1989_Scherer_Dependence of Lipid Chain and Headgroup Packing of the Inverted Hexagonal Phase on Hydration

8/13/2019 1989_Scherer_Dependence of Lipid Chain and Headgroup Packing of the Inverted Hexagonal Phase on Hydration

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Dependence o f l i p i d c h a i n a n d h e a d g r o u p p a c k i n g o f t h e i n v e r t e dh e x a g o n a l p h a s e on h y d r a t i o n

Jame s R . S c h e r e rW e s t e r n R e g i o n a l R e s e a r c h C e n t e r , A g r i c u l t u r a l R e s e a r c h S e r v i c e , U n i t e d S t a t e s D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e , A l b a n y ,C a l i f o r n a 9 4 7 1 0 ; a n d L a b o r a t o r y o f C o n n e c t i v e T i s s u e B i o c h e m i s t r y , S c h o o l o f D e n t i s t r y , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , S a nF r a n c i s c o , C a l i f o r n i a 9 4 1 4 3 - 0 5 1 5ABSTRACT A m o d e l w h i c h p o s i t i o n s t h eh y d r o p h o b i c / h y d r o p h i l i c b o u n d a r y i np h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e l i p i d s a t t h ef i r s t C H 2 group i n t h e a c y l or a l k y l c h a i ni s u s e d t o c a l c u l a t e t h e s u r f a c e areap er l i p i d , t h e mean c h a i n a n d h e a d -group d i m e n s i o n s a n d d i a m e t e r s o f t h eh y d r o p h i l i c t u b e s o f t h e i n v e r t e d h e x -a g o n a l p h a s e o f d i d o d e c y l p h o s p h a t i -d y l e t h a n o l a m i n e . T h e c a l c u l a t e d s u r -f a c e ar e a s c o m p a r e f a v o r a b l y w i t ha r e a s o b t a i n e d f o r t h e l a m e l l a r l i q u i dc r y s t a l p h a s e o f t h e same l i p i d u s i n g

t h e same b o u n d a r y . P l a c e m e n t o f t h eb o u n d a r y w i t h i n t h e l i p i d s t r u c t u r e p e r -m i t s a d e t e r m i n a t i o n o f t h e maximumh e a d g r o u p p a c k i n g a t h y d r a t i o n l e v e l sdown t o c o m p l e t e d e h y d r a t i o n . T h eh e a d g r o u p d i m e n s i o n s are c o n s i s t e n tw i t h a 5 A d i a m v o i d a t t h e c e n t e r o f ah y d r o p h i l i c t u b e a t zero h y d r a t i o n . Thec a l c u l a t e d mean f l u i d c h a i n l e n g t h i s . 2A s m a l l e r t h a n t h e mean c h a i n l e n g t h o ft h e l a m e l l a r p h a s e a t c o m p a r a b l e l e v -e l s o f h y d r a t i o n . C o m p a r i s o n o f t h ec a l c u l a t e d mean f l u i d c h a i n l e n g t h a n d

d i s t a n c e s between h y d r o p h o b i cb o u n d a r i e s s h o w s t h a t t h e f l u i d c h a i n sare i n t e r d i g i t a t e d b e t w e e n a d j a c e n tt u b e s , a n d n o t i n t e r d i g i t a t e d i n t h e c e n -t r a l s p a c e b e t w e e n t h r e e t u b e s . A t l o wh y d r a t i o n t h e c h a i n s i n t e r d i g i t a t e i nb o t h s p a c e s . T h e n u m b e r o f l i p i d sp a c k e d a r o u n d a t u b e a t l o w h y d r a t i o ni s o n l y a f u n c t i o n o f t h e h e a d g r o u pg e o m e t r y , w h e r e a s a t h i g h h y d r a t i o n , ti s a f u n c t i o n o f t h e n u m b e r o f c a r b o na t o m s i n t h e c h a i n s

INTRODUCTIONT h e i n t e r a c t i o n o f w a t e r w i t h l i p i d s h a s b e e n s t u d i e du s i n g a v a r i e t y o f t e c h n i q u e s ( H a u s e r , 1 9 7 5 ) . G e n e r a l l y ,w a t e r a f f e c t s t h e s t r u c t u r a l i n t e g r i t y a n d b i o l o g i c a l f u n c -t i o n o f l i p i d m e m b r a n e s i n c o m p l e x w a y s . P h o s p h a t i d y l -c h o l i n e ( P C ) a n d p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e ( P E ) l i p i d s ,p r i m a r y c o n s t i t u e n t s o f many b i o l o g i c a l m e m b r a n e s ,e x h i b i t d i f f e r e n c e s i n w a t e r a f f i n i t y ( E l w o r t h y , 1 9 6 1 ;J e n d r a s i a k a n d H a s t y , 1 9 7 4 ) t h a t a r e r e m a r k a b l e i n v i e wo f t h e s e e m i n g l y m i n o r r e p l a c e m e n t o f t h r e e m e t h y lg r o u p s f o r t h r e e h y d r o g e n a t o m s .B e s i d e s h a v i n g a n a p p a r e n t l o w e r a f f i n i t y f o r w a t e r , PEm e m b r a n e s h a v e a t e n d e n c y t o f o r m n o n l a m e l l a r s t r u c -t u r e s t h a t s e e m a n t i t h e t i c t o t h e b i l a y e r s t r u c t u r e w h i c h i ss o c o m m o n i n b i o l o g i c a l m e m b r a n e s ( C u l l i s a n dD e K r u i j f f , 1 9 7 9 ) . One s u c h s t r u c t u r e i s t h e i n v e r t e dh e xa g o n a l p h a s e H I , ( V e r k l e i j , 1 9 8 4 ) . U n l i k e t h e b i l a y e r ,w h e r e h y d r o p h i l i c h e a d g r o u p s c o v e r b o t h s u r f a c e s o f ah y d r o c a r b o n b l a n k e t , t h e h e a d g r o u p s o f t h e H I , p h a s e l i n et h e s u r f a c e s o f a h e x a g o n a l a r r a y o f t u b e s t h a t e x t e n dt h r o u g h a h y d r o c a r b o n f i l l e d v o l u m e ( L u z z a t i , 1 9 6 8 ) .A l s o i n c o n t r a s t , t h e l a m e l l a r t o H I , p h a s e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e i s l o w e r e d b y a d e c r e a s e i n t h e h y d r a t i o n o ft h e h e a d g r o u p s o r l e n g t h e n i n g o f t h e a c y l c h a i n s ( S e d d o ne t a l . , 1 9 8 3 ) , a n d p h a s e s t a b i l i t y i s i n c r e a s e d b y d i s o r d e ri n t h e a c y l c h a i n s ( M a n t s c h e t a l . , 1 9 8 1 ) .

A d d r e s s c o r r e s p o n d e n c e t o 1 3 0 9 A r c h S t . , B e r k e l e y , CA 9 4 7 0 8 .

