細胞膜中微區(qū)結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)行為研究

馬艷+趙飛燕

摘要：采用LB膜技術(shù)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(xué)行為。

關(guān)鍵詞：LB膜技術(shù);PC/PE/Chol單分子膜結(jié)構(gòu);熱力學(xué)行為

中圖分類號：O647

文獻標(biāo)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(dāng)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(shù)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(shù)制備PC/PE/Chol單分子膜，通過繪制PC/PE/Chol LB膜的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)溫度。

根據(jù)文獻[6]，如果假設(shè)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(xué)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(yīng)的顯微鏡圖片所證實。本文通過LB膜技術(shù)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(xué)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(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]楊小樂，孫潤廣，張靜.LB膜與AFM技術(shù)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.

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[7]BordiF，CamettiC，Venanzio C D，SennatoS，Zuzzi S .Influence of temperature on microdomain organization of mixed cationic-zwitterioniclipidic monolayers at the air-water interface[J]. Colloids Surf B Bioniterface，2008，61：304～310.endprint