas d'anesthésique.

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