R e c e n t w o r k b y W h i t e a n d K i n g ( 1 9 8 5 ) , M c I n t o s h a n dS i m o n ( 1 9 8 6 ) , a n d S c h e r e r ( 1 9 8 7 , 1 9 8 9 ) h a s c l e a r l ys h o w n t h a t t h e p o s i t i o n o f t h e h y d r o p h o b i c / h y d r o p h i l i cb o u n d a r y o f p h o s p h o l i p i d s i n t h e l a m e l la r p h a s e s s h o u l db e p l a c e d n e a r t h e average p o s i t i o n o f t h e f i r s t CH2groups o f t h e h y d r o c a r b o n c h a i n i n s t e a d o f t he o u t e r e d g eo f t h e l i p i d h e a d g r o u p , a s a s s u m e d i n t h e L u z z a t if o r m a l i s m ( 1 9 6 8 ) . T h e p o s i t i o n o f t h e b o u n d a r y h a s b e e ns h o w n t o a f f e c t t h e d e p e n d e n c e o f t h e h e a d a n d c h a i nl e n g t h d i m e n s i o n s o n h y d r a t i o n .I n t h e f o l l o w i n g , t h e h e a dg r o u p a n d c h a i n l e n g t hd i m e n s i o n s o f t h e H I , p h a s e o f d i d o d e c y l p h o s p h a t i d y l -e t h a n o l a m i n e DDPE) a n d t h e s u r f a c e area, S , are d e t e r -m i n e d f r o m t h e x-ray d a t a o f S e d d o n e t a l . ( 1 9 8 4 ) , u s i n gt h e same b o u n d a r y a s s u m e d f o r t h e l a m e l l a r p h a s e o fD D P E ( S c h e r e r , 1 9 8 9 ) . I t w i l l b e s h o w n t h a t t h e c a l c u -l a t e d d i m e n s i o n s o f t h e f l u i d c h a i n s a t maximum h y d r a -t i o n r e q u i r e t h a t t h e y b e i n t e r d i g i t a t e d i n t h e r e g i o n sb e t w e e n a d j a c e n t t u b e s a n d n o t i n t e r d i g i t a t e d i n t h ec e n t r a l r e g i o n b e t w e e n t h r e e t u b e s . A t zero h y d r a t i o n t h ec h a i n s a re i n t e r d i g i t a t e d i n b o t h r e g i o n s . T h e h e a d g r o u pp a c k i n g a t maxi mum a n d minimum h y d r a t i o n may b eo b t a i n e d f r o m c a l c u l a t e d s u r f a c e area a n d s h a p e .V o l u m e t r i c s o f t h e H , , p h a s eAs f o r t h e l a m e l l a r p h a s e , t h e b o u n d a r y b e t w e e n t h eh y d r o c a r b o i r a n d h y d r o p h i l i c r e g i o n s i s s e t a t t h e a v e r a g ep o s i t i o n o f t h e C - 2 c a r b o n a t o m o f t h e a c y l c h a i n o f ane s t e r PE or t h e f i r s t CH2 group i n t h e a l k y l c h a i n f o r an

B i o p h y s . J . e B i o p h y s i c a l S o c i e t yV o l u m e 5 5 1 9 8 9 9 6 5 - 9 7 1 0 0 0 6 - 3 4 9 5 / 8 9 / 0 5 / 9 6 5 / 0 7 2 . 0 09650 0 0 6 - 3 4 9 5 / 8 9 / 0 5 / 9 6 5 / 0 7 2 . 0 0 9 6 5


2/7

e t h e r P E . T h e t o t a l v o l u m e ( p e r l i p i d ) i s d i v i d e d i n t o ah y d r o p h o b i c a n d h y d r o p h i l i c p a r t .V - = V h , C + V H . 1

B y d e f i n i n g t h e area p er l i p i d , S , a t t h e h c/H b o u n d a r y , Smay b e c o m p a r e d w i t h S f o r t h e b i l a y e r a t a l l h y d r a t i o n s .T h e a p p r o a c h i n t r o d u c e d b y L u z z a t i ( 1 9 6 8 ) , p l a c e s t h eb o u n d a r y a t t h e e n d o f t h e l i p i d h e a d g r o u p , a n d l e a d s t ov a l u e s o f S t h a t a re p r o g r e s s i v e l y s m a l l e r t h a n t h e v a lu eo f S f o r t h e b i l a y e r a t m aximu m h y d r a t i o n , a n d 0 A 2 a tc o m p l e t e d e h y d r a t i o n ( S e d d o n , 1 9 8 4 ) . S i s r e l a t e d t o t h ev o l u m e s b y

V 2d2S/ x f - r d HV H = d H S / 4

a n dV h c = d . S ,

w h e r e d i s t h e x-ray l o n g s p a c i n g , d H t h e d i a m e t e r o f t h eh y d r o p h i l i c t u b e , a n dd . =2 d 2 / l 3 r d H H / 4 . ( 5 )

d * r e p r e s e n t s t h e average ( f l u i d ) c h a i n l e n g t h i f a l l c h a i n swere f i t i n t o e x t e n d e d v o l u m e s w i t h u n i f o r m cross s e c -t i o n a l area s S / 2 . The v a l u e o f d . f o r c h a i n s t h a t are n o te x t e n s i v e l y i n t e r d i g i t a t e d s h o u l d b e b e t w e e n b 2 d /3 d H / 2 a n d c d / x 3 - d H / 2 . R e wr i t i n g E q . 5 , weo b t a i n

d H / 2 - d . + ( d 2 + 2 d 2 / X 3 T . ) I / 2 ( 6 )A s s u m i n g t h a t t h e v o l u m e o f t h e h y d r o c a r b o n p h a s e i si n d e p e n d e n t o f h y d r a t i o n , 6 V h C / 3 n = 0 , w h e r e n i s t h en u m b e r o f w a t e r m o l e c u l e s p er l i p i d ,

0 10 2 0 3 0n

( 2 ) F I G U R E T h e c a l c u l a t e d v a r i a t i o n o f S w i t h h y d r a t i o n f o r t h e H,p h a s e o f D D P E ( 1 3 5 0 C ) ; t h e L a p h a s e s o f DMPC ( 3 7 0 C ) , EPC ( r o o mt e m p e r a t u r e ) , a n d D D P E ( 4 0 0 C ) ; a n d t h e L , p h a s e s o f DMPC ( 1 0 C )a n d D D P E ( 2 9 0 C ) . T h e d a s h e d c u r v e i s o b t a i n e d b y e x t r a p o l a t i o n o f t h ec u r v e a b o v e n = 4 a n d i s p r e f e r r e d f r o m a c o n s i d e r a t i o n o f h e a d g r o u p( 4 ) p a c k i n g b e l o w n = 4 ( s e e t e x t ) .

n o n h y d r a t e d PE group. W i l k i n s o n a n d N a g l e ( 1 9 8 1 ) h a v ef o u n d t h e v al u e o f V P E f o r a c y l c h a i n l i p i d s t o b e 2 4 6 A 3 .I n t h e c a s e o f DDPE, t h e v a l u e o f V P E i s s m a l l e r b y t h ev o l u m e o f two c a r b o n y l groups w h i c h , a c c o r di n g t o B o n d i( 1 9 6 4 ) , i s 3 9 A 3 . S u b t r a c t i n g t h i s f r o m t h e v o l u m e o f V P Ef o r a n a c y l c h a i n l i p i d g i v e s a n e s t i m a t e o f 2 0 7 A 3 f o r V P Eo f a d i e t h e r P E . V H i s o b t a i n e d b y a d d i n g t h e v o l u m e o ft h e PE p o r t i o n o f t h e h e a d g r o u p t o t h e v o l u m e o f water i nt h e h e a d g r o u p ,

V H =V 1 0 ) + V P E = n V W + V P Ea n d S i s o b t a i n e d f r o m

S = ( 2 V 3 r V VH) / 2 / d .

