摘要

利用振動(dòng)和頻產(chǎn)生、表面壓力測(cè)量和熒光顯微鏡研究了鈉離子和鈣離子對(duì)兩性離子和陰離子磷脂單分子膜的影響。鈉離子對(duì)單層結(jié)構(gòu)的影響很小，而鈣離子的影響很大，并且強(qiáng)烈依賴于表面壓力。在低表面壓力下(～5 mN/m），Ca2+的存在導(dǎo)致意外出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)域。對(duì)于壓力介于～5和～25 mN/m，Ca2+離子誘導(dǎo)單層細(xì)胞紊亂。當(dāng)壓力超過(guò)25 mN/m時(shí)，鈣離子擴(kuò)展單層，同時(shí)使脂鏈有序化。有趣的是，兩性離子脂質(zhì)和帶負(fù)電脂質(zhì)的效果相似。在振動(dòng)和頻產(chǎn)生和表面張力測(cè)量中，Ca2+與脂質(zhì)結(jié)合的分子特征從Ca2+誘導(dǎo)的信號(hào)變化中可以明顯看出，對(duì)應(yīng)于4?2/Lipid9的面積變化精確地說(shuō)是Ca2+離子的表面積，并有證據(jù)表明在高壓下脂質(zhì)Ca2+絡(luò)合發(fā)生變化。

介紹

細(xì)胞的質(zhì)膜由許多不同的磷脂組成，這些磷脂不對(duì)稱地分布在兩個(gè)雙層小葉上。胞質(zhì)小葉富含陰離子磷脂酰絲氨酸（PS）磷脂，而細(xì)胞外小葉主要含有中性兩性脂質(zhì)。膜脂的性質(zhì)在很大程度上取決于環(huán)境條件，如pH值和離子強(qiáng)度。膜脂與離子的相互作用本課題在膜融合、酶調(diào)節(jié)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等許多生物過(guò)程中起著重要作用。1-4由于其負(fù)電荷，PS磷脂吸引陽(yáng)離子，如鈉和鈣。這可以用雙電層的古伊-查普曼理論來(lái)解釋，該理論預(yù)測(cè)負(fù)電荷表面附近的離子濃度會(huì)局部增加。5另一方面，金屬離子與兩性離子磷脂酰膽堿（PC）脂質(zhì)的頭基之間的相互作用預(yù)計(jì)與PS相比相對(duì)較弱。然而，校正了表面電位的差異后，發(fā)現(xiàn)離子與PC和PS的結(jié)合常數(shù)相似。6此外，PC頭群方向的微小變化可顯著改變膜表面的電性能。7,8

除了一個(gè)基本的興趣，陽(yáng)離子與PC膜的結(jié)合在更實(shí)際的應(yīng)用中受到了特別的關(guān)注。9,10最近，研究表明，在Ca2+存在的情況下，DNA與兩性離子脂質(zhì)之間的相互作用通過(guò)靜電相互作用強(qiáng)烈增強(qiáng)。因此，它們可以作為DNA轉(zhuǎn)染的合適載體，因?yàn)閮尚噪x子脂質(zhì)與大多數(shù)陽(yáng)離子脂質(zhì)相比無(wú)毒且生物相容。

迄今為止，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究主要旨在量化離子和脂質(zhì)之間的固有結(jié)合常數(shù)，以及表征膜表面電位。除了分子動(dòng)力學(xué)（MD）研究外，對(duì)脂類和離子之間相互作用的分子細(xì)節(jié)的11-16見(jiàn)解仍然有限。MD模擬表明，鈉離子通過(guò)與磷酸二酯氧相互作用特異性地結(jié)合到PC雙層膜上；11深度滲透后，離子可與羰基配位。13另一方面，二價(jià)陽(yáng)離子（如鈣）不能深入到陰離子PS雙層膜中，位于磷酸基團(tuán)周圍的狹窄區(qū)域。14當(dāng)陽(yáng)離子結(jié)合到膜上時(shí)，脂頭基團(tuán)發(fā)生構(gòu)象變化，隨后脂尾順序增加。11,13,14

盡管使用MD模擬進(jìn)行了大量的努力，但仍然存在一些有爭(zhēng)議的問(wèn)題，12、15、16部分源于不同的模擬時(shí)間，可能是不同模擬中的電位選擇。此外，迄今為止的報(bào)告僅限于一種特定的脂質(zhì)密度，即每個(gè)分子的一個(gè)面積。因此，需要對(duì)離子-脂質(zhì)相互作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，特別是在不同的脂質(zhì)密度下，以補(bǔ)充現(xiàn)有的理論工作。我們?cè)谶@里討論了PC和PS脂質(zhì)之間的相互作用以及不同脂質(zhì)密度和相的單價(jià)和二價(jià)陽(yáng)離子之間的相互作用。在空氣-水界面的脂質(zhì)單分子膜中，我們研究了離子磷脂復(fù)合物的形成以及在一系列脂質(zhì)密度的單組分膜中離子誘導(dǎo)的脂質(zhì)重組。

