PVP對DEPE脂質(zhì)膜結(jié)構(gòu)影響的小角X射線研究

黃海燕

摘 要:用小角X射線(SAX)研究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)對磷脂酰乙醇胺(PE)脂質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn),在PE-PVP膜中,隨著PVP濃度的增加,發(fā)生了由立方相Im3m (Q229)到立方相Pn3m Q224)的相變。在0.05 wt% PVP中,PE-PVP膜是處在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。

關(guān)鍵詞:小角X射線;生物膜;液晶;相變;立方相

中圖分類號:O434文獻標識碼:A

文章編號: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軟凝聚態(tài)物理的前沿領(lǐng)域之一。磷脂酰乙醇胺(PhosphatidylEthanolamine,PE)是構(gòu)成生物膜(Biomembrane)骨架的主要分子之一,對其結(jié)構(gòu)的多型性(Polymorphism)研究發(fā)現(xiàn),PE能自然形成六角相(Hexagonal Phases HII)。非雙層(Nonbilayer) 相的穩(wěn)定性以及不同非雙層結(jié)構(gòu)之間的相變研究,對弄清磷脂膜結(jié)構(gòu)的多型性具有非常重要的意義[1,2]。在生物膜結(jié)構(gòu)中,PE易形成穩(wěn)定的非片層以及多層脂質(zhì)體泡囊(Lipid Vesicles),PE脂質(zhì)體通常處于六角相[3]。

立方相和六角相結(jié)構(gòu)已引起了世界眾多物理學家的關(guān)注。這些非雙層結(jié)構(gòu)被認為在膜的融合、膜蛋白功能的控制、細胞內(nèi)超分子結(jié)構(gòu)和膜蛋白的晶體結(jié)構(gòu)中起著非常重要的生理作用。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一種高效分散劑,在脂質(zhì)體的制備中,對獲得均勻的脂質(zhì)體具有重要的作用。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)對磷脂酰乙醇胺(PE)混合脂質(zhì)相行為的影響是一個十分值得研究的問題。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1,2-二十四甘油酸-3-磷脂酰乙醇胺(1,2-Dielaidoyl-glycero-3-Phosphatidyl-Ethanolamine,DEPE)購于Sigma(USA)公司。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和其他化學試劑購于中國上海試劑公司。

1.2 樣品制備

按實驗要求將DEPE溶于乙醚中,配成溶液;將PVP溶于 mol/15 磷酸鹽緩沖液(PBS,pH 7.4)中,過濾。濾液置于三角具塞燒瓶中,將該燒瓶放在磁力加熱攪拌器上,將溫度控制在60~70 ℃范圍內(nèi),高速攪拌,用微量注射器將溶有藥物的乙醚溶液緩慢加入,加完后在上述溫度范圍內(nèi)繼續(xù)攪拌90 min,在顯微鏡下觀察脂質(zhì)體達到要求后,密閉保存待用。 多相脂質(zhì)體的組分見表1。

表1 多相脂質(zhì)體的組分

編號名稱組分

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:磷酸鹽緩沖液;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射線散射(SAXS)實驗

小角X射線散射(SAXS)圖譜是在日本理學D/max-rB型旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀的小角散射附件上測得。樣品用浴式超聲波發(fā)生器振蕩30 min,將其充分混勻后,置于特制樣品架上進行小角X射線散射測定。用閃爍記數(shù)器作為X射線探測系統(tǒng),將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。測試條件:CuKα輻射,λ=0.154 056 nm,Ni濾波片,管壓為40 kV,管流為100 mA,一級狹縫為0.08 mm,二級狹縫為0.06 mm,三級狹縫為調(diào)至最佳狀態(tài)。接受狹縫為0.1 mm,防散射狹縫為0.25 mm,掃描速度為0.5 °/min,時間常數(shù)為2 s,樣品均在室溫進行測定。

1.4 脂質(zhì)胞囊液晶結(jié)構(gòu)特性的SAXS分析

1.4.1 片層液晶相結(jié)構(gòu)

液晶相參數(shù)可以從X衍射空間的重復間距d來計算。磷脂系統(tǒng)的雙層相、圓柱體、微胞等,其長程有序的一維、二維和三維晶格引起的Bragg衍射與倒易空間間距(Shkl=1/dhkl)的比率相關(guān)。對于片層液晶相,其倒易空間間距(Sl=1/dl)的比率是: 1∶2∶3∶4∶…,磷脂雙層相的厚度是db=Φdlam,水層的厚度是dw=dlam-db樣品非水部分的體積是Φ=vl/(vl+vw),其中vl是每個磷脂分子的體積,vw為每個磷脂分子的結(jié)合水體積。

1.4.2 六角液晶相結(jié)構(gòu)

對與六角液晶相,與晶面間距dhk相應的Miller指數(shù)h,k,分別為(1,0),(1,1),(2,0),(2,1),(3,0),…,其倒易空間間距Shk=1dhk=2(h2+k2+hk)12a3的比率是:1∶3∶ 2:7∶3∶…。六角相HII的晶胞參數(shù)是a=(2/3)d,水柱的直徑是dw=[(23/π)(1-Φ)a2]12。沿圓柱體軸線的脂質(zhì)層的厚度是dl=a-dw。