( 1 1

12 )

a d .bn = - ( d . I / S ) b S / n ( 7 )a n d

= 2 ( 1 / V + l / V H ) - 1 ( b l n d / l n + b l n S / l n ) , ( 8 )w h e r e V w i s t h e p a r t i a l m o l a r v o l u m e o f w a t e r . V w a n d t h ep a r t i a l s p e c i f i c v o l u m e o f l i p i d v l are a s s u m e d t o b ei n d e p e n d e n t o f h y d r a t i o n . C o n s e q u e n t l y , t h e t o t a l v o l u m eV i s g i v e n b y

V = , M r 1 0 2 4/4N 9or

V= V P E + V h . + n V W ,

T h e c h a n g e i n d s p a c i n g o f D D P E w i t h h y d r a t i o n wasd e t e r m i n e d b y S e d d o n e t a l . , 1 9 8 4 . T h e d e p e n d e n c e o f t h ec a l c u l a t e d v a l u e s o f S , d . , b , c , a n d d H / 2 o n h y d r a t i o n i ss h o w n i n F i g s . 1 - 3 . F o r c o m p a r i s o n , t h e c o r r e s p o n d i n gd i m e n s i o n s o f S , d h c / 2 , a n d d H / 2 f o r t h e l a m e l l a r p h a s e so f d i s m y r i s t o y l p h o s p h a t i d y l c h o l i n e DMPC), e gg p h o s -p h a t i d y l c h o l i n e ( E P C ) a n d D D P E a re a l s o s h o w n . ' Ani l l u s t r a t i o n o f t h e PE b i l a y e r a n d t h e PE H i , p h a s e( e n v e l o p e d b y a b i l a y e r ) a t minimum a n d maxi mumh y d r a t i o n i s s h o w n i n F i g . 4 . T h e average h y d r o c a r b o nc h a i n l e n g t h s ( d h C / 2 a n d d . ) , h y d r o p h i l i c t u b e d i a m e t e r s( d H ) , a n d l i p i d p a c k i n g a r o u n d t h e t u b e s a re d r a w n s c a l e dt o t h e c a l c u l a t e d d i m e n s i o n s . Head a n d c h a i n p a c k i n gs h o w n i n t h i s f i g u r e w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n gs e c t i o n .

w h e r e 0 i s t h e v o l u m e f r a c t i o n o f l i p i d , ( 1 + [ 1 - c ] 3 V w /c v , ) - , c i s t h e w e i g h t f r a c t i o n o f l i p i d , a n d V . i s t h ev o l u m e o f a w a t e r m o l e c u l e . V P E i s t h e v o l u m e o f a ' L a b e l i n g o f t h e p o l y m o r p h i c p h a s e s o f l i p i d s f o l l o w s t h e a c c e p t e dc o n v e n t i o n s d e f i n e d b y T a r d i e u e t a l . , 1 9 7 3 .

966 Volume55 May1989~~~~~~~~~~B i o p h y s i c a l J o u r n a l V o l u m e 5 5 M a y 1 9 8 96 6


3/7

1 8 r

1 4

U

1 0

60

I p DDP E

,DDM PCLa DMPC

= _ ~ ~ ~ ~ bd .

H i , DDPE

I 1 0 2 0 3 0n

F I G U R E 2 T h e c a l c u l a t e d v a r i a t i o n o f d h , / 2 , d . , b , a n d c w i t h h y d r a t i o nf o r t h e H I , p h a s e o f DDPE, a n d l a m e l l a r p h a s e s o f DMPC, E P C , a n dDDPE. C o n d i t i o n s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h o s e l i s t e d i n F i g . 1 . T h e d a s h e dl i n e f o r t h e H I , p h a s e o f D D P E s h o w s t h e r e s u l t o f a s s u m i n g t h a t 6 S / b nh a s a c o n s t a n t v a l u e e q u a l t o t h a t i n d i c a t e d b y t h e d a s h e d l i n e i n F i g .1 .

RESULTS AN D DISCUSSIONCH2 c h a i n d i m e n s i o n sWe b e g i n b y c o n s i d e r i n g t h e c a l c u l a t e d d i m e n s i o n s o f t h eCH2 c h a i n s g i v e n b y t h e s o l i d l i n e s i n F i g . 2 . We n o t e t h a tt h e v a l u e s o f c ( h a l f t h e h y d r o c a r b o n d i s t a n c e b e t w e e na d j a c e n t t u b e s ) i n c r e a s e b y l i t t l e more t h a n 1 A g o i n gf r o m maxi mum t o zero h y d r a t i o n . The v a l u e s f o r b aree s s e n t i a l l y i n v a r i a n t over t h e same r a n g e . T h i s b e h a v i o rd e v i a t e s f r o m t h e b e h a v i o r o f l a m e l l a r f l u i d p h a s e s w h e r et h e CH2 c h a i n s e xt e n d w i t h d e h y d r a t i o n . H o w e v e r , t h ev a l u e s o f d . s y s t e m a t i c a l l y i n c r e a s e w i t h d e h y d r a t i o n a n dp a r a l l e l t h e b e h a v i o r o f d h c / 2 f o r t h e l a m e l l a r f l u i d p h a s e sa t h y d r a t i o n s down t o n = 3 . C h a i n s c a n b e s a i d t oi n t e r d i g i t a t e w h e n t h e i r mean c h a i n l e n g t h e x c e e d s h a l ft h e d i s t a n c e b e t w e e n c h a i n b o u n d a r i e s , i n t h i s c a s e b or c .A t maximum h y d r a t i o n , t h e average c h a i n l e n g t h i s c l o s e

20 H,, DDPED M P CLa

16 EPC

~12

L p , DOPE

0 1 0 2 0 3 0n

F I G U R E 4 I l l u s t r a t i o n o f t h e c a l c u l a t e d s t r u c t u r e f o r t h e H I , p h a s e o fD D P E a t z e r o ( a b o v e ) a n d maximum ( b e l o w ) h y d r a t i o n a n d t h e b i l a y e rs t r u c t u r e s L g ( n = 3 ) a n d L , , ( n = 1 2 ) f o r DDPE. T h e i l l u s t r a t i o n i sd r a w n t o t h e s c a l e o f t h e c a l c u l a t e d d i m e n s i o n s i n F i g s . 2 a n d 3 . O n l yo n e o f t h e c h a i n s o f t h e l i p i d i s s h o w n . T h e d i m e n s i o n s a r e o n l y v a l i d f o rt h e p u r e m u l t i l a y e r a n d H I , p h a s e s . A l t h o u g h t h e H I , p h a s e i s s h o w ns a n d w i c h e d b e t w e en t w o h a l v e s o f a b i l a y e r , t h e c a l c u l a t i o n p r e d i c t si n t e r d i g i t a t i o n o n l y f o r t h e p u r e H I , p h a s e . T h e i n t e r d i g i t a t i o n s h o w n f o rt h e c o v e r i n g l i p i d l a y e r i s d u e t o a r t i s t i c l i c e n c e . S i m i l a r l y , n o t h i n g i si m p l i e d a b o u t t h e m e c h a n i s m s f o r i n t e r c o n v e r s i o n o f t h e b i l a y e r a n d H I ,p h a s e s .

t o t h e v a l u e o f t h e b l a t t i c e d i m e n s i o n . H o w e v e r , c h a i n s i nt h e c d i r e c t i o n are o n t h e average 3 A l o n g e r t h a n t h e cl a t t i c e d i m e n s i o n a n d must b e i n t e r d i g i t a t e d . A t zeroh y d r a t i o n , t h e c h a i n s are h i g h l y i n t e r d i g i t a t e d a l o n g b o t ht h e c a n d b l a t t i c e d i m e n s i o n s . S e d d o n e t a l . ( 1 9 8 4 ) u se dt h e L u z z a t i b o u n d a r y d e f i n i t i o n a n d c a l c u l a t e d t h a t d j / 2( w h i c h t h e y d e f i n e d t o b e [ a d , ] / 2 a n d i s a n a l o g o u s t oo ur c ) i n c r e a s e s f r o m 1 0 . 1 A a t maximum h y d r a t i o n t o1 6 . 6 A a t zero h y d r a t i o n . A l t h o u g h n o t d i s c u s s e d , t h ec o r r e s p o n d i n g l i p i d d i m e n s i o n i n t h e b l a t t i c e d i r e c t i o ni n c r e a s e s f r o m 1 4 . 2 t o 1 9 . 2 A . T h e s e l a r g e i n c r e a s e s i n t h ec a l c u l a t e d l i p i d l e n g t h are r e m i n i s c e n t o f t h e a n o m a l o u si n c r e a s e s i n t h e v a l u e s o f d 1 f o r d e h y d r a t i n g l a m e l l a rs t r u c t u r e s ( J a n i a k e t a l . , 1 9 7 9 ; W h i t e a n d K i n g , 1 9 8 5 )a n d s h o u l d b e c o n t r a s t e d w i t h t h e s m a l l v a r i a t i o n s i n t h eh y d r o c a r b o n core d i m e n si o n s b a n d c g i v e n b y t h e p r e s e n ta n a l y s i s .

