摘要

利用振動(dòng)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。鈉離子對單層結構的影響很小，而鈣離子的影響很大，并且強烈依賴(lài)于表面壓力。在低表面壓力下(～5 mN/m），Ca2+的存在導致意外出現有序結構域。對于壓力介于～5和～25 mN/m，Ca2+離子誘導單層細胞紊亂。當壓力超過(guò)25 mN/m時(shí)，鈣離子擴展單層，同時(shí)使脂鏈有序化。有趣的是，兩性離子脂質(zhì)和帶負電脂質(zhì)的效果相似。在振動(dòng)和頻產(chǎn)生和表面張力測量中，Ca2+與脂質(zhì)結合的分子特征從Ca2+誘導的信號變化中可以明顯看出，對應于4?2/Lipid9的面積變化精確地說(shuō)是Ca2+離子的表面積，并有證據表明在高壓下脂質(zhì)Ca2+絡(luò )合發(fā)生變化。

介紹

細胞的質(zhì)膜由許多不同的磷脂組成，這些磷脂不對稱(chēng)地分布在兩個(gè)雙層小葉上。胞質(zhì)小葉富含陰離子磷脂酰絲氨酸（PS）磷脂，而細胞外小葉主要含有中性?xún)尚灾|(zhì)。膜脂的性質(zhì)在很大程度上取決于環(huán)境條件，如pH值和離子強度。膜脂與離子的相互作用本課題在膜融合、酶調節、信號轉導等許多生物過(guò)程中起著(zhù)重要作用。1-4由于其負電荷，PS磷脂吸引陽(yáng)離子，如鈉和鈣。這可以用雙電層的古伊-查普曼理論來(lái)解釋?zhuān)摾碚擃A測負電荷表面附近的離子濃度會(huì )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)現離子與PC和PS的結合常數相似。6此外，PC頭群方向的微小變化可顯著(zhù)改變膜表面的電性能。7,8

除了一個(gè)基本的興趣，陽(yáng)離子與PC膜的結合在更實(shí)際的應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(guò)靜電相互作用強烈增強。因此，它們可以作為DNA轉染的合適載體，因為兩性離子脂質(zhì)與大多數陽(yáng)離子脂質(zhì)相比無(wú)毒且生物相容。

迄今為止，大多數實(shí)驗研究主要旨在量化離子和脂質(zhì)之間的固有結合常數，以及表征膜表面電位。除了分子動(dòng)力學(xué)（MD）研究外，對脂類(lèi)和離子之間相互作用的分子細節的11-16見(jiàn)解仍然有限。MD模擬表明，鈉離子通過(guò)與磷酸二酯氧相互作用特異性地結合到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(jià)陽(yáng)離子（如鈣）不能深入到陰離子PS雙層膜中，位于磷酸基團周?chē)莫M窄區域。14當陽(yáng)離子結合到膜上時(shí)，脂頭基團發(fā)生構象變化，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(wèn)題，12、15、16部分源于不同的模擬時(shí)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(gè)分子的一個(gè)面積。因此，需要對離子-脂質(zhì)相互作用進(jìn)行實(shí)驗研究，特別是在不同的脂質(zhì)密度下，以補充現有的理論工作。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(jià)和二價(jià)陽(yáng)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的脂質(zhì)重組。

使用三種互補技術(shù)的組合研究陽(yáng)離子脂質(zhì)單層系統，這三種技術(shù)提供不同長(cháng)度尺度的信息：表面壓力測量、熒光顯微鏡和振動(dòng)和頻產(chǎn)生（VSFG）光譜。表面壓力與面積的等溫線(xiàn)形成了整個(gè)單層相行為的宏觀(guān)測量。熒光顯微鏡下，17-19脂質(zhì)結構域可通過(guò)～200 nm分辨率，而VSFG提供關(guān)于脂質(zhì)分子取向和構象的信息，20-24，盡管平均探測面積為～10-2 mm2。請注意，SFG對有序結構域最敏感，因為有序結構域提供的信號比無(wú)序結構域大得多，因為有序結構域的對稱(chēng)性降低。

脂質(zhì)單分子膜被廣泛用作生物膜的模型系統，因為細胞膜可以被視為兩個(gè)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(shí)驗控制。為了觀(guān)察陽(yáng)離子對單層組織的細微影響，使用了相對較高（1 M）濃度的陽(yáng)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脂質(zhì)分子相互作用的顯著(zhù)效果。26,27雖然我們在這里報告了1 M濃度的結果，但對照實(shí)驗表明，這里報告的效應影響了離子濃度高于50 mM的大多數脂質(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）和帶負電脂質(zhì)L-1,2-二甲基-sn-甘油-3-磷酸絲氨酸（DMPS）的陽(yáng)離子-脂質(zhì)相互作用。脂質(zhì)的結構如圖1所示。DMPS和DPPC單分子膜表現出非常相似的相行為，都顯示出不同的共存區域。28 DPPC和DMP都有飽和烷基鏈，烴鏈的長(cháng)度略有不同。因此，這兩種不同類(lèi)型的脂質(zhì)呈現出良好的模型系統，其中陽(yáng)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)結構

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)的結合常數為12 M-1<K<20 M-1。因此，在1 M CaCl2溶液中，90%以上的DPPC脂質(zhì)將與鈣結合。在DMP上，需要考慮負表面電荷，這將吸引陽(yáng)離子。然而，由于中性單分子層幾乎所有表面位點(diǎn)都已結合，這不會(huì )顯著(zhù)改變結合脂質(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，鈉離子對DPPC單分子膜的影響不大，而鈣離子顯著(zhù)干擾脂質(zhì)組織。令人驚訝的是，鈣對脂質(zhì)組織的影響（即誘導有序或無(wú)序）強烈依賴(lài)于表面壓力π。在低表面壓力下(～5 mN/m）Ca2+的存在觸發(fā)有序結構域的出現，在中壓下，Ca2+傾向于弱無(wú)序單層，在高壓（π>20 mN/m）下，通過(guò)與頭部基團的相互作用，在脂尾中誘導大量有序。DPPC和DMPS的這些效應相似，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（見(jiàn)圖1）。已知鈣和磷酸鹽在水中形成強離子對29，并且這種相互作用的強度可能會(huì )在類(lèi)脂頭群區域增加，在該區域周?chē)慕殡姵担ㄒ虼穗姾傻撵o電屏蔽）會(huì )降低。這并不排除Ca2+與DMP絲氨酸基團上負電荷的任何相互作用，但如果發(fā)生這種情況，則不會(huì )影響脂尾的順序。鈉離子的存在對DMP有更顯著(zhù)的影響，與Ca2+相比，在高壓下，脂質(zhì)順序降低。