1.4.3 立方液晶相結(jié)構(gòu)

對于立方液晶相,晶面間距為dhkl=a/[(h2+k2+l2)12],其倒易空間間距為Shkl=1/dhkl=(h2+k2+l2)12/a,相應的Miller指數(shù)hkl分別為 (100),(110),(111),(200),(210),(211),(220),(221/300),…,相應的Bragg衍射峰倒易空間間距的比率是:1∶2∶3∶4∶5∶6∶8∶9∶…。對雙聯(lián)立方液晶相(Biocontinuous Cubic Liquid Crystalline Phase),晶胞參數(shù)是a =2d110。 衍射線的消光規(guī)律為h+k+l=2n,其Miller指數(shù)線性相關(guān)。 空間群Pn3m(Q224)的立方液晶相,允許的Bragg衍射存在的Miller指數(shù)(hkl)是(110),(111),(200),(211),(220),(221/300),(310),…,相關(guān)的Bragg衍射峰倒易空間間距的比率是:2∶ 3∶ 4∶ 6∶ 8∶ 9∶10∶…。對于空間群Im3m(Q229) 的立方液晶相,允許的Bragg衍射存在的Miller指數(shù)(hkl)是(110),(200),(211),(220),(310),(222),(321)…相關(guān)的Bragg衍射峰倒易空間間距的比率是:2∶4∶ 6∶ 8∶ 10∶ 12∶ 14∶…。

2 結(jié) 果

用小角X射線散射(SAXS)技術(shù)研究PVP對DEPE形成的立方液晶相的影響。實驗結(jié)果表明,PVP對DEPE立方相形成的影響依賴于PVP的濃度。如圖1(a)所示,在 0.05 wt% PVP,DEPE-PVP混合膜的衍射線空間的重復晶面間距(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.由此得到的倒易空間間距的比率是2∶4∶ 6∶ 8∶ 10∶ 12∶ 14∶ 16和2∶ 3∶ 4∶ 6∶ 8∶ 10∶12∶14,分別對應空間群Im3m(Q229)立方液晶相和空間群Pn3m (Q224)立方液晶相。結(jié)果表明此時DEPE-PVP混合膜是處在Im3m / Pn3m共存的混合立方液晶相。根據(jù)晶格常數(shù)a與晶面間距dhkl和晶面指數(shù)hkl的關(guān)系,以Shkl與h2+k2+l2為坐標作圖(見圖1(b)),它是一條通過零點的直線,斜率為a值的倒數(shù),由此求得晶體空間群Im3m (Q229)和Pn3m (Q224)的晶格常數(shù)分別是26.620 nm和20.800 nm。隨著PVP濃度增加,在DEPE-PVP混合膜中,發(fā)生了從Im3m (Q229)到Pn3m (Q224)的相變,與相變點相應的PVP濃度是0.1 wt%。在0.5 wt% PVP中得到的DEPE-PVP混合膜衍射線空間的重復間距是14.708,12.009,10.400,8.492,7.354,6.578,6.004,5.559,相應的倒易空間間距的比率是2∶3∶4∶6∶8∶10∶12∶14,對應于Pn3m (Q224)立方液晶相,晶格常數(shù)是20.800 nm。

圖1 PVP對PVP含量增加對DEPE混合膜液晶相影響的X射線譜

3 討 論

在生物膜系統(tǒng)中,最常見的非雙層相是倒六角液晶相(HII)。但用小角X射線散射研究發(fā)現(xiàn),磷脂在表面活性劑和其他化學物質(zhì)的作用下能形成立方液晶相結(jié)構(gòu)。在DEPE混合系統(tǒng)中,高的PVP濃度誘導形成Pn3m相,低的PVP濃度促使形成Pn3m相和Im3m相共存的立方液晶相結(jié)構(gòu)。發(fā)生Im3m/Pn3m兩個立方液晶相的共存總是與其晶格常數(shù)比等于1.28相聯(lián)系(26.620/20.800=1.279 8,28.5/22.3 =1.278 0)。與IPMS(Infinite Periodic Minimal Surfaces)的理論相符。

Koynova et al[3]發(fā)現(xiàn),非雙層相按照下列順序排列:連續(xù)立方相(Im3m,Pn3m,Ia3d)→六角相(H)→微胞立方相(Fd3m)→各向同性相(I)。在較高的脂肪酸(FA)含量(85-mol%)中,空間群(Fd3m)微胞立方相在PC/FA混合中形成。在較低的脂肪酸(FA)含量(75-mol%)中,至少三個立方相(Im3m,Pn3m,Ia3d)被發(fā)現(xiàn)。但在的實驗中從Pn3m到Im3m相的相變中沒有發(fā)現(xiàn)Ia3d相。這里認為,在生物膜系統(tǒng)中,通過化學組分的改變,可能誘導Pn3m相轉(zhuǎn)變成Im3m相。在DEPE混合膜中,加入PVP可能誘導Pn3m相通過表面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)形成Im3m相,而沒有任何結(jié)構(gòu)的破壞。

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