Lipid Packing in i - I . Phase 9 6 7

F I G U R E 3 T h e c a l c u l a t e d v a r i a t i o n o f d H / 2 f o r t h e H I , p h a s e o f DDPE,a n d l a m e l l a r p h a s e s o f D M P C , E P C , a n d DDPE. T h e d a s h e d l i n e s s h o wt h e e f f e c t o f a s s u m i n g t h a t 6 S / b n h a s a c o n s t a n t v a l u e e q u a l t o t h a ti n d i c a t e d b y t h e d a s h e d l i n e i n F i g . 1 .

S c h e r e r L i p i d P a c k i n g i n H g P h a s e 9 6 7


4/7

G r u n e r ( 1 9 8 5 ) h a s p r o p o s e d a t h e o r y o f i n t r i n s i cc u r v a t u r e w h i c h a l l o w s l i p i d m o n o l a y e r s t o c u r l i n t ot i g h t c y l i n d e r s t h a t f o r m t h e H I , p h a s e . An u n d e r l y i n ga s s u m p t i o n o f h i s h y p o t h e s i s i s t h a t t h e CH2 c h a i n s o f t h el i p i d s a r o u n d a h y d r o p h i l i c t u b e a re n o t i n t e r d i g i t a t e d ,t h e r e b y l e a d i n g t o s t r a i n i n t h o s e c h a i n s t h a t are p o i n t e di n t h e b l a t t i c e d i r e c t i o n . He p r o p o s e s t h a t t h e s t r a i n c a nb e a l l e v i a t e d b y i n t r o d u c t i o n o f h y d r o p h o b i c m o l e c u l e si n t o t h e s t r e s s e d r e g i o n . H o w e v e r , t h e a d d i t i o n o f s m a l lamounts o f t e t r a d e c a n e t o D O P E i n t h e H I , p h a s e( G r u n e r e t a l . , 1 9 8 6 ) h a s l i t t l e e f f e c t o n t h e o b s e r v e dd i m e n s i o n s a t a n y l e v e l o f h y d r a t i o n , w h i c h c a s t s d o u b t o nt h e i m p o r t a n c e o f t h e p r e s u m e d s t r e s s i n c o n t r o l l i n g t h es t r u c t u r e .

T h e p r e s e n t a n a l y s i s s u g g e s t s t h a t s t r e s s i n t h e h y d r o -c a r b o n r e g i o n f r o m l o w d e n s i t y p a c k i n g i s a v o i d e d b yc h a i n i n t e r d i g i t a t i o n . T h e r e d u c e d s t r a i n h y p o t h e s i s h a sb e e n i n v o k e d t o e x p l a i n o b s e r v e d i n c r e a s e s i n t u b e r a d i if r o m i n c o r p o r a t i o n o f r e l a t i v e l y l o n g e r c h a i n PC l i p i d si n t o t h e H I , l a t t i c e ( G r u n e r e t a l . , 1 9 8 6 ; T a t e a n d G r u n e r ,1 9 8 7 ) . H o w e v e r , as we s h a l l se e i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n ,t h e t u b e r a d i i a re s i m p l y e x p l a i n e d o n t h e b a s i s o f averagef l u i d c h a i n l e n g t h a n d i n t e r d i g i t a t i o n .H I , s u r f a c e a r e aT h e c a l c u l a t e d d e p e n d e n c e o f s ur f ac e a r e a o n h y d r a t i o n i sg i v e n b y t h e s o l i d l i n e i n F i g . 1 . U s i n g t h e L u z z a t ie q u a t i o n s , S e d d o n e t a l . ( 1 9 8 4 ) c a l c u l a t e t h e s u r f a c e areape r l i p i d t o b e 6 3 . 1 A 2 a t 1 3 5 0 C a n d maxi mum h y d r a t i o na n d 0 A 2 a t minimum h y d r a t i o n . T h e p r e s e n t a n a l y s i sg i v e s 7 5 . 6 a n d 5 1 . 9 A 2 a t t h e same l i m i t s . The w i d e rangeo f v a lu es o b t a i n ed w i t h t h e L u z z a t i e q u at i o ns s t e m s f r o mt h e c h a n g i n g m o l e c u l a r s u r f a c e a t t h e l i p i d w a t e r b o u n d -a r y . H o w e v e r , t h e C - 2 c a r b o n b o u n d a r y , a n c h o r e d w i t h i nt h e l i p i d s t r u c t u r e , h a s p h y s i c a l s i g n i f i c a n c e a t a l l h y d r a -t i o n s a n d l e a d s t o v a l u e s o f t h e s u r f a c e a r e a t h a t s h o u l d b ec o m p a r a b l e b e t w e e n d i f f e r e n t p h a s e s . A t a l l b u t t h el o w e s t h y d r a t i o n s , t h e s ur f a ce a re a s a re l a r g e r t h a n t h o s ef o r t h e La p h a s e . T h i s r e s u l t i s i n a g r e e m e n t w i t h t h eg r e a t e r d i s o r d e r o f t h e CH2 c h a i n s ( M a n t s c h , 1 9 8 1 ) asw e l l a s t h e h i g h e r t e m p e r a t u r e o f measurement ( 1 3 5 Cversus 4 0 0 C ) .

B e l o w n = 4 , t h e s u r f a c e area d e v i a t e s f r o m t h e l i n e a rd e p e n d e n c e s h o w n a t h i g h e r h y d r a t i o n s . T h i s u n e x p e c t e dd e v i a t i o n i s c a u s e d b y r e m o v a l o f w a t e r w i t h V w = 2 . 1 A 3i n o r d e r t o a c h i e v e t h e v o l u m e o f t h e a n h y d r o u s PE groupa t zer o h y d r a t i o n . T h e v a l u e o f V P E was d e t e r m i n e d f r o ma C O a d j u s t e d PE v o l u m e d e r i v e d f r o m c r y s t a l l o -g r a p h i c d i m e n s i o n s o f a l a m e l l a r p h a s e w h e r e m o l e c u l a rh e a d g r o u p p a c k i n g occurs w i t h i n a b o x s h a p e d v o l u m e .T h e w e d g e s h a p e o f t h e h e a d g r o u p v o l u m e i n t h e t u b e a tzero h y d r a t i o n l e a v e s l i t t l e room i n t h e s m a l l a n g l e r e g i o nf o r o c c u p a n c y b y atoms w i t h n o r m a l r a d i i . C o n s e q u e n t l y ,

we s h o u l d e x p e c t t h e h e a d g r o u p v o l u m e a t zero h y d r a t i o nt o b e s l i g h t l y l a r g e r t h a n t h e v a lu e o f V P E . I n t r o d u c t i o n o fs u c h a v o i d v o l u m e w o u l d r a i s e t h e v a l u e o f S a n d c a u s et h e v a l u e o f V w t o b e < V w .We t e s t w h e t h e r s u c h a c r o w d i n g e f f e c t c o u l d b er e s p o n s i b l e f o r t h e n o n l i n e a r b e h a v i o r o f S b e l o w n = 4 b ye x t r a p o l a t i n g t h e curve a b o v e n =4 t o a l i m i t i n g v a l u e f o r

