黄海燕

摘 要:用小角X射线(SAX)研究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对磷脂酰乙醇胺(PE)脂质膜结构的影响。研究发现,在PE-PVP膜中,随着PVP浓度的增加,发生了由立方相Im3m (Q229)到立方相Pn3m Q224)的相变。在0.05 wt% PVP中,PE-PVP膜是处在Im3m(Q229)和Pn3m(Q224)共存的立方相。在0.5 wt% PVP中,PE-PVP膜是以立方相Pn3m(Q224)存在。

关键词:小角X射线;生物膜;液晶;相变;立方相

中图分类号:O434文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)20-152-03

Structures of Phosphatidylethanolamine Membrane by Small Angle X-ray Scattering

HUANG Haiyan1,2

(1.Xi′an Railroad Vocationally Technical College,Xi′an,710014,China;

2.College of Physics & Information Technology,Shaanxi Normal University,Xi′an,710062,China)

Abstract:The effects of polyvinylpyrrolidone (PVP) on the phase stability and structures of the mixture membranes of 1,2-Dielaidoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DEPE) have investigated by small angle X-ray scattering.A phase transition from Im3m (Q229) to Pn3m (Q224) phase occurred with increasing PVP concentration in the DEPE-PVP membrane.At 0.05 wt% PVP,DEPE-PVP membranes were in the coexistence cubic phase of both Q224 and Q229,and at 0.5 wt% PVP,DEPE membranes were in the Q224 phase.

Keywords:small angle X-ray;biomembrane;liquid crystals;phase change;cubic phase

0 引 言

液晶生物膜的研究是软凝聚态物理的前沿领域之一。磷脂酰乙醇胺(PhosphatidylEthanolamine,PE)是构成生物膜(Biomembrane)骨架的主要分子之一,对其结构的多型性(Polymorphism)研究发现,PE能自然形成六角相(Hexagonal Phases HII)。非双层(Nonbilayer) 相的稳定性以及不同非双层结构之间的相变研究,对弄清磷脂膜结构的多型性具有非常重要的意义[1,2]。在生物膜结构中,PE易形成稳定的非片层以及多层脂质体泡囊(Lipid Vesicles),PE脂质体通常处于六角相[3]。

立方相和六角相结构已引起了世界众多物理学家的关注。这些非双层结构被认为在膜的融合、膜蛋白功能的控制、细胞内超分子结构和膜蛋白的晶体结构中起着非常重要的生理作用。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一种高效分散剂,在脂质体的制备中,对获得均匀的脂质体具有重要的作用。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对磷脂酰乙醇胺(PE)混合脂质相行为的影响是一个十分值得研究的问题。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1,2-二十四甘油酸-3-磷脂酰乙醇胺(1,2-Dielaidoyl-glycero-3-Phosphatidyl-Ethanolamine,DEPE)购于Sigma(USA)公司。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和其他化学试剂购于中国上海试剂公司。

1.2 样品制备

按实验要求将DEPE溶于乙醚中,配成溶液;将PVP溶于 mol/15 磷酸盐缓冲液(PBS,pH 7.4)中,过滤。滤液置于三角具塞烧瓶中,将该烧瓶放在磁力加热搅拌器上,将温度控制在60~70 ℃范围内,高速搅拌,用微量注射器将溶有药物的乙醚溶液缓慢加入,加完后在上述温度范围内继续搅拌90 min,在显微镜下观察脂质体达到要求后,密闭保存待用。 多相脂质体的组分见表1。

表1 多相脂质体的组分

编号名称组分

Sample ADEPE liposomesDEPE,PBS

Sample BDEPE+PVP liposomesDEPE,PBS,PVP(0.05;0.07;0.09;0.1;0.3;0.5 wt%)

表1中:PVP:聚乙烯吡咯烷酮;PBS:磷酸盐缓冲液;DEPE:1,2-二十四甘油酸-3-磷脂酰乙醇胺PVP,polyvinylpyrrolidone;PBS,phosphate buffered saline;DEPE:1,2-Dielaidoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamine。