使用三種互補(bǔ)技術(shù)的組合研究陽(yáng)離子脂質(zhì)單層系統(tǒng)，這三種技術(shù)提供不同長(zhǎng)度尺度的信息：表面壓力測(cè)量、熒光顯微鏡和振動(dòng)和頻產(chǎn)生（VSFG）光譜。表面壓力與面積的等溫線形成了整個(gè)單層相行為的宏觀測(cè)量。熒光顯微鏡下，17-19脂質(zhì)結(jié)構(gòu)域可通過(guò)～200 nm分辨率，而VSFG提供關(guān)于脂質(zhì)分子取向和構(gòu)象的信息，20-24，盡管平均探測(cè)面積為～10-2 mm2。請(qǐng)注意，SFG對(duì)有序結(jié)構(gòu)域最敏感，因?yàn)橛行蚪Y(jié)構(gòu)域提供的信號(hào)比無(wú)序結(jié)構(gòu)域大得多，因?yàn)橛行蚪Y(jié)構(gòu)域的對(duì)稱性降低。

脂質(zhì)單分子膜被廣泛用作生物膜的模型系統(tǒng)，因?yàn)榧?xì)胞膜可以被視為兩個(gè)弱耦合的單分子膜。25對(duì)空氣-水界面上的脂質(zhì)單層的研究進(jìn)一步允許對(duì)表面壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制。為了觀察陽(yáng)離子對(duì)單層組織的細(xì)微影響，使用了相對(duì)較高（1 M）濃度的陽(yáng)離子。先前的研究表明，需要如此高的濃度才能獲得離子與大多數(shù)脂質(zhì)分子相互作用的顯著效果。26,27雖然我們?cè)谶@里報(bào)告了1 M濃度的結(jié)果，但對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，這里報(bào)告的效應(yīng)影響了離子濃度高于50 mM的大多數(shù)脂質(zhì)。

研究了兩性離子脂質(zhì)L-1,2-二棕櫚酰-sn-甘油-3-磷酸膽堿（DPPC）和帶負(fù)電脂質(zhì)L-1,2-二甲基-sn-甘油-3-磷酸絲氨酸（DMPS）的陽(yáng)離子-脂質(zhì)相互作用。脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。DMPS和DPPC單分子膜表現(xiàn)出非常相似的相行為，都顯示出不同的共存區(qū)域。28 DPPC和DMP都有飽和烷基鏈，烴鏈的長(zhǎng)度略有不同。因此，這兩種不同類型的脂質(zhì)呈現(xiàn)出良好的模型系統(tǒng)，其中陽(yáng)離子-脂質(zhì)相互作用可以遵循不同的階段，并且可以揭示脂質(zhì)頭基電荷的影響。

圖1：。DPPC和DMPS的化學(xué)結(jié)構(gòu)

關(guān)于DPPC和DMPS之間離子-脂質(zhì)相互作用的比較，估計(jì)鈣與中性脂質(zhì)的結(jié)合常數(shù)為12 M-1<K<20 M-1。因此，在1 M CaCl2溶液中，90%以上的DPPC脂質(zhì)將與鈣結(jié)合。在DMP上，需要考慮負(fù)表面電荷，這將吸引陽(yáng)離子。然而，由于中性單分子層幾乎所有表面位點(diǎn)都已結(jié)合，這不會(huì)顯著改變結(jié)合脂質(zhì)的比例。因此，在高電解質(zhì)濃度（1 M）下，可以有意義地比較DPPC和DMPS。

我們發(fā)現(xiàn)，鈉離子對(duì)DPPC單分子膜的影響不大，而鈣離子顯著干擾脂質(zhì)組織。令人驚訝的是，鈣對(duì)脂質(zhì)組織的影響（即誘導(dǎo)有序或無(wú)序）強(qiáng)烈依賴于表面壓力π。在低表面壓力下(～5 mN/m）Ca2+的存在觸發(fā)有序結(jié)構(gòu)域的出現(xiàn)，在中壓下，Ca2+傾向于弱無(wú)序單層，在高壓（π>20 mN/m）下，通過(guò)與頭部基團(tuán)的相互作用，在脂尾中誘導(dǎo)大量有序。DPPC和DMPS的這些效應(yīng)相似，這表明鈣離子與相同的頭基部分相互作用，最有可能是磷酸基團(tuán)（見(jiàn)圖1）。已知鈣和磷酸鹽在水中形成強(qiáng)離子對(duì)29，并且這種相互作用的強(qiáng)度可能會(huì)在類脂頭群區(qū)域增加，在該區(qū)域周圍的介電常數(shù)（因此電荷的靜電屏蔽）會(huì)降低。這并不排除Ca2+與DMP絲氨酸基團(tuán)上負(fù)電荷的任何相互作用，但如果發(fā)生這種情況，則不會(huì)影響脂尾的順序。鈉離子的存在對(duì)DMP有更顯著的影響，與Ca2+相比，在高壓下，脂質(zhì)順序降低。