S o f 5 5 . 0 A a t n =0 ( d a s h e d l i n e , F i g . 2 ) a n d c a l c u l a t i n gt h e c h a n g e i n t h e v a lu es o f d * , b , c , a n d d H / 2 . T h e r e s u l t sare s h o w n as d a s h e d l i n e s i n F i g s . 2 a n d 3 . T h e v a lu es o fV w , c a l c u l a t e d w i t h E q . 8 , are 3 0 , 2 7 , 2 2 , a n d 1 9 A 3 f o rn = 3 , 2 , 1 , a n d 0 . T h e v a l u e o f V H a t n =0 i s 2 2 7 A3,w h i c h i m p l i e s a v o i d s p a c e o f 2 0 A 3 p e r h e a d g r o u p a t i t sa p e x . N o t e t h a t a t n < 1 , a n u m b e r o f w a t e r m o l e c u l e s ,d e p e n d i n g o n t h e l i p i d p a c k i n g a r o u n d t h e h y d r o p h i l i ct u b e , m i g h t r e s i d e i n t h e c e n t r a l s e c t i o n o f t u b e w i t hn o r m a l b u l k w a t e r v o l u m e s . T h e d a s h e d curve f o r d * d o e sn o t s h o w i n c r e a s e d c u r v a t u r e i n t h e r e g i o n b e l o w n =4a n d t h e curves f o r b a n d c a re l a r g e l y u n a f f e c t e d . T h ee f f e c t o f t h i s p r o p o s e d v o i d s p a c e o n t h e v a lu es f o r d H / 2 i sc o n s i d e r e d i n t h e n e x t s e c t i o n .Headgroup d i m e n s i o n sT h e d e p e n d e n c e o f d H / 2 o n h y d r a t i o n i s s h o w n i n F i g . 4 .T h e maxi mum a n d minimum v a l u e s o f d H / 2 a re 1 9 . 0 a n d8 . 0 A , r e s p e c t i v e l y ( a s s u m i n g V w = V w ) . W i t h t h e a d d i -t i o n a l v o i d s p a c e a t minimum h y d r a t i o n d i s c u s s e d i n t h ep r e v i o u s s e c t i o n , t h e minimum v a l u e o f d H / 2 i s 8 . 3 A .T h i s v a l u e i s 2 . 2 A l a r g e r t h a n t h e minimum d i m e n s i o n o f6 . 1 f o r t h e same h e a d g r o u p i n t h e L c p h a s e ( S c h e r e r ,1 9 8 9 ) . We now e x p l o r e w h e t h e r t h i s s m a l l p r o p o s e d v o i ds p a c e c o u l d a c c o u n t f o r t h e d i f f e r e n c e i n t h e h e a d g r o u pd i m e n s i o n s . I n F i g . 5 , t h e w e d g e s h a p e d c r o s s - s e c t i o n o fo n e h e a d g r o u p i n a h y d r o p h i l i c t u b e w i t h d i a m e t e r d H i sr e p r e s e n t e d w i t h b a s e w i d t h w ( a t t h e a v e r ag e p o s i t i o n o ft h e f i r s t CH2 c a r b o n o f t h e c h a i n s ) a n d h e a d g r o u p h e i g h tz . P r o j e c t i o n s o f a p p r o x i m a t e van d e r W a a l s r a d i i ( 1 . 5 A )

w wF I G U R E 5 C r o s s s e c t i o n o f t h e PE h e a d g r o u p i n t h e H I , p h a s e d e f i n i n gt h e y , z , w , a n d w ' d i m e n s i o n s . P r o j e c t i o n s o f t h e v a n d e r W a a l s v o l u m e so f a t o m s o f t h e p h o s p h a t e g r o u p o r i e n t e d a s i n D L PE ( H i t c h c o c k e t a l . ,1 9 7 4 ) a r e i n d i c a t e d b y c i r c l e s .

968~~~~~~_pyiaJora ouMy 89 6 8 B i o p h y s i c a l J o u r n a l V o l u m e 5 5 M a y 1 9 8 9


5/7

o f t h e P a n d 0atoms are i n d i c a t e d b y c i r c l e s d r a w n a t t h ea p p r o x i m a t e p o s i t i o n o f t h e P 0 4 group ( H a u s e r e t a l . ,1 9 8 1 ) . I t may b e e a s i l y s h o w n t h a t z i s g i v e n b y

T A B L E 1 O b s e r v e d d s p a c i n g s and c a l c u l a t e d l i p i dh e a d g r o u p d i m e n s i o n s o f D D P E and DAPE f o rp a c k i n g n , l i p i d s a r o u n d a h y d r o p h i l i c t u b ea t m aximum and minimum h y d r a t i o n

z =dH [1 ( 4 V v O , i d / S d H ) / 2 / 2 , ( 1 3 )w h e r e V Y o i d =V- V h C - V P E . F o r V V O i d =2 0 A ' , S =5 5 A d H / 2 =8 . 3 A , we f i n d t h a t z =5 . 8 A w h i c h i s w i t h i n 0 . 3 Ao f t h e v a l u e f o r d H / 2 f o r t h e L C p h a s e . As we s h a l l se e i nt h e n e x t s e c t i o n , a n a c c e p t a b l e e s t i m a t e f o r w i s - 5 A .T h e c e n t r a l v o i d r a d i u s , y, i s 2 . 5 a n d t h e w i d t h o f t h et o p o f t he h e a d g r o u p w ' =2 y w / d H or 1 . 5 A , w h i c h s e e m sa r e a s o n a b l e w i d t h t o a c c o m m o d a t e t h e u p p e r p o r t i o n s o ft h e atoms a l o n g t h e t o p o f t h e h e a d g r o u p .Headgroup p a c k i n ga t zero h y d r a t i o nT h e s m a l l v a l u e s f o r V H a n d d H / 2 o b s e r v e d a t minimumh y d r a t i o n l e a d s o n e t o s u s p e c t f a v o r e d g e o m e t r i e s f o r t h ePE h e a d g r o u p e v e n t h o u g h t h e CH2 c h a i n s are d i s o r -d e r e d . H i t c h c o c k e t a l . ( 1 9 7 4 ) h a v e d e t e r m i n e d t h ec r y s t a l s t r u c t u r e o f d i l a u r o y l p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n eDLPE) a c e t i c a c i d . T h e y f i n d t h a t t h e PE h e a d g r o u p i nt h i s m u l t i - l a m e l l a r c r y s t a l i s e x t e n d e d p a r a l l e l t o t h eh e a d g r o u p s u r f a c e a n d h a s a l e n g t h , 1 , o f 7 . 8 A , w i d t h , w,o f 5 . 0 A , a l / w r a t i o o f 1 . 5 6 , a n d a s u r f a c e area o f 3 8 . 6 A 2 .A d j a c e n t l i p i d s are p a c k e d w i t h t h e i r z w i t t e r i o n i c d i p o l e sa l t e r n a t i n g a n d two o f t h e h y d r o g e n s o n e a c h NH3+ groupare l a t e r a l l y h y d r o g e n b o n d e d t o a d j a c e n t P 0 4 oxygens.I n t e r e s t i n g l y , t h e t o p o f t h e h e a d g r o u p i s - 6 A a b o v e t h eaverage c a r b o n y l p o s i t i o n . T h e r e c t a n g u l a r p r o f i l e o f t h eh e a d g r o u p p r o m p t s us t o a s s u m e t h a t o p t i m a l p a c k i n g o ft h e h e a d g r o u p s s h o u l d b e w i t h t h e i r l o n g d i m e n s i o n a l o n g ,a n d t h e i r s h o r t d i m e n s i o n p e r p e n d i c u l a r t o , t h e t u b e a x i s .C o n s i d e r a t i o n o f b o t h d i p o l e / d i p o l e i n t e r a c t i o n s a n dl a t e r a l h y d r o g e n - b o n d i n g l e a d s us t o a s s u m e t h a t m a x i -mum p a c k i n g i s a c h i e v e d b y s t a c k i n g a n ev e n n u m b e r o fh e a d g r o u p s s i d e b y s i d e a r o u n d t h e p e r i m e t e r o f t h e t u b e ,se e f i g . 4 f o r e x a m p l e . We d e t e r m i n e w, 1 , a n d t h e l / wr a t i o f o r e a c h c a s e w h e r e t h e p e r i m e t e r ( l l d H =5 2 A ) i sd i v i d e d e v e n l y b y n , groups a r o u n d t h e t u b e a n d t h ea r e a / l i p i d ( S =w l ) , i s f i x e d a t 5 5 A 2 . T h e r e s u l t s a reg i v e n i n T a b l e 1 . The v a l u e s o f l / w f o r n , =1 0 a n d 8b r a c k e t t h e v a l u e o b s e r v e d f o r t h e D L P E c r y s t a l . E x a m i -n a t i o n o f t h e c r y s t a l s t r u c t u r e ( H a u s e r , 1 9 7 5 ; H i t c h c o c ke t a l . , 1 9 7 4 ) l e a d s o n e t o e x p e c t t h a t c o m p r e s s i o n o n t o p o ft h e h e a d g r o u p c o u l d b e a l l e v i a t e d b y s l i g h t r o t a t i o n a b o u tt h e g l y c e r o l - p h o s p h a t e b o n d ( a n d o t h e r m i n o r a n g u l a rc h a n g e s ) w h i c h w o u l d i n c r e a s e t h e l / w r a t i o s l i g h t l ya b o v e t h a t o b s e r v e d f o r a l a m e l l a r p h a s e . T h u s , t h e n , =1 0 p a c k i n g i s p r e f e r r e d w i t h w=5 . 2 A a n d =1 0 . 6 A .S e d d o n e t a l . ( 1 9 8 4 ) h a v e a l s o o b t a i n e d a l i m i t e da m ou nt o f d a t a f o r t h e d e h y d r a t i o n o f d i a r a c h i n o y l p h o s -p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e DAPE) i n t h e H I , p h a s e . A p p l y -

