細胞膜中微區(qū)結(jié)構(gòu)的熱力學行為研究

馬艷+趙飛燕

摘要：采用LB膜技術合成了磷脂酰乙醇胺PC/磷脂酰膽堿PE/膽固醇Chol單分子膜，通過分析和計算磷脂酰乙醇胺PC/磷脂酰膽堿PE/膽固醇Chol三元體系中單分子膜的過量吉布斯自由能、熵、過量分子面積和彈性模量，定性研究了磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰膽堿（PC）和膽固醇三元混合體系的熱力學行為。

關鍵詞：LB膜技術;PC/PE/Chol單分子膜結(jié)構(gòu);熱力學行為

中圖分類號：O647

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2014）12-0223-02

1引言

細胞膜中微區(qū)結(jié)構(gòu)是當前研究熱點問題之一，磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰膽堿（PC）和膽固醇（Chol）是生物膜骨架中的基本成分，它們結(jié)構(gòu)和功能的改變，會引發(fā)一系列的疾病，人工模擬是研究細胞膜中微區(qū)結(jié)構(gòu)的基本途徑[1]，LB膜技術常用于輔助研究細胞膜上微區(qū)結(jié)構(gòu)，本文利用LB膜技術制備PC/PE/Chol單分子膜，通過繪制PC/PE/Chol LB膜的標準π-A曲線來研究磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）和膽固醇（Chol）形成的三元系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及其熱力學行為。

2材料與方法

2.1材料

磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、膽固醇（Chol）、乙醚、去離子水。

2.2PC/PE/Chol單分子膜的制備

將磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺和膽固醇溶于乙醚中形成濃度為0.3mg/mL的溶液，將其均勻地滴在亞相水槽上， 待乙醚揮發(fā)后，保持表面壓在20mN/m的恒定壓力下，以1.5mm/min的速度垂直提膜法將單分子膜轉(zhuǎn)移到新解離的親水性云母基片上，成膜溫度控制在（20+0.5）℃ 。

3結(jié)果與討論

3.1PC/PE/Chol單分子膜的π-A曲線分析

我們采用了PC/PE/Chol膜作為天然細胞膜的模型，在細胞膜中磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺是兩種主要的磷脂類型，都是由一個親水基和兩個疏水基構(gòu)成，是典型的雙親性分子，膽固醇系固醇類物質(zhì)，由4個環(huán)狀核及疏水尾部構(gòu)成，也具有雙親性，本次實驗選擇膽固醇對于磷脂的含量保持在0.5，也是在人類細胞膜中的主要比例[2～4]。PC/PE/Chol單分子膜的π-A曲線如圖1所示，圖中π表示膜壓，A表示單分子面積，從圖1中可以清楚地看到G表示氣相，分子之間的距離很大，使得單分子面積較大，膜的狀態(tài)近似滿足理想氣體物態(tài)方程，可以通過理想氣體物態(tài)方程計算出其溫度、體積等熱力學函數(shù)，L表示液相，隨著膜進一步被壓縮，分子之間距離減小，PC/PE/Chol單分子膜逐漸向液態(tài)轉(zhuǎn)變，在氣態(tài)和液態(tài)之間出現(xiàn)一些列過渡狀態(tài)，圖上的突變點表明存在著相變：從液體擴張狀態(tài)（LE）到達液體壓縮狀態(tài)（LC）。S代表固相，隨著膜壓的繼續(xù)增大，分子之間緊密排列，單分子面積急劇減小，超過極限單分子面積后，進一步壓縮膜，則造成膜的崩塌。

圖1PC/PE/Chol膜的π-A曲線

3.2PC/PE/Chol三元體系單層膜相互作用分析

在理想混合的情況下，PC/PE/Chol平均分子面積可由文獻[5]計算：

A=A1X1+A2X2+A3X3 ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：A1、A2和A3分別表示在20mN/m膜下PC、PE和Chol的平均分子面積，X1、X2、X3分別表示PC、PE和Chol組分在混合PC/PE/Chol單層膜中所占的摩爾分數(shù)，如果計算得到的PC/PE/Chol體系在這三種成分的某一種比例配比中出現(xiàn)負偏差，說明在該比例下，這三種分子發(fā)生的相互作用為吸引作用，使得PC/PE/Chol體系更容易混合，如果在此比例下出現(xiàn)正偏差，說明分子在此比例下發(fā)生的作用為排斥作用，表明PC/PE/Chol體系不易混合。