1.3 小角X射线散射(SAXS)实验

小角X射线散射(SAXS)图谱是在日本理学D/max-rB型旋转阳极X射线衍射仪的小角散射附件上测得。样品用浴式超声波发生器振荡30 min,将其充分混匀后,置于特制样品架上进行小角X射线散射测定。用闪烁记数器作为X射线探测系统,将光信号转换成电信号输入计算机进行数据处理。测试条件:CuKα辐射,λ=0.154 056 nm,Ni滤波片,管压为40 kV,管流为100 mA,一级狭缝为0.08 mm,二级狭缝为0.06 mm,三级狭缝为调至最佳状态。接受狭缝为0.1 mm,防散射狭缝为0.25 mm,扫描速度为0.5 °/min,时间常数为2 s,样品均在室温进行测定。

1.4 脂质胞囊液晶结构特性的SAXS分析

1.4.1 片层液晶相结构

液晶相参数可以从X衍射空间的重复间距d来计算。磷脂系统的双层相、圆柱体、微胞等,其长程有序的一维、二维和三维晶格引起的Bragg衍射与倒易空间间距(Shkl=1/dhkl)的比率相关。对于片层液晶相,其倒易空间间距(Sl=1/dl)的比率是: 1∶2∶3∶4∶…,磷脂双层相的厚度是db=Φdlam,水层的厚度是dw=dlam-db样品非水部分的体积是Φ=vl/(vl+vw),其中vl是每个磷脂分子的体积,vw为每个磷脂分子的结合水体积。

1.4.2 六角液晶相结构

对与六角液晶相,与晶面间距dhk相应的Miller指数h,k,分别为(1,0),(1,1),(2,0),(2,1),(3,0),…,其倒易空间间距Shk=1dhk=2(h2+k2+hk)12a3的比率是:1∶3∶ 2:7∶3∶…。六角相HII的晶胞参数是a=(2/3)d,水柱的直径是dw=[(23/π)(1-Φ)a2]12。沿圆柱体轴线的脂质层的厚度是dl=a-dw。

1.4.3 立方液晶相结构

对于立方液晶相,晶面间距为dhkl=a/[(h2+k2+l2)12],其倒易空间间距为Shkl=1/dhkl=(h2+k2+l2)12/a,相应的Miller指数hkl分别为 (100),(110),(111),(200),(210),(211),(220),(221/300),…,相应的Bragg衍射峰倒易空间间距的比率是:1∶2∶3∶4∶5∶6∶8∶9∶…。对双联立方液晶相(Biocontinuous Cubic Liquid Crystalline Phase),晶胞参数是a =2d110。 衍射线的消光规律为h+k+l=2n,其Miller指数线性相关。 空间群Pn3m(Q224)的立方液晶相,允许的Bragg衍射存在的Miller指数(hkl)是(110),(111),(200),(211),(220),(221/300),(310),…,相关的Bragg衍射峰倒易空间间距的比率是:2∶ 3∶ 4∶ 6∶ 8∶ 9∶10∶…。对于空间群Im3m(Q229) 的立方液晶相,允许的Bragg衍射存在的Miller指数(hkl)是(110),(200),(211),(220),(310),(222),(321)…相关的Bragg衍射峰倒易空间间距的比率是:2∶4∶ 6∶ 8∶ 10∶ 12∶ 14∶…。