DDPE, d = 2 8 . 7 , 1 3 5 0 C , n = 0, S = 5 5 . 0 ,d H / 2 = 8 . 3 , d . = 1 4 . 1 , b = 1 0 . 8 , c = 8 . 3

n , w 11 2 4 . 3 1 2 . 71 0 5 . 2 1 0 . 68 6 . 5 8 . 5

l/w2 . 92 . 01 . 3DDPE, d = 4 5 . 3 , 1 3 5 0 C , n = 1 6 , S = 7 5 . 6 ,dH/2= 1 9 . 1 [ 1 7 . 6 ] , d . = 1 0 . 3 [ 1 2 . 5 ] , b = I 1 . 1 , c = 7 . 1 [ 8 . 6 ]

2 0 6 . 0 1 2 . 6 2 . 11 8 6 . 6 1 1 . 4 1 . 71 6 7 . 5 1 0 . 1 1 . 4

DAPE, d =4 0 . 0 , 9 9 0 C , n > 2 , S > 5 5 . 2 ,d H / 2 =1 1 . 2 , d . =2 0 . 8 , b = 1 5 . 5 , c = 1 1 . 91 4 5 . 0 1 1 . 01 2 5 . 8 9 . 41 0 7 . 0 7 . 9

2 . 21 . 61 . 1

DAPE, d = 6 8 . 2 , 9 9 0 C , n = 1 7 . 4 , S = 5 9 . 7 ,d H / 2 = 2 6 . 4 [ 2 6 . 6 ] , d . = 1 9 . 2 [ 1 8 . 9 ] , b = 1 9 . 1 , c = 1 3 . 0 [ 1 2 . 8 ]3 0 5 . 5 1 0 . 8 2 . 02 8 5 . 9 1 0 . 1 1 . 72 6 6 . 4 9 . 4 1 . 5

U n i t s : a r e a , A 2 ; d i s t a n c e , A . V a l u e s i n b r a c k e t s w e r e c a l c u l a t e du s i n g E q . 1 4 a n d t h e a s s u m p t i o n d . b .i n g t h e s a m e a n a l y s i s t o t h e D A P E d a t a a t 9 9 0 C , t h ec a l c u l a t e d p a r a m e t e r s f o r t h e H I , p h a s e a t minimum( n z 2 ) h y d r a t i o n a r e l i s t e d i n T a b l e 1 . A g a i n w e n o t et h a t d . i s l a r g e r t h a n t h e b l a t t i c e d i m e n s i o n i n d i c a t i n ge x t e n s i v e i n t e r d i g i t a t i o n o f e x t e n d e d f l u i d c h a i n s . I t i s n o tc l e a r w h e t h e r 2 o r 1 4 l i p i d s s u r r o u n d t h i s i n c o m p l e t e l yd e h y d r a t e d t u b e . H o w e v e r , n 1 = 1 2 i s p r e f e r a b l e b e c a u s eo f l e s s c r o w d i n g i s e x p e c t e d a t t h e t o p o f t h e h e a d g r o u p a tn = 2 w h i c h w o u l d m a k e t h e v a l u e o f l / w l e s s t h a n t h a t f o rD D P E a t n = 0 . T h e s e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a maximumn u m b e r o f 1 0 PE l i p i d s ( d i a c y l o r d i a l k y l ) s u r r o u n d a t u b ea t z e r o h y d r a t i o n a n d t h a t t h e n u m b e r i s i n d e p e n d e n t o fCH2 c h a i n l e n g t h .M o l e c u l a r p a c k i n ga t m a ximum h y d r a t i o nC h o i c e s f o r t h e maximum h e a d g r o u p p a c k i n g o f D D P Ea n d D A P E a t f u l l h y d r a t i o n a r e s h o w n i n T a b l e I . T h en u m b e r o f l i p i d s p a c k e d a r o u n d a t u b e i s g r e a t e r f o rD A P E ( n 1 = 2 8 ) c o m p a r e d w i t h t h a t f o r D D P E n , = 1 8 ) . T h e s e e s t i m a t e s f o r n 1 a r e p r o b a b l y g o o d t ow i t h i n 2 .T h e CH2 c h a i n s o f D D P E a n d D A P E a r e n e g l i g i b l yi n t e r d i g i t a t e d i n t h e b d i r e c t i o n ( d b ) b u t a r e d e c i d e d l ys o i n t h e c d i r e c t i o n . T h i s p r o m p t s u s t o p r o p o se a g e n e r a lr u l e t h a t h y d r o c a r b o n c h a i n s t r a i n i s a l l e v i a t e d b y r e q u i r -

S c h e r e r L i p i d P a c k i n g i n H * P h a s e 969S c h e r e r L i p i d P a c k i n g i n H , P h a s e 9 6 9