3.3PC/PE/Chol單分子膜穩(wěn)定性分析

分析由兩種或者兩種以上分子組成的單分子層的熱力學穩(wěn)定性和分子之間相互作用時，表面過量吉布斯函數(shù)ΔG（ex）是一種有用的方法[6]，對于混合系統(tǒng)來說，ΔGmix為實際體系的吉布斯函數(shù)ΔG（id），由理想吉布斯函數(shù)和過量吉布斯函數(shù)改變量ΔG（ex）之和決定。

ΔGmix=ΔG（ex）+ΔG（id）（2）

對于理想混合來說，吉布斯能量改變量僅包含熵：

ΔG（id）=RT∑XilnXi（3）

式（3）中：Xi為單分子層中的i組分的摩爾分數(shù)，R為普世氣體常數(shù)，T為熱力學溫度。

根據(jù)文獻[6]，如果假設普通的研究方法大致適用于我們現(xiàn)在研究的三元體系，實際三元體系的熵可以認為就等于理想體系的熵，PC/PE/Chol三元體系中的過量吉布斯函數(shù)可表示為：

ΔG（ex）=∑RT（Xilnfi）（4）

式（4）中：fi為活性系數(shù)，反應了分子之間的相互作用，根據(jù)常規(guī)計算方法，lnfi可由式（5）來計算：

ln fi=ω（1-Xi）2RT（5）

式（5）中：ω是由不同種類分子之間的結(jié)合力所引起的相互作用參數(shù)。

根據(jù)熱力學知識，PC/PE/Chol三元系統(tǒng)的熵為：

S=-（GT）P=-∑ni=1T（Xilnfi）（6）

根據(jù)文獻6，單層膜表面的過量吉布斯函數(shù)越小，對應的單層膜則越穩(wěn)定。

3.4PC/PE/Chol單分子膜壓縮特性分析

分析單分子膜時，壓縮系數(shù)也是來衡量分子間相互作用的有效參數(shù)，PC、PE和Chol三元體系的壓縮系數(shù)CS可以根據(jù)文獻[7]中公式計算：

Cs=-1A（Aπ）T（7）endprint

式（7）中：A為圖1中的單分子面積，π為圖1中膜的表面壓力，根據(jù)（7）式，可得：

C-1s=-A（πA）T（8）

式（8）中：C-1s為彈性系數(shù)，曲線斜率與彈性系數(shù)是一致的。

對于膽固醇來說，高的壓縮系數(shù)使得其具有高壓縮性，盡管如此，在壓力約等于25mN/m時，通過曲線能夠證明它的變化趨勢，這與從液態(tài)壓縮相過渡到固體相的相變趨勢是一致的。

4結(jié)論

近年來，很多研究者研究了混合體系單分子層相變，包括吉布斯吸附層中的第一次和第二次相變，通過測定和計算這些混合體系單分子層中的熱力學函數(shù)來研究這些組分之間的相互作用及對整個單分子層的影響，這些計算結(jié)果也被相應的顯微鏡圖片所證實。本文通過LB膜技術制備PC/PE/Chol單分子膜，通過對π-A曲線、過量吉布斯函數(shù)、熵、彈性系數(shù)和平均單分子面積的分析和計算，研究了熱力學運動對PC/PE/Chol單分子膜結(jié)構(gòu)的作用，對探索生物膜的功能和結(jié)構(gòu)具有潛在的應用價值。

參考文獻：

[1]楊小樂，孫潤廣，張靜.LB膜與AFM技術研究磷脂酰乙醇胺單分子膜結(jié)構(gòu) [J] .液晶與顯示，2006，8.21（4）：348～355.

[2]常怡光，孫潤廣，郝長春.磷脂酰乙醇胺與硬脂酸和十八醇二元混合體系單層膜的熱力學特性和AFM觀測[J].高等學校化學學報，2010.3（31）：449～565.

[3]郝長春，孫潤廣，張靜.鞘胺醇/膽固醇單層分子膜的熱力學特性及表面形態(tài)的AFM觀測[J].中國科學 B輯：化學，2008，38（11）：1018～1024.

[4]孫潤廣，郝長春，常怡光.鞘氨醇與DPPC，DPPE單層膜的熱力學特性及形態(tài)觀察[J].化學學報，2009，（67）15：1808～1814.

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