2 结 果

用小角X射线散射(SAXS)技术研究PVP对DEPE形成的立方液晶相的影响。实验结果表明,PVP对DEPE立方相形成的影响依赖于PVP的浓度。如图1(a)所示,在 0.05 wt% PVP,DEPE-PVP混合膜的衍射线空间的重复晶面间距(nm)是 18.823,13.310,10.868,9.412,8.418,7.685,6.655 和14.708,12.009,10.400,8.492,7.354,6.578,6.004,5.559.由此得到的倒易空间间距的比率是2∶4∶ 6∶ 8∶ 10∶ 12∶ 14∶ 16和2∶ 3∶ 4∶ 6∶ 8∶ 10∶12∶14,分别对应空间群Im3m(Q229)立方液晶相和空间群Pn3m (Q224)立方液晶相。结果表明此时DEPE-PVP混合膜是处在Im3m / Pn3m共存的混合立方液晶相。根据晶格常数a与晶面间距dhkl和晶面指数hkl的关系,以Shkl与h2+k2+l2为坐标作图(见图1(b)),它是一条通过零点的直线,斜率为a值的倒数,由此求得晶体空间群Im3m (Q229)和Pn3m (Q224)的晶格常数分别是26.620 nm和20.800 nm。随着PVP浓度增加,在DEPE-PVP混合膜中,发生了从Im3m (Q229)到Pn3m (Q224)的相变,与相变点相应的PVP浓度是0.1 wt%。在0.5 wt% PVP中得到的DEPE-PVP混合膜衍射线空间的重复间距是14.708,12.009,10.400,8.492,7.354,6.578,6.004,5.559,相应的倒易空间间距的比率是2∶3∶4∶6∶8∶10∶12∶14,对应于Pn3m (Q224)立方液晶相,晶格常数是20.800 nm。

图1 PVP对PVP含量增加对DEPE混合膜液晶相影响的X射线谱

3 讨 论

在生物膜系统中,最常见的非双层相是倒六角液晶相(HII)。但用小角X射线散射研究发现,磷脂在表面活性剂和其他化学物质的作用下能形成立方液晶相结构。在DEPE混合系统中,高的PVP浓度诱导形成Pn3m相,低的PVP浓度促使形成Pn3m相和Im3m相共存的立方液晶相结构。发生Im3m/Pn3m两个立方液晶相的共存总是与其晶格常数比等于1.28相联系(26.620/20.800=1.279 8,28.5/22.3 =1.278 0)。与IPMS(Infinite Periodic Minimal Surfaces)的理论相符。

Koynova et al[3]发现,非双层相按照下列顺序排列:连续立方相(Im3m,Pn3m,Ia3d)→六角相(H)→微胞立方相(Fd3m)→各向同性相(I)。在较高的脂肪酸(FA)含量(85-mol%)中,空间群(Fd3m)微胞立方相在PC/FA混合中形成。在较低的脂肪酸(FA)含量(75-mol%)中,至少三个立方相(Im3m,Pn3m,Ia3d)被发现。但在的实验中从Pn3m到Im3m相的相变中没有发现Ia3d相。这里认为,在生物膜系统中,通过化学组分的改变,可能诱导Pn3m相转变成Im3m相。在DEPE混合膜中,加入PVP可能诱导Pn3m相通过表面结构的旋转形成Im3m相,而没有任何结构的破坏。

参考文献

[1]Estrela-Lopis,Brezesinski G,Mohwald H.Miscibility of DPPC and DPPA in Monolayers at the Air/Water Interface[J].Chemistry and Physics of Lipids,2004,131(1):71-80.

[2]孙润广,张静,齐浩.胆固醇对脂双层结构影响的SAXD和STM研究[J].生物物理学报,2001,17(1):53-58.

[3]孙润广,张静,王永昌.多烯脂肪酸对磷脂胆固醇脂质体液晶态结构的影响机理[J].生物物理学报,1999,15(4):675-681.

[4]孙润广,张静,王永昌.脂肪酸多相脂质体与癌细胞膜相互作用的谱研究[J].生物化学与生物物理进展,2000,27(3):296-300.

[5]孙润广,齐浩,张静.脂质体结构特性的原子力显微镜研究[J].物理学报,2002,51(6):41-45.

[6]Maas J H,Cohen StuartM A,Fleer G J.Thin Biock Copolymers Film:Film Formation and Corrugation under an AFM Tip[J].Thin Solid Films,2000,358(1-2):234-240.

[7]Zhang J,Sun R G,Lipid Membrane.Inelastic Deformation of the Surface Structure by Atomic Force Microscopy[J].Chin.Phys.,2002,51(8):776-784.

[8]张静, 孙润广.糖和盐类物质对生物膜超分子结构稳定性影响的研究[J].化学学报,2006,64(19):1 993-2 002.