6/7

i n g t h e a v e r a g e f l u i d c h a i n l e n g t h t o m a t c h t h e l e n g t h ba n d a l l o w i n g t h e c h a i n s b e t w e e n a d j a c e n t t u b e s t o i n t e r d i -g i t a t e t o a c c o m m o d a t e t h i s l e n g t h . T h i s c o n d i t i o n a n d E q5 l e a d s t o t h e g e n e r a l r e l a t i o n s h i p

d H / 2 = 2 d [ 1 - 1 - 3V / 3 / 2 i r ) / 1 ] / 3 = 0 . 3 8 9 4 d , ( 1 4 )f r o m w h i c h t h e H I , p h a s e d i m e n s i o n s d . b a n d c may b ec a l c u l a t e d w i t h o u t t h e u s e o f s p e c i f i c v o l u m e s o r v o l u m ef r a c t i o n s . T h e v a l u e s o f d H / 2 , d * , a n d c c a l c u l a t e d w i t hE q . 1 4 a r e g i v e n i n b r a c k e t s i n T a b l e I . A s e x p e c t e d , t h ea g r e e m e n t w i t h t h e f u l l c a l c u l a t i o n i s w o r s e f o r t h es h o r t e r c h a i n l i p i d b e c a u s e t h e a v e r a g e c h a i n l e n g t h d . i ss l i g h t l y l e s s t h a n b . T h i s s i m p l e r e l a t i o n s h i p i s n o t v a l i d a tr e d u c e d h y d r a t i o n b e c a u s e d * i s g r e a t e r t h a n b , i n d i c a t i n gt h a t t h e c h a i n s i n t h e b l a t t i c e d i r e c t i o n a l s o i n t e r d i g i -t a t e .I t i s i n s t r u c t i v e t o c o m p a r e t h e a v e r a g e c h a i n l e n g t h s d *c a l c u l a t e d f r o m E q . 1 4 f o r a n u m b e r o f d i a c y l a n d d i a l k y lP E s . d s p a c i n g s o f C 2 2 , 2 0 , 1 8 , 1 6 d i a c y l - a n d C 1 8 , 1 6 , 1 4 , 1 2 d i a l k y l -P E s a t 3 0 C a b o v e t h e L - - H I , p h a s e t r a n s i t i o n t e m p e r a -t u r e h a v e b ee n m e a s u r e d b y S e d d o n e t a l . ( 1 9 8 4 ) . T h ec a l c u l a t e d v a l u e s o f d . a r e p l o t t e d a g a i n s t t h e n u m b e r o fc a r b o n s i n t h e h y d r o p h o b i c p a r t o f t h e CH2 c h a i n( e x c l u d i n g t h e C 0 c a r b o n ) i n F i g . 6 . We n o t e t h a t a l lt h e v a l u e s o f d . f a l l o n a s i n g l e c u r v e , w h i c h l e n d sa d d i t i o n a l c r e d e n c e t o t h e s i m p l e i n t e r d i g i t a t i o n m o d e l .I s o t h e r m a l d e h y d r a t i o nA f i n a l c o m m e n t s h o u l d b e m a d e a b o u t t h e e x p e c t e dd i m e n s i o n a l c h a n g e s o f t h e h y d r o p h i l i c t u b e s u n d e r c o n -d i t i o n s o f i s o t h e r m a l d e h y d r a t i o n . T h e a b o v e p a c k i n ga r g u m e n t s i n d i c a t e t h a t t h e n u m b e r o f l i p i d s s u r r o u n d i n ga t u b e d e p e n d s o n t h e l e v e l o f h y d r a t i o n a n d t h e l e n g t h o ft h e CH2 c h a i n s . A t z e r o h y d r a t i o n t h e h e a d g r o u p p a c k i n gd e p e n d s o n l y o n t h e g e o m e t r y o f t h e a n h y d r o u s h e a d -g r o u p . A s i m p l e w a y f o r a t u b e t o c o n s e r v e l i p i d m a s s

2 2 . . .

01801 4 o //U0 01 4

01 0 1 0 1 4 1 8 2 2n c

F I G U R E 6 D e p e n d e n c e o f t h e v a l u e s o f d . , c a l c u l a t e d w i t h E q . 1 4 f o rt h e s i m p l e i n t e r d i g i t a t i o n m o d e l a t maximum h y d r a t i o n f o r C 2 2 , 2 0 , 1 8 , 1 6d i a c y l - , 0 , a n d C 1 8 , l 1 4 , 1 2 d i a l k y l - P E s , 0 , o n t h e n u m b e r o f c a r b o n s i n t h eh y d r o p h o b i c p a r t o f t h e c h a i n ( e x c l u d i n g t h e C = = O c a r b o n ) .

d u r i n g d e h y d r a t i o n i s t o move t h e e x c e s s l i p i d d o w n t h et u b e a x i s . T h i s w o u l d l e a d t o a g r o w t h i n t h e t u b e l e n g t ho f 80 f o r DDPE, w h e r e n , = 1 8 - 1 0 ( n = O ) a n d 1 3 3 %f o r D A P E w h e r e n , = 2 8 - 1 2 ( n = 2 ) .

CONCLUSIONSE x t e n s i o n o f a h y d r o c a r b o n s u r f a c e b o u n d a r y m o d e l t ot h e PE H e x a g o n a l p h a s e e l i m i n a t e s a m b i g u i t i e s a b o u t t h ep h y s i c a l c o n c e p t o f l i p i d s u r f a c e a r e a i n t h e H I , p h a s e a tl o w h y d r a t i o n a n d f a c i l i t a t e s c o m p a r i s o n w i t h s u r f a c ea r e a s f o r t h e l a m e l l a r p h a s e s .T h e p r e s e n t c a l c u l a t i o n s p r o v i d e e v i d e n c e f o r c o n c l u d -i n g t h a t t h e f l u i d h y d r o c a r b o n c h a i n s b e t w e e n a d j a c e n tt u b e s a r e i n t e r d i g i t a t e d a t a l l h y d r a t i o n l e v e l s . A t m a x i -mum h y d r a t i o n , t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e a v e r a g e c h a i nl e n g t h d . i s e q u a l t o t h e b l a t t i c e d i m e n s i o n , l e a d s t os i m p l e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d H / 2 a n d t h e h e x a g o n a l l o n gs p a c i n g d . A t minimum h y d r a t i o n t h e c h a i n s i n t h e bl a t t i c e d i r e c t i o n a r e a l s o i n t e r d i g i t a t e d . We n o t e t h a tt h e s e c o n c l u s i o n s d o n o t d e p e n d o n a n y a p r i o r i a s s u m p -t i o n s a b o u t c h a i n p a c k i n g b u t o n l y o n t h e a s s u m e dp o s i t i o n o f t h e h y d r o p h i l i c / h y d r o p h o b i c b o u n d a r y a n dt h e c a l c u l a t e d v a l u e s o f d * . T h e c a l c u l a t e d m o l e c u l a rd i m e n s i o n s o f t h e h e a d g r o u p i n d i c a t e t h a t a maximum o f1 0 PE l i p i d s ( i n d e p e n d e n t o f c h a i n l e n g t h ) c a n p a c k i n ac r o s s - s e c t i o n o f a h y d r o p h i l i c t u b e a t z e r o h y d r a t i o n . A tmaximum h y d r a t i o n , t h e n u m b e r d e p e n d s o n t h e l e n g t ho f t h e CH2 c h a i n s . T h e c a l c u l a t e d d i m e n s i o n s a t z e r oh y d r a t i o n a r e c o n s i s t e n t w i t h a 5 A d i a m v o i d s p a c e a t t h ec e n t e r o f a d e h y d r a t e d t u b e w h i c h a l l e v i a t e s c r o w d i n g a tt h e c e n t e r o f t h e t u b e a n d a c c o u n t s f o r a 2 A d i f f e r e n c e i nt h e v a l u e o f d H / 2 b e t w e e n t h e H I , a n d L p h a s e s .

R e c e i v e d f o r p u b l i c a t i o n 2 6 J u l y 1 9 8 8 a n d i n f i n a l f o r m 2 3J a n u a r y 1 9 8 9 .

REFERENCESB o n d i , A . 9 6 4 v a n d e r W a a l s v o l u m e s a n d r a d i i . J . P h y s . C h e m .

