摘要

利用振動和頻產(chǎn)生、表面壓力測量和熒光顯微鏡研究了鈉離子和鈣離子對兩性離子和陰離子磷脂單分子膜的影響。鈉離子對單層結(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25 mN/m時，鈣離子擴(kuò)展單層，同時使脂鏈有序化。有趣的是，兩性離子脂質(zhì)和帶負(fù)電脂質(zhì)的效果相似。在振動和頻產(chǎn)生和表面張力測量中，Ca2+與脂質(zhì)結(jié)合的分子特征從Ca2+誘導(dǎo)的信號變化中可以明顯看出，對應(yīng)于4?2/Lipid9的面積變化精確地說是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，這些磷脂不對稱地分布在兩個雙層小葉上。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)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等許多生物過程中起著重要作用。1-4由于其負(fù)電荷，PS磷脂吸引陽離子，如鈉和鈣。這可以用雙電層的古伊-查普曼理論來解釋，該理論預(yù)測負(fù)電荷表面附近的離子濃度會局部增加。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)計與PS相比相對較弱。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

除了一個基本的興趣，陽離子與PC膜的結(jié)合在更實際的應(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，因為兩性離子脂質(zhì)與大多數(shù)陽離子脂質(zhì)相比無毒且生物相容。

迄今為止，大多數(shù)實驗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。除了分子動力學(xué)（MD）研究外，對脂類和離子之間相互作用的分子細(xì)節(jié)的11-16見解仍然有限。MD模擬表明，鈉離子通過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，二價陽離子（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)陽離子結(jié)合到膜上時，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議的問題，12、15、16部分源于不同的模擬時間，可能是不同模擬中的電位選擇。此外，迄今為止的報告僅限于一種特定的脂質(zhì)密度，即每個分子的一個面積。因此，需要對離子-脂質(zhì)相互作用進(jìn)行實驗研究，特別是在不同的脂質(zhì)密度下，以補充現(xiàn)有的理論工作。我們在這里討論了PC和PS脂質(zhì)之間的相互作用以及不同脂質(zhì)密度和相的單價和二價陽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。

使用三種互補技術(shù)的組合研究陽離子脂質(zhì)單層系統(tǒng)，這三種技術(shù)提供不同長度尺度的信息：表面壓力測量、熒光顯微鏡和振動和頻產(chǎn)生（VSFG）光譜。表面壓力與面積的等溫線形成了整個單層相行為的宏觀測量。熒光顯微鏡下，17-19脂質(zhì)結(jié)構(gòu)域可通過～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，盡管平均探測面積為～10-2 mm2。請注意，SFG對有序結(jié)構(gòu)域最敏感，因為有序結(jié)構(gòu)域提供的信號比無序結(jié)構(gòu)域大得多，因為有序結(jié)構(gòu)域的對稱性降低。

脂質(zhì)單分子膜被廣泛用作生物膜的模型系統(tǒng)，因為細(xì)胞膜可以被視為兩個弱耦合的單分子膜。25對空氣-水界面上的脂質(zhì)單層的研究進(jìn)一步允許對表面壓力進(jìn)行實驗控制。為了觀察陽離子對單層組織的細(xì)微影響，使用了相對較高（1 M）濃度的陽離子。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雖然我們在這里報告了1 M濃度的結(jié)果，但對照實驗表明，這里報告的效應(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，這將吸引陽離子。然而，由于中性單分子層幾乎所有表面位點都已結(jié)合，這不會顯著改變結(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，鈣對脂質(zhì)組織的影響（即誘導(dǎo)有序或無序）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+傾向于弱無序單層，在高壓（π>20 mN/m）下，通過與頭部基團(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)（見圖1）。已知鈣和磷酸鹽在水中形成強(qiáng)離子對29，并且這種相互作用的強(qiáng)度可能會在類脂頭群區(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，則不會影響脂尾的順序。鈉離子的存在對DMP有更顯著的影響，與Ca2+相比，在高壓下，脂質(zhì)順序降低。