6 8 : 4 4 1 - 4 5 1 .C u l l i s , P . R . , a n d B . D e K r u i j f f . 1 9 7 9 . L i p i d p o l y m o r p h i s m a n d t h ef u n c t i o n a l r o l e s o f l i p i d s i n b i o l o g i c a l m e m b r a n e s . B i o ch i m . B i o p h y s .

A c t a . 5 5 9 : 3 9 9 - 4 2 0 .E l w o r t h y , P . H . 9 6 T h e a d s o r p t i o n o f w a te r v a p o u r b y l e c i t h i n a n dl y s o l e c i t h i n a n d t h e h y d r a t i o n o f l y s o l e c i t h i n m i c e l l e s . J . C h e m . S o c .( L o n d . ) . 4 : 5 3 8 5 - 5 3 8 9 .G r u n e r , S . M. 9 8 5 I n t r i n s i c c u r v a t u r e h y p o t h e s i s f o r b i o m e m b r a n el i p i d c o m p o s i t i o n : a r o l e f o r n o n b i l a y e r l i p i d s . P r o c N a t l . A c a d . S c i .U S A . 8 2 : 3 6 6 5 - 3 6 6 9 .

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


7/7

G r u n e r , S . M . , V . A . P a r s e g i a n , a n d R . P . R a n d . 1 9 8 6 . D i r e c t l ym e a s u r e d d ef o r m a t i o n e n e rg y o f p h o s p h o l i p i d H I , h e x a g o n a l p h a s e s .F a r a d a y D i s c u s s . C h e m . S o c . 8 1 : 2 9 - 3 7 .

H a u s e r , H . 1 9 7 5 . W a t e r : A C o m p r e h e n s i v e T r e a t i s e . V o l . 2 . F . F r a n k s ,e d i t o r . P l e n u m P u b l i s h i n g C o r p . , Ne w Y o r k. 2 0 9 -3 0 3 .H a u s e r , H . , I . P a s c h e r , R . H . P e a r s o n , a n d S . S u n d e l l . 1 9 8 1 . P r e f e r r e d

c o n f o r m a t i o n a n d m o l e c u l a r p a c k i n g o f p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n ea n d p h o s p h a t i d y l c h o l i n e . B i o c h i m . B i o p h y s . A c d a . 6 5 0 : 2 1 - 5 1 .

H i t c h c o c k , P . B . , R . M a s o n , K . M . T h o m a s , a n d G . G . S h i p l e y . 1 9 7 4 .S t r u c t u r a l c h e m i s t r y o f 1 , 2 - d i l a u r o y l - d l - p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e :m o l e c u l a r c o n f o r m a t i o n a n d i n t e r m o l e c u l a r p a c k i n g o f p h o s p h o l i p i d s .P r o c . N a t l . A c a d . S c i . U S A . 7 1 : 3 0 3 6 - 3 0 4 0 .

J a n i a k , M . J . , D . M. S m a l l , a n d G . G . S h i p l e y . 1 9 7 9 . T e m p e r a t u r e a n dc o m p o s i t i o n a l d e p e n d e n c e o f t h e s t r u c t u r e o f h y d r a t e d d i m y r i s t o y ll e c i t h i n . J . B i o l . C h e m . 2 5 4 : 6 0 6 8 - 6 0 7 8 .J a n i a k , M . J . , D . M . S m a l l a n d G . G . S h i p l e y . 1 9 7 9 . I n t e r a c t i o n s o fc h o l e s t e r o l e s t e r s w i t h p h o s p h o l i p i d s : c h o l e s t e r y l m y r i s t a t e a n d d i m y -r i s t o y l l e c i t h i n . J . L i p i d R e s . 2 0 : 1 8 3 - 1 9 9 .J e n d r a s i a k , G . L . , a n d J . H . H a s t y . 1 9 7 4 . T h e h y d r a t i o n o f p h o s p h o l i p -i d s . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a . 3 3 7 : 7 9 - 9 1 .L u z z a t i , V . 1 9 6 8 . X - r a y d i f f r a c t i o n s t u d i e s o f l i p i d - w a t e r s y s t e m s . I nB i o l o g i c a l M e m b r a n e s . D . C h a p m a n , e d i t o r . A c a d e m i c P r e s s I n c . ,Ne w Y o r k . 7 1 - 1 2 3 .M a n t s c h , H . H . , A . M a r t i n , a n d D . G . C a m e r o n . 1 9 8 1 . C h a r a c t e r i z a -t i o n b y i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y o f t h e b i l a y e r t o n o n b i l a y e r p h a s e

t r a n s i t i o n o f p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e s . B i o c h e m i s t r y . 2 0 : 3 1 3 8 -3 1 4 5 .M c I n t o s h , T . J . , a n d S . A . S i m o n . 1 9 8 6 . H y d r a t i o n f o r c e a n d b i l a y e rd e f o r m a t i o n : a r e e v a l u a t i o n . B i o c h e m i s t r y . 2 5 : 4 0 5 8 - 4 0 6 6 ; 8 4 7 4 .S c h e r e r , J . R . 1 9 8 7 . T h e p a r t i a l m o l a r v o l u m e o f w a t e r i n b i o l o g i c a l

m e m b r a n e s . P r o c . N a t i . A c a d . S c i . U S A . 8 4 : 7 9 3 8 - 7 9 4 2 .S c h e r e r , J . R . 1 9 8 9 . On t h e p o s i t i o n o f t h e h y d r o - p h o b i c / p h i l i c b o u n d -a r y i n l i p i d b i l a y e r s . B i o p h y s . J .S e d d o n , J . M . , G . C e v c , R . D . K a y e , a n d D . M a r s h . 1 9 8 4 . X - r a yd i f f r a c t i o n s t u d y o f t h e p o l y m o r p h i s m o f h y d r a t e d d i a c y l - a n d d i a l -k y l p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e s . B i o c h e m i s t r y . 2 3 : 2 6 3 4 - 2 6 4 4 .T a r d i e u , A . , V L u z z a t i , a n d F . C . R e m a n . 1 9 7 3 . S t r u c t u r e a n d

p o l y m o r p h i s m o f t h e h y d r o c a r b o n c h a i n s o f l i p i d s : a s t u d y o f l e c i t h i n -w a t e r p h a s e s . J . M o l . B i o l . 7 5 : 7 1 1 - 7 3 3 .

T a t e , M . W . , a n d S . M . G r u n e r . 1 9 8 7 . L i p i d p o l y m o r p h i s m o f m i x t u r e so f d i o l e o y l p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e a n d s a t u r a t e d a n d m o n o u n s a t u -r a t e d p h o s p h a t i d y l c h o l i n e s o f v a r i o u s c h a i n l e n g t h s . B i o c h e m i s t r y .2 6 : 2 3 1 - 2 3 6 .

W h i t e , S . H . , a n d G . I . K i n g . 1 9 8 5 . M o l e c u l a r p a c k i n g a n d a r e ac o m p r e s s i b i l i t y o f l i p i d b i l a y e r s . P r o c . N a t i . A c a d . S c i . U S A .8 2 : 6 5 3 2 - 6 5 3 6 .

W i l k i n s o n , D . A . , a n d J . N a g l e . 1 9 8 1 . D i l a t o m e t r y a n d c a l o r i m e t r y o fs a t u r a t e d p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e . B i o c h e m i s t r y . 2 0 : 1 8 7 - 1 9 2 .V e r k l e i j , A . J . 1 9 8 4 . L i p i d i c I n t r a m e m b r a n o u s P a r t i c l e s . B i o c h i m .B i o p h y s . A c t a . 7 7 9 : 4 3 - 6 3 .

S c h e r e r L i p i d P a c k i n g i n H P h a s e 9 7 1

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1989_Scherer_Dependence of Lipid Chain and Headgroup Packing of the Inverted Hexagonal Phase on Hydration